張博等

【摘 要】本文提出了一種基于DSP的主扇風(fēng)機振動數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊設(shè)計方案。平臺硬件以DSP芯片TMS320F2812為核心，通過集成CAN總線接口實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸。該采集模塊靠近風(fēng)機安裝，依靠DSP的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)了就地完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲。該模塊使數(shù)據(jù)采集更為可靠，成為分布式監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，并且減少了線纜鋪設(shè)。

【關(guān)鍵詞】主扇風(fēng)機；數(shù)據(jù)監(jiān)測；TMS320F2812

【Abstract】A design scheme of the vibration data acquisition module for coal mine main fan based on the DSP technology is proposed. The DSP chip TMS320F2812 is taken as the core of the hardware of the module， and the monitoring datas transmission is realized via integrated CAN bus. The module is installed next to the main fan， rely on the powerful DSP chip， so the acquisition， processing and storage of the vibration data can be accomplished locally. This module ensures more reliable data acquisition， and compose a important module of the distributed system， and also decrease the number of the wires.

【Key words】Main fan； Data acquisition module； TMS320F2812

0 導(dǎo)論

主扇風(fēng)機工況監(jiān)測在煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)中扮演十分重要的角色，如果設(shè)備出現(xiàn)故障而又未能及時發(fā)現(xiàn)和排除，除了可能導(dǎo)致設(shè)備自身的損壞外，更嚴(yán)重的將會造成人員傷亡。對于典型的旋轉(zhuǎn)機械，對振動信號的監(jiān)測和診斷是目前管理維護的有效手段。不僅理論成熟，而且應(yīng)用也十分廣泛，對于各種故障分類都能有效識別。

振動信號較其他工況特征信號具有數(shù)據(jù)量大，信號頻率高，測點多的特點。為了實時監(jiān)測的需要，采用DSP技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，使得監(jiān)測系統(tǒng)可以選用采樣速率和精度較高的振動傳感器。就地安裝數(shù)據(jù)采集儀器可以直觀的進行故障報警，振幅顯示，以及數(shù)據(jù)存儲。在離線工作模式下，可以將存儲的數(shù)據(jù)取出另行分析。對于整個監(jiān)測系統(tǒng)，除了振動信號，還要關(guān)心溫度，壓力，以及電機的電流電壓等信號。因此采集裝置處于在線工作模式時，應(yīng)該設(shè)計不止一種的靈活的通信接口。或者與其他智能監(jiān)測設(shè)備統(tǒng)一，共用通信總線；或者能與上位機高速通信，簡化現(xiàn)場接線。針對具體現(xiàn)場情況，設(shè)計適合的裝置系統(tǒng)，節(jié)約資源，降低成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

振動傳感器選用壓電式加速度傳感器，在振動的過程中，將振動的量轉(zhuǎn)換為電信號。傳感器輸出的模擬電信號需要經(jīng)過一定的預(yù)處理才能夠使用。信號的預(yù)處理電路包含有跟隨保持電路、放大電路、以及濾波電路等來對信號進行調(diào)理。這樣處理一方面可以降低干擾，另一方面也將信號處理成符合后續(xù)模塊輸入要求的信號。我們設(shè)計采用擁有8路輸入的AD芯片MAX1320來作為外接AD模塊處理調(diào)理后的信號，將不超過量程的模擬信號轉(zhuǎn)換為可以被直接處理的數(shù)字信號。這些數(shù)字信號通過并行通信線輸入到下位機采集系統(tǒng)的核心DSP芯片TMS320F2812內(nèi)。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后和時間一同被儲存在下位機的專門的存儲設(shè)備內(nèi)部，以便在通信中斷的情況下還可以保存采集到的振動信號。如果與上位機通信正常，那么DSP芯片就把采集到的原始數(shù)據(jù)直接上送至上位機。設(shè)計了CAN總線接口來實現(xiàn)與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)圍繞DSP核心芯片對其硬件設(shè)計如圖2。DSP芯片外接電源電路，時鐘電路以及JTAG電路構(gòu)成最小系統(tǒng)。振動信號通過振動傳感器采集后再通過信號預(yù)處理電路進行調(diào)理，經(jīng)過外接高速高精度AD轉(zhuǎn)換模塊進入DSP芯片內(nèi)部。此外，在數(shù)據(jù)采集板上還集成了1602LCD液晶屏幕進行就地顯示，USB存儲模塊進行就地的數(shù)據(jù)存儲。還有與上位機的通信模塊。

