基 于DSP的 电 机 设 备 远 程 数 据 监 控 系 统 的 研 究 Electromechanical Device Remote Data Monitor Systems Research Based on DSP许晓艳 潘宏侠(中北大学信息与通信工程学院,山西 太原030051)摘 要:主要研究了基于DSP的机电设备远程数据监控系统,该系统充分利用了DSP高速数据处理功能,辅以外围电路,开发了以DSP为主处理器的数据采集处理前端模块的软硬件实现。硬件部分采用模块化的设计方法,以TMS320F2812为处理器,完成了包括电源模块、 模拟量输入模块、 频率量输入模块、 数字量处理模块、 通信模块及液晶显示模块的设计。关键词:DSP;机电设备;远程数据监控系统;数据采集处理1 引言机电设备在大部分大型装备中处于核心部位,技术复杂,但由于机组停机后许多产生故障的原因不能通过设备运行来进行诊断,设备停机后进行故障诊断将增加故障检测、 诊断和确定故障的难度,这就使故障的发现、诊断和处理受到延误,严重影响设备的正常使用,可能造 成重大的经济损失。建立机电设备远程诊断系统将十分必要,其可以为机电设备远程故障诊断提供帮助数字信号处理器,是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。芯片是基于超大规模集成电路技术和计算机技术发展起来的一种高速专用微处理器,有强大的运算功能和高速的数据传输能力,能方便地处理以运算为主的不允许时延的实时信号,对信号进行采集、 变换、 滤波、 估值、 增强、 压缩、 识别等处理。本文提出了基于DSP的机电设备远程数据监控系统的研究设计。该系统外扩有16个模拟通道,当设备侦测到某通道数据异常时,该设备将故障数据和故障结论存储到外扩的大容量SRAM中,同时通过CAN总线,将必要的数据传至上位机,PC机对于得到的数据可以进行智能化故障诊断、 趋势预测等处理。本系统能对机电设备的功率温度等参数以及现场环境进行实时监测, ,并通过现有的通信网络进行传输,为设备的远程故障诊断打下良好的基础。2 DSP芯片 TMS320F28lx是TI公司2002年推出的新一代应用于控制等领域的32位芯片,隶属于2000系列,是TI当前主推的主流芯片,用来替代以前的2xx和24x ,且与24x系列兼容,但是性能得到了极大的提高,增加和改进了许多功能。其具有高性能静态CMOS技术,更低的功耗,313V供电, 1 V 35Mz , 1 V 5 Mz的执行速度 支持标准的TG边界扫描技术,支持F 硬件配置强,具有遵循标准的片内F 片上存 储器有FLASH , OTP ROM , 8K 3 16位SRAM ;F2812支持4M 3 16位外部存储空间,三个外部 中断,外部中断扩展(PIE)支持45个外部中断。事件管理器有2个:EVA + EVB);三个32位的全局定时器。多达16个12位片内高速A/ D转换器;最多有56个独立的可编程、 多用途通用输入/输出(GPIO)引脚。 这些DSP芯片的特点使之对于数字信号处理极为快速方便,也使DSP系统具有了数字处理的全部优点,主要体现在接口方便、 编程方便、 稳定性好、 精度高、 可重复性好、 集成 方便。 总之,DSP是伴随着数字信号处理技术的发展,为适应数字信号处理技术中所要求的快速实时处理、 处理数据量大、 处理精度高等特点而开发的专用芯片。3 硬件设计 311 硬件结构图(如图1)图1 硬件总体结构根据给定的技术要求,结合本系统要完成的功能, F的特点以及对各功能模块的分析和选择,硬件总体结构如 图所示。该 电路 设计 选用TI公司 的TMS3F作为系统控制核心,它是整个系统控制和12 计量与测试技术2009年第36卷第1期1 81H1 91 0H:JAAP2812120 2812数据处理中枢,辅以相应的外围接口电路,外围接口电路包括模拟量输入接口电路,数字量输入输出接口电路,频率量输入电路,液晶显示电路,与上位机的串行通信电路和CAN通信电路。