基于DSP的主扇风机振动数据采集模块设计

张博等

【摘 要】本文提出了一种基于DSP的主扇风机振动数据监测模块设计方案。平台硬件以DSP芯片TMS320F2812为核心，通过集成CAN总线接口实现监控数据传输。该采集模块靠近风机安装，依靠DSP的数据处理能力，实现了就地完成数据采集、处理、存储。该模块使数据采集更为可靠，成为分布式监控系统的重要组成部分，并且减少了线缆铺设。

【关键词】主扇风机；数据监测；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 导论

主扇风机工况监测在煤矿现代化生产中扮演十分重要的角色，如果设备出现故障而又未能及时发现和排除，除了可能导致设备自身的损坏外，更严重的将会造成人员伤亡。对于典型的旋转机械，对振动信号的监测和诊断是目前管理维护的有效手段。不仅理论成熟，而且应用也十分广泛，对于各种故障分类都能有效识别。

振动信号较其他工况特征信号具有数据量大，信号频率高，测点多的特点。为了实时监测的需要，采用DSP技术，提高了数据处理的速度，使得监测系统可以选用采样速率和精度较高的振动传感器。就地安装数据采集仪器可以直观的进行故障报警，振幅显示，以及数据存储。在离线工作模式下，可以将存储的数据取出另行分析。对于整个监测系统，除了振动信号，还要关心温度，压力，以及电机的电流电压等信号。因此采集装置处于在线工作模式时，应该设计不止一种的灵活的通信接口。或者与其他智能监测设备统一，共用通信总线；或者能与上位机高速通信，简化现场接线。针对具体现场情况，设计适合的装置系统，节约资源，降低成本。

1 系统整体设计

振动传感器选用压电式加速度传感器，在振动的过程中，将振动的量转换为电信号。传感器输出的模拟电信号需要经过一定的预处理才能够使用。信号的预处理电路包含有跟随保持电路、放大电路、以及滤波电路等来对信号进行调理。这样处理一方面可以降低干扰，另一方面也将信号处理成符合后续模块输入要求的信号。我们设计采用拥有8路输入的AD芯片MAX1320来作为外接AD模块处理调理后的信号，将不超过量程的模拟信号转换为可以被直接处理的数字信号。这些数字信号通过并行通信线输入到下位机采集系统的核心DSP芯片TMS320F2812内。采集到的数据经过处理后和时间一同被储存在下位机的专门的存储设备内部，以便在通信中断的情况下还可以保存采集到的振动信号。如果与上位机通信正常，那么DSP芯片就把采集到的原始数据直接上送至上位机。设计了CAN总线接口来实现与上位机之间的数据传输功能。

2 系统硬件设计

系统围绕DSP核心芯片对其硬件设计如图2。DSP芯片外接电源电路，时钟电路以及JTAG电路构成最小系统。振动信号通过振动传感器采集后再通过信号预处理电路进行调理，经过外接高速高精度AD转换模块进入DSP芯片内部。此外，在数据采集板上还集成了1602LCD液晶屏幕进行就地显示，USB存储模块进行就地的数据存储。还有与上位机的通信模块。

2.1 TMS320F2812

目前，数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称 DSP）已成为信号处理技术的主流。由于TI公司的TMS320系列DSP芯片具有价格低廉、简单易用和功能强大等特点。它已逐渐成为目前最有影响、最成功的DSP系列处理器之一。

TMS320F2812芯片是TI公司推出的运算精度为32位的定点数字信号处理器，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如数据采集，工业自动化控制，电力电子技术应用，电机伺服控制系统等。

该芯片具有高性能的CPU，能在一个指令周期内完成32*32位的乘法累加运算，时钟频率最高可达150MHz，。采用增强型哈佛总线结构，数据存储和程序指令存储分开，大大提高了寻址效率。该数字信号处理器集成了丰富的片内存储，具有外部扩展接口XINTF，高达1MW的寻址空间；可以灵活配置DSP与扩展芯片间的时序；提供了三个独立的片选信号。还包含2个8通道输入的多路开关， 12位分辨率的A/D转换器。片上含两个事件管理模块（EVA，EVB），设计用于脉冲带宽调制PWM（Pulse Width Modulation）输出，转速测量，脉宽测量等，为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能。在接口方面，有丰富的串行接口外设，包含2个通用异步串行高速通信接口（SCI），1个通用同步串行外设接口（SPI），1个CAN总线接口（ECAN），1个多通道缓冲串口（McBSP）。[1-3]