2.1 TMS320F2812

目前，數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，簡稱 DSP）已成為信號處理技術(shù)的主流。由于TI公司的TMS320系列DSP芯片具有價格低廉、簡單易用和功能強大等特點。它已逐漸成為目前最有影響、最成功的DSP系列處理器之一。

TMS320F2812芯片是TI公司推出的運算精度為32位的定點數(shù)字信號處理器，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，如數(shù)據(jù)采集，工業(yè)自動化控制，電力電子技術(shù)應(yīng)用，電機伺服控制系統(tǒng)等。

該芯片具有高性能的CPU，能在一個指令周期內(nèi)完成32*32位的乘法累加運算，時鐘頻率最高可達150MHz，。采用增強型哈佛總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲和程序指令存儲分開，大大提高了尋址效率。該數(shù)字信號處理器集成了豐富的片內(nèi)存儲，具有外部擴展接口XINTF，高達1MW的尋址空間；可以靈活配置DSP與擴展芯片間的時序；提供了三個獨立的片選信號。還包含2個8通道輸入的多路開關(guān)， 12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。片上含兩個事件管理模塊（EVA，EVB），設(shè)計用于脈沖帶寬調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）輸出，轉(zhuǎn)速測量，脈寬測量等，為電機及功率變換控制提供了良好的控制功能。在接口方面，有豐富的串行接口外設(shè)，包含2個通用異步串行高速通信接口（SCI），1個通用同步串行外設(shè)接口（SPI），1個CAN總線接口（ECAN），1個多通道緩沖串口（McBSP）。[1-3]

2.2 A/D芯片

本模塊選用了Maxim 公司生產(chǎn)的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1320，該芯片為14位8通道并行采集，采用了逐次逼近法進行轉(zhuǎn)換，將輸入的-5V～+5V的電壓信號轉(zhuǎn)換為14位數(shù)字信號，每個通道具有獨立的采樣保持電路。

MAX1320的工作原理

設(shè)計 MAX1320 采樣模式時候，可以將 CONVST 管腳接高電平，在數(shù)據(jù)采集開始前，向D0～D7中寫入1，讓其數(shù)據(jù)線 D0～D7都被選通。而對于采集結(jié)果讀取，也可以使用第二種方式，即全部轉(zhuǎn)換結(jié)束后再將8路數(shù)據(jù)一起讀取。數(shù)據(jù)采集結(jié)果，通過數(shù)據(jù)總線輸出給DSP，讓DSP進行數(shù)據(jù)處理和分析。同時，考慮到系統(tǒng)所處環(huán)境惡劣，如果使用外部時鐘，很容易受到外界干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確。因而，對于時鐘的選擇，采用內(nèi)部10M時鐘，它足以滿足該系統(tǒng)要求。其典型設(shè)計如圖3.10，應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖4所示[4]。

2.3 CAN總線通信模塊

CAN總線是德國BOSCH公司研究開發(fā)的一種串行通信總線協(xié)議。在20世紀(jì)80年代初，現(xiàn)代汽車中各種裝置之間需要的數(shù)據(jù)通信量變大，而且需要通信的設(shè)備也變多，每對設(shè)備之間都要接線顯然不再合適。為了解決這個問題，BOSCH公司開發(fā)了CAN總線協(xié)議。CAN總線的通信速率最高可以達到1Mbps（通信速率會隨著傳輸距離的增加而降低）。由于其開放性和可靠性，CAN總線被廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、汽車電子、樓宇自動化等方向。在建立串行通信分布式工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時，CAN總線非常的合適使用。與其他一些現(xiàn)場總線技術(shù)相比較而言，CAN總線主要有以下幾個優(yōu)點：

