「基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計」

第一章緒論課題研究的背景在高度發(fā)展的當今社會中,科學技術(shù)的突飛猛進和生產(chǎn)過程的高度自動化已成為人所共知的必然趨勢，而它們的共同要求是必須建立在有著不斷發(fā)展與提高的信息工業(yè)基礎上。人們只有從外界獲取大量準確、可靠的信息經(jīng)過一系列的科學分析、處理、加工與判斷，進而認識和掌握自然界與科學技術(shù)中的各種現(xiàn)象與其相關(guān)的變化規(guī)律，并通過相應的系統(tǒng)和方法實現(xiàn)科學實驗研究與生產(chǎn)過程的高度自動化。換言之，生產(chǎn)過程的自動化面臨的第一個問題就是必須根據(jù)從各種傳感器得到的數(shù)據(jù)來檢測、監(jiān)視現(xiàn)場,以保證現(xiàn)場設備的正常工作。所以對現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集是重要的前期基礎工作,然后再對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行傳輸和相應的處理工作，以滿足不同的需要。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種應用極為廣泛的模擬量測量設備,其基本任務是把信號送入計算機或相應的信號處理系統(tǒng)，根據(jù)不同的需要進行相應的計算和處理。它將模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再經(jīng)過計算機處理得出所需的數(shù)據(jù)。同時，還可以用計算機將得到的數(shù)據(jù)進行儲存、顯示和打印，以實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視,其中一部分數(shù)據(jù)還將被用作生產(chǎn)過程中的反饋控制量。數(shù)據(jù)處理在整個科研工作中是個重要的必不可少的環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作的質(zhì)量和速度如何，對整個科研工作的影響也是很大的。因此研究一種質(zhì)量性能高的通用數(shù)據(jù)采集平臺具有很大的意義。從廣泛的意義上來講，數(shù)據(jù)采集與處理的主要包括以下幾個方面:(1)數(shù)據(jù)的采集:主要是解決非電量轉(zhuǎn)換為電量的問題以及多路復用、數(shù)據(jù)的模擬形式和數(shù)字形式之間的轉(zhuǎn)換問題。(2)數(shù)據(jù)的記錄：數(shù)據(jù)的存儲是非常重要的問題。(3)數(shù)據(jù)處理:包括預處理、數(shù)據(jù)檢驗和數(shù)據(jù)分析等步驟。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，對數(shù)據(jù)處理的實時性要求也愈來愈迫切。顯然，不論在哪個應用領域中,數(shù)據(jù)處理越及時則經(jīng)濟效益就越大。例如在實時監(jiān)控系統(tǒng)中,必然要求對測量數(shù)據(jù)實時處理。又如在新型飛機試飛中如能實現(xiàn)對某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時處理和監(jiān)測,就能在這些數(shù)據(jù)發(fā)生異常變化時及時發(fā)現(xiàn)并采取措施，以避免機毀人亡的重大事故發(fā)生?？梢姡瑢崟r處理數(shù)據(jù)意義是很大的。由于電子計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為提高數(shù)據(jù)處理的實時性提供了廣闊的前景。2斷資源限制,可擴展性差；在一些電磁干擾性強的測試現(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽,導致采集的數(shù)據(jù)失真。而現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學研究的發(fā)展要求數(shù)據(jù)采集卡具有更好的數(shù)據(jù)采集、處理能力,傳統(tǒng)的CPU已經(jīng)不能滿足這一要求。針對以上要求。國內(nèi)外研究及開發(fā)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集與處理一直是生產(chǎn)實踐研究與應用領域的一個熱點和難點。隨著微電子制造工藝水平的飛速提高及數(shù)據(jù)分析理論的進一步完善與成熟，目前國內(nèi)外對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高性能方面的研究上取得了很大的成就。就A／D轉(zhuǎn)換的精度、速度和通道數(shù)來說，采樣通道從單通道發(fā)展到雙通道、多通道，采樣頻率、分辨率、精度逐步提高，為分析功能的加強提供了前提條件［2］。而在數(shù)據(jù)分析的微處理器上，最初的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以8位單片機為核心，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新興單片機的不斷問世，十六位、三十二位單片機也為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制廠家所采用，近來采用具有DSP功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也己投入市場。同時，通用PC機的CPU用于數(shù)據(jù)處理也較為常見?？傊?，伴隨著高性能微處理器的采用和用戶技術(shù)要求的不斷提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能也越來越完善。