劉曉宏

（國營785廠，山西 太原 030024）

0 引言

在實際工程應用中，經(jīng)常需要對各種設備進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，首先要對各傳感器的信號進行采集，為了減輕上位機的運算負荷，設計了一種基于DSP的智能節(jié)點，主要用來實現(xiàn)信號采集和FFT變換等功能。

1 硬件設計

智能節(jié)點的硬件主要包括DSP處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、擴展的靜態(tài)存儲器、電平轉(zhuǎn)換芯片、CAN接口驅(qū)動、光電耦合輸入和傳感器調(diào)理及電源電路等。

DSP處理器選用TI公司的32位定點高速DSP芯片TMS320F2812。TMS320F28X系列是當今世界上最先進的32位定點DSP芯片。它不但運行速度高，處理功能強大，并且具有豐富的片內(nèi)外圍設備，便于接口和模塊化設計。它既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，如工業(yè)自動化控制、智能化儀器儀表及電機伺服控制系統(tǒng)等。采用8級指令流水線，單周期32×32位MAC功能，最高速度每秒中可執(zhí)行1.50億條指令（150MIPS），保證了控制和信號處理的快速性和實時性。另外TMS320F2812片上還集成了豐富的外部資源，包括16路12位ADC、16路PWM輸出、3個32位通用定時器、128 k的16位FLASH存儲器、18 kRAM存儲器，外圍中斷擴展模塊（PIE）可支持45個外圍中斷，并具有McBSP、SPI、SCI和擴展的CAN總線等接口。TMS320F2812還支持最大1M的外部存儲器擴展。TMS320F2812支持C/C++編程語言，其C語言優(yōu)化器的C編譯效率可達90%，還有虛擬浮點數(shù)學函數(shù)庫提供支持，可以大大縮短數(shù)學運算與控制程序的開發(fā)周期。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用TI公司的ADS8364，該芯片是一款6路模擬輸入、16位并行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。6路模擬輸入分為三組（A，B和C），每個輸入端都有一個保持信號來實現(xiàn)所有通道的同時采樣與轉(zhuǎn)換功能，非常適合于多路（多種）采集系統(tǒng)的需要。ADS8364提供了一個靈活的高速并行接口，可以運行在直接尋址、循環(huán)采樣、FIFO等三種模式，每個通道的輸出數(shù)據(jù)都可直接作為一個16 bit的字，可以直接與數(shù)字信號處理器TMS320F2812相連。

由于數(shù)據(jù)采集和 FFT變換需要大量數(shù)據(jù)空間，而TMS320F2812片上只有18 k的RAM可供使用，而且分布于5個不同的區(qū)域，不能滿足使用要求，因此在外部又擴展了一片64 k的16位無等待靜態(tài)存儲器IS61LV6416。

本智能節(jié)點電路設計的關(guān)鍵部分是TMS320F2812芯片的最小系統(tǒng)設計和ADS8364的接口設計。

1.1 TMS320F2812的最小系統(tǒng)設計

（1）電源和復位部分:本設計采用外部5 V直流電壓供電。通過DC/DC器件產(chǎn)生3.3 V的內(nèi)核電壓VDD和1.8 V的I/O電壓VDDIO電壓。電源芯片TPS767D318為雙電源輸出，一路為3.3 V、一路為1.8 V。每路電源的最大輸出電流為1 A。芯片還提供兩個寬度為200 ms的低電平復位脈沖。本設計的復位信號分兩種:上電復位、手動復位。上電復位由芯片TPS767D318產(chǎn)生，手動復位由電阻電容組成的電路產(chǎn)生。

（2）時鐘部分:為DSP芯片提供時鐘一般有兩種方法。一種是采用晶體，一種是采用外部有源時鐘芯片。本設計采用前者。它利用了DSP芯片內(nèi)部所提供的晶振電路，在DSP芯片的X1和X2之間連接一晶體可啟動內(nèi)部振蕩器。

（3）仿真部分:這一部分將作為程序的調(diào)試和燒錄所用。2812芯片提供了5個標準的JTAG信號（TRST、TCK、TMS、TDI、TDO）和兩個仿真引腳（EMU0、EMU1）。

1.2 ADS8364的接口設計

ADS8364采用 +5V模擬電源（AVDD）和數(shù)字電源（DVDD），而其內(nèi)部的緩沖器采用與TMS320F2812相同的+3.3 V電壓。緩沖器電壓（BVDD）允許直接連接到3 V或5 V電壓系統(tǒng)。TMS320F2812的I/O電壓為+3.3 V，因此，若使用該元件，ADS8364的BVDD必須設置成3.3 V。

在這個設計中，ADS8364采用的是4 MHz時鐘。每個通道的吞吐率最大可達200 ksps。將ADS的地址線A［2:0］接到TMS320F2812的地址線。當A0接到數(shù)字地，A2和A1接到VCC上可迫使ADS8364進入周期模式。在這個模式中，轉(zhuǎn)換器可自動對6個通道進行采樣，并可將數(shù)據(jù)按從A0到C1的順序傳送到輸出端。