（1）成本低，通信速率高、實時性強、傳輸距離較遠、只有2根線與外部相連接，適和高速、遠距離傳輸。

（2）多主方式工作。CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點沒有主從關(guān)系，而是根據(jù)協(xié)議獲取總線的使用權(quán)。

（3）采用非破壞性仲裁技術(shù)。在同一時間，當(dāng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上有超過一個節(jié)點向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，協(xié)議控制器根據(jù)規(guī)定進行仲裁，優(yōu)先級最高的節(jié)點獲得總線使用權(quán)，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，其他節(jié)點在仲裁失敗后自動停止發(fā)送。

（4）在CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，切斷節(jié)點與總線的聯(lián)系，避免了導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路狀態(tài)，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象，也使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

（5）在節(jié)點發(fā)送的信息遭到破壞的時候，由接收端判斷后，發(fā)送節(jié)點會自動重發(fā)該信息。

（6）抗干擾能力強，在傳輸中受到干擾的可能較小，附帶校驗等其他手段使得數(shù)據(jù)出錯后能夠及時發(fā)現(xiàn)。

TMS320F2812芯片內(nèi)置了增強型控制器局域網(wǎng)ECAN（Enhanced Controller Area Network ）模塊。該模塊完全支持CAN2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在組成每幀數(shù)據(jù)時自動接受和發(fā)送11位、29位標(biāo)識符。CAN2.0總線的最高傳輸速率可達到1Mbps，支持時間觸發(fā)。當(dāng)CAN總線節(jié)點接收報文時，ECAN模塊提供32個接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及將近20個過濾器寄存器用于將報文中的數(shù)據(jù)位提取出來。還提供了一個FIFO報文緩沖區(qū)，能夠最多容納32個報文。當(dāng)發(fā)送報文時，ECAN模塊提供8個可以根據(jù)需要設(shè)置為報文緩沖區(qū)的寄存器。

PCA82C250為CAN總線提供電平轉(zhuǎn)換的服務(wù)，將DSP能夠識別的TTL信號轉(zhuǎn)換后與CAN總線的物理總線相連。如圖5所示，DSP通過CANTX和CANRX兩個引腳與PCA82C250芯片的D和R兩個引腳相連接，。PCA82C250芯片的CANL和CANH兩個引腳直接掛接在總線上。

2.4 USB存儲模塊

CH375是由南京沁恒公司生產(chǎn)的USB接口芯片，他支持DSP芯片通過USB通用串行總線與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。CH375與DSP通過8位數(shù)據(jù)通信線相連，還有讀寫控制線以及片選信號線。通過CH375內(nèi)置的通信協(xié)議固件，DSP芯片可以直接與掛接在USB總線上的大容量存儲設(shè)備進行數(shù)據(jù)讀寫。讀寫過程中，可以以扇區(qū)為基本單位，也可以以字節(jié)為基本單位將數(shù)據(jù)讀出或者寫入USB存儲設(shè)備，包括U盤、USB硬盤等。

USB總線一共有四根通信線，分別是一根5V的電源線，一根電源地線，還有兩根數(shù)據(jù)信號線通過UD+和UD-引出。TXD引腳經(jīng)過下拉電阻接地時，芯片以并口方式工作，D0～D7為并行數(shù)據(jù)線。TXD引腳懸空或者未經(jīng)下拉電阻接地時，芯片以串口方式工作，TXD和RXD與DSP芯片交換數(shù)據(jù)。工作時需要外部提供一個高頻晶振接在X0和X1兩個引腳之間[5]。見圖6。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的初始化程序結(jié)束后，進入串口中斷掃描程序，檢查是否產(chǎn)生了串口中斷。產(chǎn)生串口中斷后，根據(jù)產(chǎn)生的中斷標(biāo)志來執(zhí)行下一步的命令。根據(jù)產(chǎn)生的中斷標(biāo)志的不同分別進行信號采集、數(shù)據(jù)顯示、越限報警、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