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個趨勢:首先，在專業(yè)測控方面，基于PC計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來越成熟和智能化。在過去的二十年中,開放式架構(gòu)PC機的處理能力平均每十八個月就增強一倍為了充分利用處理器速度的發(fā)展,現(xiàn)代開放式測量平臺結(jié)合了高速總線接口，如PCI和PXI/ComPactPCI,以便獲得性能的進一步提升。計算機的性能提升和由此引起的基于計算機的測量技術(shù)的創(chuàng)新,正在持續(xù)不斷地模糊著傳統(tǒng)儀器和基于計算機的測量儀器之間的界線。其次，在通用測控方面，采用嵌入式微處理器的方案也由早期的采用A/D器件和標準單片機組成應用系統(tǒng)發(fā)展到在單芯片上實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集與分析，即目前極為熱門的SOC(SystemOnChip)[3]。通常在一塊芯片上會集成一個，可以采樣多路模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和一個硬CPU核(比如增強型80_52內(nèi)核)，而且其CPU的運算處理速度和性能也較早期的標準CPU內(nèi)核提高了數(shù)倍，而且有著極低的功耗。這種單芯片解決方案降低了系統(tǒng)的成本和設計的復雜性。此外,為了解決SOC方案中數(shù)據(jù)處理性能的不足,采用DSP作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的CPU的研究與應用目前也逐漸引起業(yè)內(nèi)重視。但是這類產(chǎn)品目前僅僅處于發(fā)展的初級階段,在精度、速度或其它性能指標上并不能很好的滿足要求。因此，國內(nèi)外以DSP作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣控制和分析運算的研究與應用正在展開。1．3本文主要內(nèi)容和章節(jié)安排本文完成了一種基于數(shù)字信號處理器、通用串行總線接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案的設計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采樣與分析,重點針對DSP硬件設計和DSP軟件設計展開研究。全文的結(jié)構(gòu)安排如下：第1章緒論，說明了課題的來源、研究的目的、意義以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第2章主要DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設計方案，給出了適合本系統(tǒng)的方案。第3章給出了系統(tǒng)的硬件設計過程，重點研究DSP硬件電路的設計。第4章給出了系統(tǒng)的軟件設計過程，重點研究DSP的C語言編程思想以及用組態(tài)王開發(fā)上位機的方法，以及DSP與PC機之間的通信接口。第5章給出了系統(tǒng)測試過程和測試結(jié)果。第6章為本課題所做的工作進行總結(jié)，并提出今后研究工作的展望。第二章 DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設計方案隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)據(jù)處理這個環(huán)節(jié)在整個科研工作中是個重要的必不可少的過程，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作的質(zhì)量和速度如何，對整個科研工作的影響也是很大的。因此,有必要了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點、主要性能指標以及一般的結(jié)構(gòu)，在此基礎上進行總體方案設計。2.1現(xiàn)場處理器的選擇隨著信息社會的不斷發(fā)展，對數(shù)據(jù)采集的實時性和精度提出了更高的要求,傳統(tǒng)的單片機顯然不能滿足要求。TI公司推出的系列DSP一改傳統(tǒng)的馮。諾依曼結(jié)構(gòu)，采用先進的哈弗總線結(jié)構(gòu)。將程序和數(shù)據(jù)放在不同的存儲空間內(nèi)，每個存儲空間都可以獨立訪問，而且程序總線和數(shù)據(jù)總線分開,從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。作為TI公司的TM320F2812具有很高的性價比，廣泛應用于工業(yè)控制，特別是應用于處理速度，處理精度方面要求較高的領域。TMS320F2812的主要性能［6］如下:(1)TMS32OF2812芯片采用了高性能的CMOS技術(shù)，其主頻最高可以達到150MHz，時鐘周期為6.67ns。當內(nèi)核電壓為1.8V時,主頻為135MHz；當內(nèi)核電壓為1.9V時,主頻為150MHz。(2)支持JTGA在線仿真接口。(3)高性能的32位中央處理器。采用哈佛總線結(jié)構(gòu)模式,具有快速的中斷響應和中斷處理能力，具有同一的寄存器編程模式，并且編程可兼容C/C++語言以及匯編語言。(4)TMS32OF2812片內(nèi)含有128Kx16位的Flash，分為4個8Kx16位和6個16Kx16位的存儲段;而TMS320F2812片內(nèi)含有128Kx16位的ROM。(5)時鐘和系統(tǒng)控制：內(nèi)含看門狗定時器模塊；具有片內(nèi)振蕩器；支持動態(tài)鎖相環(huán)倍頻。(6)3個外部中斷模塊,外部中斷模塊PIE可以支持96個外部中斷，當前僅用了45個外部中斷。(7)128位安全密匙:可以保護Flash/ROM、OTPROMffL0、L1SARAM；防止系統(tǒng)中的軟件程序被修改或讀取。(8)先進的仿真模式:具有實時分析以及設置斷點的功能;支持硬件仿真。