TMS320F2812构成的前端系统进行 16路模拟量输入的采集、4频率的计算、12路开关量输入采集和12路开关量输出的设置,同时也利用2812强大的数据处理能力进行时域统计和频域的FFT计算。 再将已处理好的多数据通过CAN总线或SCI分块发送给上位机进行处理。312 最小硬件系统设计 (1)电源电路:为了降低芯片功耗, TMS32OF2812采用双电源供电的方式,其中一路电源电压为+ 313V ,为GPIO ,FLASH ,ROM和ADC提供工作电压,另一路电源为+ 118V(或+ 119V),为CPU内核提供能源。本 系统采用Tl公司的双路输出电源芯片TPS767D318 ,支持最大1A的输出电流并带有欠压复位输出功能和输出使能功能。TPS767D318的输入电压范围为(21710)V ,输出电压一路为313V ,另一路为115V515V可调, 满足F2812的双电源要求。电路如下图2所示。图2 电源电路 (2)电源复位和监视电路:复位电路采用Tl公司的专用复位芯片TPS3307一18。该芯片具有上电复位、 手动复位和电源监控三项功能。电路见图3所示。图3 电源复位和监视电路(3)时钟电路:使用DSP内部的振荡驱动电路,外接一个晶体和两个电容。313 外围接口电路 ( )模拟量输入接口电路 本系统采用二阶无限增益多路反馈低通滤波电路。系统中用到的放大器为LM3,该芯片集成了四个集成运放。 电路图如图4所示。图4 模拟量输入接口电路 (2)数字量输入接口电路:在实际应用中,常常要采集各开关量的状态,这些状态量的采集主要是以光电耦合的方式输入。电路图如图5所示。图5 数字量输入接口电路 (3)数字量输出接口电路:原理基本和输入接口相同,在此不再重复。 (4)频率量输入接口电路: CAP计算电路由滤波电路,过零比较电路,电平转换电路组成。(5)液晶显示电路:LED显示器采用精电鹏远型号为M G L(S)- 19264的液晶显示模块。它的分辨率为192 3 64dot。与DSP接口采用。 (6) SCI通信电路:本设计系统采用了一个二极管 (1N4007)和三个电阻进行MAX232与TMS320F2812之间的5V与313V的电平转换。整个接口电路简单,可 靠性高,电路图如图6所示。图6 SCI通信电路 (7)CAN通信电路:在本系统中采用Agilent公司的L 63双路光电耦合芯片对N收发信号进行隔 离。L 63为M高速光耦,完全可以满足本系统要求。SN65VD 3收发芯片和L 63组成N许晓艳等:基于DSP的电机设备远程数据监控系统的研究 13 1:24HCP 01CA HCP 0110H2 0HCP 01CA信息收发电路如图7所示。图7 CAN通信电路 4 软件设计本论文以DSP为系统核心展开设计,无论是外围电路还是内部软件都充分利用了DSP的丰富资源,使得系 统整体设计紧凑合理,既发挥了DSP的优点,又节约了系统资源。该系统的软件设计主要由以下几个部分组成:主程序部分、 数据采集部分(模拟量采集)、FFT部分、 数字输入输出部分、 频率捕捉计算部分、SCI和CAN 通信通讯部分、 等。本文简要其中的几个主要程序。411 主体框架设计 软件采用自顶向下、 模块化的结构化程序设计,首先建立软件的框架结构,将整个软件划分为几个相对独立的大的模块,每个模块实现一定的功能,然后对每个模块逐步细化,直到完成整个软件的编制。主程序是软件的 主体框架,它的主要任务是在条件满足的时候调用其它子功能模块,执行各个功能模块的任务。主程序的工作过程是首先在系统开机以后完成初始 化程序,分别初始化系统控制寄存器和各个功能模块寄存器,设置基本的功能,然后进入等待控制命令流程。程序将按照命令中设置的方式进行功能子函数的选择性调用,首先检测该功能的使能位是否为1 ,若为1则调用此 功能函数,若为0则跳过此函数,进入下一个功能函数的检测调用,一直进行到最后一个函数。