4 結(jié)束語

基于DSP的主扇風(fēng)機振動信號采集模塊，其具有強大的就地功能，可實現(xiàn)對主扇風(fēng)機振動信號的實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)處理傳輸及離線模式的數(shù)據(jù)就地存儲等功能。該模塊具有高性價比、高集成度、高精度以及高可靠性等優(yōu)點，這為煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的分布式設(shè)計打下了良好基礎(chǔ)。

【參考文獻】

[1]韓豐田.TMS320F281xDSP原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009，4.

[2]蘇奎峰，呂強，耿慶峰，陳圣儉.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005，4.

[3]趙成.DSP原理及應(yīng)用技術(shù)-基于TMS320F2812的仿真與實例設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012，1.

[4]王亮.基于DSP+ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[D].四川：電子科技大學(xué)，2013.

[5]劉建峰，劉愛華.基于CH375的海量數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)，2006，2-44.

[6]丁鋮.基于ARM和CAN總線的綜采液壓支架壓力監(jiān)測平臺的研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)〈北京〉，2013.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]

2.2 A/D芯片

本模塊選用了Maxim 公司生產(chǎn)的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1320，該芯片為14位8通道并行采集，采用了逐次逼近法進行轉(zhuǎn)換，將輸入的-5V～+5V的電壓信號轉(zhuǎn)換為14位數(shù)字信號，每個通道具有獨立的采樣保持電路。

MAX1320的工作原理

設(shè)計 MAX1320 采樣模式時候，可以將 CONVST 管腳接高電平，在數(shù)據(jù)采集開始前，向D0～D7中寫入1，讓其數(shù)據(jù)線 D0～D7都被選通。而對于采集結(jié)果讀取，也可以使用第二種方式，即全部轉(zhuǎn)換結(jié)束后再將8路數(shù)據(jù)一起讀取。數(shù)據(jù)采集結(jié)果，通過數(shù)據(jù)總線輸出給DSP，讓DSP進行數(shù)據(jù)處理和分析。同時，考慮到系統(tǒng)所處環(huán)境惡劣，如果使用外部時鐘，很容易受到外界干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確。因而，對于時鐘的選擇，采用內(nèi)部10M時鐘，它足以滿足該系統(tǒng)要求。其典型設(shè)計如圖3.10，應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖4所示[4]。

2.3 CAN總線通信模塊

CAN總線是德國BOSCH公司研究開發(fā)的一種串行通信總線協(xié)議。在20世紀(jì)80年代初，現(xiàn)代汽車中各種裝置之間需要的數(shù)據(jù)通信量變大，而且需要通信的設(shè)備也變多，每對設(shè)備之間都要接線顯然不再合適。為了解決這個問題，BOSCH公司開發(fā)了CAN總線協(xié)議。CAN總線的通信速率最高可以達到1Mbps（通信速率會隨著傳輸距離的增加而降低）。由于其開放性和可靠性，CAN總線被廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、汽車電子、樓宇自動化等方向。在建立串行通信分布式工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時，CAN總線非常的合適使用。與其他一些現(xiàn)場總線技術(shù)相比較而言，CAN總線主要有以下幾個優(yōu)點：

（1）成本低，通信速率高、實時性強、傳輸距離較遠、只有2根線與外部相連接，適和高速、遠距離傳輸。

（2）多主方式工作。CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點沒有主從關(guān)系，而是根據(jù)協(xié)議獲取總線的使用權(quán)。