將ADS8364的BYTE引腳接到VCC上，可以使能字節(jié)模式。在這個模式中，要從ADC中正確地讀取數(shù)據(jù)，需要對每個通道進行兩次連續(xù)的讀操作。第一次讀取的是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高位字節(jié)，第二次讀取的是低位字節(jié)。假如通道信息要作為數(shù)據(jù)輸出的一部分，那么，應將ADS8364的ADD引腳也接到VCC。讀取數(shù)據(jù)時，需要對ADS8364的每個通道進行三次讀操作。第一次讀取通道和數(shù)據(jù)信息，后兩次分別讀取高位和低位數(shù)據(jù)。

1.3 ADC的初始化操作

觸發(fā)ADS8364的復位引腳RST可以確保讀指針指向第一個數(shù)據(jù)位置。作為TMS320F2812初始化的一部分，由TMS320F2812的通用輸入輸出口GPIOF0提供給ADS8364的引腳RST。當系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定后，被觸發(fā)為低電平，從而確保了從ADC輸出的數(shù)據(jù)對應于通道 A0、A1、B0、B1、C0、C1的排列。

對于每一個轉(zhuǎn)換通道，EOC均是低電平信號。ADS8364可為TMS320F2812提供三個脈沖。每個脈沖信號表明一個轉(zhuǎn)換的結(jié)束。當ADC的這三個引腳同時置低時，三個通道被認為有效并同時進行轉(zhuǎn)換。另外，EOC引腳也可被連接到TMS320F2812的一個中斷引腳，以觸發(fā)一個讀周期。

ADS8364的片選CS是一個有源低電平輸入信號。當CS為高時，并行輸出引腳處于高阻態(tài)。當CS為低時，并行數(shù)據(jù)線反映了輸出緩沖器的當前狀態(tài)。為了正確地從ADS8364的并行數(shù)據(jù)總線上讀取數(shù)據(jù)，ADS8364必須被片選CS選中后才能進行讀操作。

圖1 ADS8364與TMS320F2812的連接圖

ADS8364的讀（RD）信號端也是有源低電平信號。當CS為低時，在讀信號（RD）的下降沿，ADS8364中寄存器的內(nèi)容將被更新。這意味著在每個讀序列之前，RD信號必須被觸發(fā)，這樣才能更新輸出緩沖器。通過TMS320F2812的中斷子程序?qū)DS8364的RD引腳置低可以保存輸入的數(shù)據(jù)，之后可再將RD引腳置高。

2 軟件設計

在實際工作中，智能節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)或頻譜值發(fā)送到上位機進行存貯、處理。上位機通過CAN接口與智能節(jié)點通信。

智能節(jié)點的程序是在TI提供的開發(fā)工具Code Composer Studio上用C語言開發(fā)。在開發(fā)過程中，使用了TI公司提供的C281X C/C++頭文件庫。該頭文件庫利用結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體的形式對F2812的各個寄存器進行了定義，用戶可以通過C語言直接對處理器內(nèi)部的寄存器進行訪問。

由于MS320F2812沒有獨立的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間，是統(tǒng)一編址的，因此用戶首先要根據(jù)需要通過配置鏈接命令文件（.cmd文件）對存儲空間進行劃分。

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的FFT變換，開發(fā)過程中還使用了TI公司提供的FFT函數(shù)庫。FFT函數(shù)庫提供了32位復數(shù)FFT變換（CFFT32）和實數(shù)FFT變換（RFFT32）兩種模塊，可以進行128、256、512和1024點的復數(shù)和實數(shù)FFT變換。需要注意的是變換中所使用的數(shù)據(jù)是Qx格式，因此對變換后的結(jié)果需要進行格式轉(zhuǎn)換才能得到真實數(shù)值。

智能節(jié)點的主程序流程為:加電后，程序先初始化，進入主循環(huán)后就不斷進行數(shù)據(jù)采集和閾值判斷，如有收到上位機命令（CAN接口接收中斷）就轉(zhuǎn)入中斷處理程序，根據(jù)上位機的不同命令選擇不同的處理方式。如采集到的數(shù)據(jù)超出閾值，優(yōu)先向上位機發(fā)送報警信息。

3 結(jié)束語

本文設計的智能節(jié)點已在多個監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)中得到應用，實踐證明該模塊工作可靠，能滿足工程中分布式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測需要。

［1］張雄偉，陳亮.DSP芯片的原理與開發(fā)應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［2］鄔寬明.CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1996.

［3］TMS320C2812 Digital Signal Processors Data Manual［S］.Texas Instruments Incorporated，2001.

［4］C281x C/C++.Header Files and Peripheral Examples［S］.Texas Instruments Incorporated，2003.