(9)低功耗模式和節(jié)能模式:支持IDEL、STANDBY、HALT模式,即支持空閑模式、等待模式以及掛起模式；可以獨立禁止/使能各個外設的時鐘。(10)雙向的10位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采樣速率可以達到166KHz,精度達到210即1024；(11)帶有功能強大的事件管理器：3個通用定時器、3個全比較單元、3個單比較單元、PWM脈寬調(diào)制電路、事件管理器模塊中斷控制電路、4個捕獲單元以及QEP正交編碼脈沖電路；(12)帶有串行通訊接口模塊(SCI)、串行外設接口模塊(SPI)、數(shù)字I/O端口模塊、CAN控制器模塊,便于與外部設備通訊;2處理器間的通信在現(xiàn)場總線的設計過程中,我們考慮過用RS—485的基于R線構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)。但是較之目前許多RS—485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性。首先,CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)（取決于報文標識符）采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù),這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS一485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。其次，CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài),CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS―485網(wǎng)絡中,當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時,導致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能,以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響,從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡中,因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。而且,CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS—485所無法比擬的。另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線。這些也是目前。AN總線應用于眾多領域,具有強勁的市場競爭力的重要原因。由于本系統(tǒng)只是整個現(xiàn)場主控制系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，需要與主系統(tǒng)其他子系統(tǒng)進行通信,并且相互能夠進行實時的數(shù)據(jù)傳輸和處理。而CAN具有獨特的設計思想,良好功能特性和極高的可靠性,現(xiàn)場抗干擾能力強,結(jié)構(gòu)簡單,只有兩根線與外部相連，通信方式靈活,可以點對點、點對多點及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等等優(yōu)點[ll],我們選擇使用DsP本身就具有的cAN總線控制器模塊來完成于其它子系統(tǒng)的通信。2．3上位機軟件的開發(fā)近年來興起的組態(tài)軟件是一種標準化,模塊化，商品化的通用工業(yè)控制開發(fā)軟件,只需要進行標準功能模塊的軟件組態(tài)和簡單的編程,就可以設計出標準化，專業(yè)化,通用性強，可靠性高的上位機人機界面控制程序,且工作量較小，開發(fā)調(diào)試周期短，對程序設計員要求也較低，并且由于組態(tài)軟件都是由專門軟件開發(fā)人員按照軟件工程的規(guī)范來開發(fā)的,使用前又經(jīng)過了比較長時間的工程運行考驗，其質(zhì)量是有充分保證的。因此,控制組態(tài)軟件是性能優(yōu)良的軟件產(chǎn)品，已成為開發(fā)上位機控制程序的主流開發(fā)工具。2.4PC機與DSP的通信接口串行接口是指數(shù)據(jù)一位位地順序傳送，其特點是通信線路簡單,只要一對傳輸線就可以實現(xiàn)雙向通信,并可以利用電話線,從而大大降低了成本，特別適用于遠距離通信,但傳送速度較慢一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊。串行通訊的特點是：數(shù)據(jù)位傳送，傳按位順序進行，最少只需一根傳輸線即可完成；成本低但傳送速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米；根據(jù)信息的傳送方向,串行通訊可以進一步分為單工、半雙工和全雙工三種。現(xiàn)已確定下位機選肺1公司的TMS320F2812DSP芯片，數(shù)據(jù)經(jīng)DSP采集后，要實時將現(xiàn)場信息傳輸?shù)絇C機進行實時監(jiān)控。DSP的與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的外設有SCI、SPI、CAN?，F(xiàn)已將CAN總線用于各個DSP間的通信,SPI為一種同步串行外設接口，使用較少。SCI接口可以工作在全雙工工作模式，并且經(jīng)接口芯片轉(zhuǎn)換后可變成RS-232或RS-485電平標準,進而與PC機的串口相連。是第一三種較章為實用的數(shù)方據(jù)案。采集系統(tǒng)硬件設計3．1電源電路設計TMS320F2812工作時所要求的電壓分為兩部分：3.3V的F1ash電壓和1.8V的內(nèi)核電壓。TMS320F2812對電源很敏感，所以在選用電源芯片時要求電壓