（3）采用非破壞性仲裁技術(shù)。在同一時間，當(dāng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上有超過一個節(jié)點向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，協(xié)議控制器根據(jù)規(guī)定進行仲裁，優(yōu)先級最高的節(jié)點獲得總線使用權(quán)，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，其他節(jié)點在仲裁失敗后自動停止發(fā)送。

（4）在CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，切斷節(jié)點與總線的聯(lián)系，避免了導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路狀態(tài)，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象，也使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

（5）在節(jié)點發(fā)送的信息遭到破壞的時候，由接收端判斷后，發(fā)送節(jié)點會自動重發(fā)該信息。

（6）抗干擾能力強，在傳輸中受到干擾的可能較小，附帶校驗等其他手段使得數(shù)據(jù)出錯后能夠及時發(fā)現(xiàn)。

TMS320F2812芯片內(nèi)置了增強型控制器局域網(wǎng)ECAN（Enhanced Controller Area Network ）模塊。該模塊完全支持CAN2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在組成每幀數(shù)據(jù)時自動接受和發(fā)送11位、29位標(biāo)識符。CAN2.0總線的最高傳輸速率可達到1Mbps，支持時間觸發(fā)。當(dāng)CAN總線節(jié)點接收報文時，ECAN模塊提供32個接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及將近20個過濾器寄存器用于將報文中的數(shù)據(jù)位提取出來。還提供了一個FIFO報文緩沖區(qū)，能夠最多容納32個報文。當(dāng)發(fā)送報文時，ECAN模塊提供8個可以根據(jù)需要設(shè)置為報文緩沖區(qū)的寄存器。

PCA82C250為CAN總線提供電平轉(zhuǎn)換的服務(wù)，將DSP能夠識別的TTL信號轉(zhuǎn)換后與CAN總線的物理總線相連。如圖5所示，DSP通過CANTX和CANRX兩個引腳與PCA82C250芯片的D和R兩個引腳相連接，。PCA82C250芯片的CANL和CANH兩個引腳直接掛接在總線上。

2.4 USB存儲模塊

CH375是由南京沁恒公司生產(chǎn)的USB接口芯片，他支持DSP芯片通過USB通用串行總線與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。CH375與DSP通過8位數(shù)據(jù)通信線相連，還有讀寫控制線以及片選信號線。通過CH375內(nèi)置的通信協(xié)議固件，DSP芯片可以直接與掛接在USB總線上的大容量存儲設(shè)備進行數(shù)據(jù)讀寫。讀寫過程中，可以以扇區(qū)為基本單位，也可以以字節(jié)為基本單位將數(shù)據(jù)讀出或者寫入USB存儲設(shè)備，包括U盤、USB硬盤等。

USB總線一共有四根通信線，分別是一根5V的電源線，一根電源地線，還有兩根數(shù)據(jù)信號線通過UD+和UD-引出。TXD引腳經(jīng)過下拉電阻接地時，芯片以并口方式工作，D0～D7為并行數(shù)據(jù)線。TXD引腳懸空或者未經(jīng)下拉電阻接地時，芯片以串口方式工作，TXD和RXD與DSP芯片交換數(shù)據(jù)。工作時需要外部提供一個高頻晶振接在X0和X1兩個引腳之間[5]。見圖6。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的初始化程序結(jié)束后，進入串口中斷掃描程序，檢查是否產(chǎn)生了串口中斷。產(chǎn)生串口中斷后，根據(jù)產(chǎn)生的中斷標(biāo)志來執(zhí)行下一步的命令。根據(jù)產(chǎn)生的中斷標(biāo)志的不同分別進行信號采集、數(shù)據(jù)顯示、越限報警、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

4 結(jié)束語

基于DSP的主扇風(fēng)機振動信號采集模塊，其具有強大的就地功能，可實現(xiàn)對主扇風(fēng)機振動信號的實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)處理傳輸及離線模式的數(shù)據(jù)就地存儲等功能。該模塊具有高性價比、高集成度、高精度以及高可靠性等優(yōu)點，這為煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的分布式設(shè)計打下了良好基礎(chǔ)。

【參考文獻】

[1]韓豐田.TMS320F281xDSP原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009，4.