在主程序循环中,所有的功能模块只有条件满足才执行,一旦条件不满足, 立即进入下一个功能模块。412 功能模块程序设计在设计好程序的主体构架后,按照自顶向下逐步细化的原则,将各个功能模块程序调试通过,然后添加到总 的程序中,采用这种模块化的程序设计方法使得程序更易于检验和调试。 (1)初始化程序设计:初始化程序主要用来执行系统开始工作之前的一些最基本的设置,以保证系统的正常工作。在系统控制初始化程序中设置了系统的工作时钟频率,中断的使能。在I/ O数字输入输出初始化部分选 择了用来作为输入和输出的引脚,并设定引脚的输入输出方式;在捕捉部分的初始化部分中使能了、两个引脚的捕捉功能,并用T定时器来所存时 间,清零、的两级缓存器以及定时器的连续增计数模式;在ADC部分的初始化中设定了采样时间、级联的排序模式。使能SEQ1排序器的结束中断标志,并使能事件管理器A的事件启动ADC转换;在SCI串行口工作初始化部分设置了串行通信的通信格式,(1个 停止位,禁止校验,8位字符,禁止自测试,空闲线协议) ,波特率= 19200 ,禁止接收和发送中断等;在CAN通信的初始化部分设置了CAN发射的一些基本设置,包括 用来发送的邮箱,以及邮箱标识符和为时间控制等。(2)ADC模拟量采集程序设计:模拟量采集程序是本系统的一个比较核心的步骤,该程序实现了根据控制命令中设置的通道选择控制字格式,对模拟输入通道的 多组合方式的采集和数据存储功能。在设计时采用2812内部ADC转换器的顺序采样模式,一次采集12路信息。放voltage1voltage16 16个 数组里,每个数组为1024个单元,整形Uint16型。通过对GPTCONA的位T1 TOADC设置,选择定时器T1的周期值,即采样周期的值。定时器在每次定时器达到周期值时将产生触发转换信号。从而达到采样频 率的可设置。由于在串行发射时考虑到对不同通道组合时的发出的数据的识别,采用在各通道数据加上通道号,ADC转换完毕的12位数据按照高位对齐方式。选择在 低四位加上识别的通道号,就可以让上位机接收后识别出所发送的数据是属于那一通道的。在ADC模块转换的数据不进行数据处理,当把数据发送到上位机后,由上位机进行标量变换。在转换中设置了 一个转换次数conversioncount当其变化到1024时就会关闭定时器,从而不会继续中断服务,进而进行后续程序。采用定时器T1产生周期中断来触发ADC转换,并在中断结束时进入中断服务程序,读取数据。程序流程图8、9如下:图 D采样程序14 计量与测试技术2009年第36卷第1期CAPCAP1CAP22 CAP1 CAP28AC图9 ADC中断服务程序 (3)FFT变换程序:该程序完成将ADC模块采集进来的时域转变为频域信号的功能FFT变换时采用了变 量来作为进行个通道进行FFT变换的使能标志。若该标志为1则启动对该路信号的FFT变换。变换后的数据放在指定的数据空间。 信号可以用时域和频域两种方法表示。通过对信号进行傅立叶变换可把连续的模拟信号由时域转化成频域来表示。到现在人们已经提出了很多种FFT变换,我们通称之为FFT。其中2FFT算法最为常用。本文引用的 Tl公司的FFT库函数即采用2FFT算法。这里只讲具体实现过程。以下为使用F2812的FFT库的步骤:下 载C28x快 速 傅 立 叶 变 换 程 序 库 文 件 SPRCO81 ; 解压缩SPRC0811zip后安装FFT. exe。安装完后在C:/ tidcs/ c28/ dsp-tbox/ fft目录后可以看到所有的文件; 文件头部包含# include“fft. h”; 程序中输入规定代码。5 实验及分析任何系统的设计最终目的都是为了投入使用,下面我们以某一机组上测得的频率,温度,电压为例来说明。频率发电机轴承温度电动机轴承温度机组机壳温度线电压AB线电压BC线电压