2.2 A/D芯片

本模块选用了Maxim 公司生产的高速A/D转换芯片MAX1320，该芯片为14位8通道并行采集，采用了逐次逼近法进行转换，将输入的-5V～+5V的电压信号转换为14位数字信号，每个通道具有独立的采样保持电路。

MAX1320的工作原理

设计 MAX1320 采样模式时候，可以将 CONVST 管脚接高电平，在数据采集开始前，向D0～D7中写入1，让其数据线 D0～D7都被选通。而对于采集结果读取，也可以使用第二种方式，即全部转换结束后再将8路数据一起读取。数据采集结果，通过数据总线输出给DSP，让DSP进行数据处理和分析。同时，考虑到系统所处环境恶劣，如果使用外部时钟，很容易受到外界干扰，导致数据采集不准确。因而，对于时钟的选择，采用内部10M时钟，它足以满足该系统要求。其典型设计如图3.10，应用结构如图4所示[4]。

2.3 CAN总线通信模块

CAN总线是德国BOSCH公司研究开发的一种串行通信总线协议。在20世纪80年代初，现代汽车中各种装置之间需要的数据通信量变大，而且需要通信的设备也变多，每对设备之间都要接线显然不再合适。为了解决这个问题，BOSCH公司开发了CAN总线协议。CAN总线的通信速率最高可以达到1Mbps（通信速率会随着传输距离的增加而降低）。由于其开放性和可靠性，CAN总线被广泛应用于工业监控、汽车电子、楼宇自动化等方向。在建立串行通信分布式工业监控系统的网络时，CAN总线非常的合适使用。与其他一些现场总线技术相比较而言，CAN总线主要有以下几个优点：

（1）成本低，通信速率高、实时性强、传输距离较远、只有2根线与外部相连接，适和高速、远距离传输。

（2）多主方式工作。CAN总线网络上的各个节点没有主从关系，而是根据协议获取总线的使用权。

（3）采用非破坏性仲裁技术。在同一时间，当CAN总线网络上有超过一个节点向总线上发送数据时，协议控制器根据规定进行仲裁，优先级最高的节点获得总线使用权，继续发送数据，其他节点在仲裁失败后自动停止发送。

（4）在CAN网络节点错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，切断节点与总线的联系，避免了导致总线呈现短路状态，从而损坏某些节点的现象，也使总线上其他节点的操作不受影响。

（5）在节点发送的信息遭到破坏的时候，由接收端判断后，发送节点会自动重发该信息。

（6）抗干扰能力强，在传输中受到干扰的可能较小，附带校验等其他手段使得数据出错后能够及时发现。

TMS320F2812芯片内置了增强型控制器局域网ECAN（Enhanced Controller Area Network ）模块。该模块完全支持CAN2.0协议标准。在组成每帧数据时自动接受和发送11位、29位标识符。CAN2.0总线的最高传输速率可达到1Mbps，支持时间触发。当CAN总线节点接收报文时，ECAN模块提供32个接收数据缓冲区以及将近20个过滤器寄存器用于将报文中的数据位提取出来。还提供了一个FIFO报文缓冲区，能够最多容纳32个报文。当发送报文时，ECAN模块提供8个可以根据需要设置为报文缓冲区的寄存器。

PCA82C250为CAN总线提供电平转换的服务，将DSP能够识别的TTL信号转换后与CAN总线的物理总线相连。如图5所示，DSP通过CANTX和CANRX两个引脚与PCA82C250芯片的D和R两个引脚相连接，。PCA82C250芯片的CANL和CANH两个引脚直接挂接在总线上。