[2]蘇奎峰，呂強，耿慶峰，陳圣儉.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005，4.

[3]趙成.DSP原理及應(yīng)用技術(shù)-基于TMS320F2812的仿真與實例設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012，1.

[4]王亮.基于DSP+ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[D].四川：電子科技大學(xué)，2013.

[5]劉建峰，劉愛華.基于CH375的海量數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)，2006，2-44.

[6]丁鋮.基于ARM和CAN總線的綜采液壓支架壓力監(jiān)測平臺的研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)〈北京〉，2013.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]

2.2 A/D芯片

本模塊選用了Maxim 公司生產(chǎn)的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1320，該芯片為14位8通道并行采集，采用了逐次逼近法進行轉(zhuǎn)換，將輸入的-5V～+5V的電壓信號轉(zhuǎn)換為14位數(shù)字信號，每個通道具有獨立的采樣保持電路。

MAX1320的工作原理

設(shè)計 MAX1320 采樣模式時候，可以將 CONVST 管腳接高電平，在數(shù)據(jù)采集開始前，向D0～D7中寫入1，讓其數(shù)據(jù)線 D0～D7都被選通。而對于采集結(jié)果讀取，也可以使用第二種方式，即全部轉(zhuǎn)換結(jié)束后再將8路數(shù)據(jù)一起讀取。數(shù)據(jù)采集結(jié)果，通過數(shù)據(jù)總線輸出給DSP，讓DSP進行數(shù)據(jù)處理和分析。同時，考慮到系統(tǒng)所處環(huán)境惡劣，如果使用外部時鐘，很容易受到外界干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確。因而，對于時鐘的選擇，采用內(nèi)部10M時鐘，它足以滿足該系統(tǒng)要求。其典型設(shè)計如圖3.10，應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖4所示[4]。

2.3 CAN總線通信模塊

CAN總線是德國BOSCH公司研究開發(fā)的一種串行通信總線協(xié)議。在20世紀(jì)80年代初，現(xiàn)代汽車中各種裝置之間需要的數(shù)據(jù)通信量變大，而且需要通信的設(shè)備也變多，每對設(shè)備之間都要接線顯然不再合適。為了解決這個問題，BOSCH公司開發(fā)了CAN總線協(xié)議。CAN總線的通信速率最高可以達到1Mbps（通信速率會隨著傳輸距離的增加而降低）。由于其開放性和可靠性，CAN總線被廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、汽車電子、樓宇自動化等方向。在建立串行通信分布式工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時，CAN總線非常的合適使用。與其他一些現(xiàn)場總線技術(shù)相比較而言，CAN總線主要有以下幾個優(yōu)點：

（1）成本低，通信速率高、實時性強、傳輸距離較遠、只有2根線與外部相連接，適和高速、遠距離傳輸。

（2）多主方式工作。CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點沒有主從關(guān)系，而是根據(jù)協(xié)議獲取總線的使用權(quán)。

（3）采用非破壞性仲裁技術(shù)。在同一時間，當(dāng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上有超過一個節(jié)點向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，協(xié)議控制器根據(jù)規(guī)定進行仲裁，優(yōu)先級最高的節(jié)點獲得總線使用權(quán)，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，其他節(jié)點在仲裁失敗后自動停止發(fā)送。

（4）在CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，切斷節(jié)點與總線的聯(lián)系，避免了導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路狀態(tài)，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象，也使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

（5）在節(jié)點發(fā)送的信息遭到破壞的時候，由接收端判斷后，發(fā)送節(jié)點會自動重發(fā)該信息。

（6）抗干擾能力強，在傳輸中受到干擾的可能較小，附帶校驗等其他手段使得數(shù)據(jù)出錯后能夠及時發(fā)現(xiàn)。

TMS320F2812芯片內(nèi)置了增強型控制器局域網(wǎng)ECAN（Enhanced Controller Area Network ）模塊。該模塊完全支持CAN2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在組成每幀數(shù)據(jù)時自動接受和發(fā)送11位、29位標(biāo)識符。CAN2.0總線的最高傳輸速率可達到1Mbps，支持時間觸發(fā)。當(dāng)CAN總線節(jié)點接收報文時，ECAN模塊提供32個接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及將近20個過濾器寄存器用于將報文中的數(shù)據(jù)位提取出來。還提供了一個FIFO報文緩沖區(qū)，能夠最多容納32個報文。當(dāng)發(fā)送報文時，ECAN模塊提供8個可以根據(jù)需要設(shè)置為報文緩沖區(qū)的寄存器。

PCA82C250為CAN總線提供電平轉(zhuǎn)換的服務(wù)，將DSP能夠識別的TTL信號轉(zhuǎn)換后與CAN總線的物理總線相連。如圖5所示，DSP通過CANTX和CANRX兩個引腳與PCA82C250芯片的D和R兩個引腳相連接，。PCA82C250芯片的CANL和CANH兩個引腳直接掛接在總線上。

2.4 USB存儲模塊

CH375是由南京沁恒公司生產(chǎn)的USB接口芯片，他支持DSP芯片通過USB通用串行總線與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。CH375與DSP通過8位數(shù)據(jù)通信線相連，還有讀寫控制線以及片選信號線。通過CH375內(nèi)置的通信協(xié)議固件，DSP芯片可以直接與掛接在USB總線上的大容量存儲設(shè)備進行數(shù)據(jù)讀寫。讀寫過程中，可以以扇區(qū)為基本單位，也可以以字節(jié)為基本單位將數(shù)據(jù)讀出或者寫入USB存儲設(shè)備，包括U盤、USB硬盤等。

USB總線一共有四根通信線，分別是一根5V的電源線，一根電源地線，還有兩根數(shù)據(jù)信號線通過UD+和UD-引出。TXD引腳經(jīng)過下拉電阻接地時，芯片以并口方式工作，D0～D7為并行數(shù)據(jù)線。TXD引腳懸空或者未經(jīng)下拉電阻接地時，芯片以串口方式工作，TXD和RXD與DSP芯片交換數(shù)據(jù)。工作時需要外部提供一個高頻晶振接在X0和X1兩個引腳之間[5]。見圖6。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的初始化程序結(jié)束后，進入串口中斷掃描程序，檢查是否產(chǎn)生了串口中斷。產(chǎn)生串口中斷后，根據(jù)產(chǎn)生的中斷標(biāo)志來執(zhí)行下一步的命令。根據(jù)產(chǎn)生的中斷標(biāo)志的不同分別進行信號采集、數(shù)據(jù)顯示、越限報警、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

4 結(jié)束語

基于DSP的主扇風(fēng)機振動信號采集模塊，其具有強大的就地功能，可實現(xiàn)對主扇風(fēng)機振動信號的實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)處理傳輸及離線模式的數(shù)據(jù)就地存儲等功能。該模塊具有高性價比、高集成度、高精度以及高可靠性等優(yōu)點，這為煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的分布式設(shè)計打下了良好基礎(chǔ)。

【參考文獻】

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[2]蘇奎峰，呂強，耿慶峰，陳圣儉.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005，4.

[3]趙成.DSP原理及應(yīng)用技術(shù)-基于TMS320F2812的仿真與實例設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012，1.

[4]王亮.基于DSP+ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[D].四川：電子科技大學(xué)，2013.

[5]劉建峰，劉愛華.基于CH375的海量數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)，2006，2-44.

[6]丁鋮.基于ARM和CAN總線的綜采液壓支架壓力監(jiān)測平臺的研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)〈北京〉，2013.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]