2.4 USB存储模块

CH375是由南京沁恒公司生产的USB接口芯片，他支持DSP芯片通过USB通用串行总线与其他设备进行数据交换。CH375与DSP通过8位数据通信线相连，还有读写控制线以及片选信号线。通过CH375内置的通信协议固件，DSP芯片可以直接与挂接在USB总线上的大容量存储设备进行数据读写。读写过程中，可以以扇区为基本单位，也可以以字节为基本单位将数据读出或者写入USB存储设备，包括U盘、USB硬盘等。

USB总线一共有四根通信线，分别是一根5V的电源线，一根电源地线，还有两根数据信号线通过UD+和UD-引出。TXD引脚经过下拉电阻接地时，芯片以并口方式工作，D0～D7为并行数据线。TXD引脚悬空或者未经下拉电阻接地时，芯片以串口方式工作，TXD和RXD与DSP芯片交换数据。工作时需要外部提供一个高频晶振接在X0和X1两个引脚之间[5]。见图6。

3 系统软件设计

系统的初始化程序结束后，进入串口中断扫描程序，检查是否产生了串口中断。产生串口中断后，根据产生的中断标志来执行下一步的命令。根据产生的中断标志的不同分别进行信号采集、数据显示、越限报警、数据存储和数据传输等操作。

4 结束语

基于DSP的主扇风机振动信号采集模块，其具有强大的就地功能，可实现对主扇风机振动信号的实时监测，数据处理传输及离线模式的数据就地存储等功能。该模块具有高性价比、高集成度、高精度以及高可靠性等优点，这为煤矿监测监控系统的分布式设计打下了良好基础。

【参考文献】

[1]韩丰田.TMS320F281xDSP原理及应用技术[M].北京：清华大学出版社，2009，4.

[2]苏奎峰，吕强，耿庆峰，陈圣俭.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2005，4.

[3]赵成.DSP原理及应用技术-基于TMS320F2812的仿真与实例设计[M].北京：国防工业出版社，2012，1.

[4]王亮.基于DSP+ARM的多通道数据采集系统的设计[D].四川：电子科技大学，2013.

[5]刘建峰，刘爱华.基于CH375的海量数据采集存储系统[J].仪表技术，2006，2-44.

[6]丁铖.基于ARM和CAN总线的综采液压支架压力监测平台的研究[D].北京：中国矿业大学〈北京〉，2013.

[责任编辑：杨玉洁]

2.2 A/D芯片

本模块选用了Maxim 公司生产的高速A/D转换芯片MAX1320，该芯片为14位8通道并行采集，采用了逐次逼近法进行转换，将输入的-5V～+5V的电压信号转换为14位数字信号，每个通道具有独立的采样保持电路。

MAX1320的工作原理

设计 MAX1320 采样模式时候，可以将 CONVST 管脚接高电平，在数据采集开始前，向D0～D7中写入1，让其数据线 D0～D7都被选通。而对于采集结果读取，也可以使用第二种方式，即全部转换结束后再将8路数据一起读取。数据采集结果，通过数据总线输出给DSP，让DSP进行数据处理和分析。同时，考虑到系统所处环境恶劣，如果使用外部时钟，很容易受到外界干扰，导致数据采集不准确。因而，对于时钟的选择，采用内部10M时钟，它足以满足该系统要求。其典型设计如图3.10，应用结构如图4所示[4]。

2.3 CAN总线通信模块

CAN总线是德国BOSCH公司研究开发的一种串行通信总线协议。在20世纪80年代初，现代汽车中各种装置之间需要的数据通信量变大，而且需要通信的设备也变多，每对设备之间都要接线显然不再合适。为了解决这个问题，BOSCH公司开发了CAN总线协议。CAN总线的通信速率最高可以达到1Mbps（通信速率会随着传输距离的增加而降低）。由于其开放性和可靠性，CAN总线被广泛应用于工业监控、汽车电子、楼宇自动化等方向。在建立串行通信分布式工业监控系统的网络时，CAN总线非常的合适使用。与其他一些现场总线技术相比较而言，CAN总线主要有以下几个优点：

（1）成本低，通信速率高、实时性强、传输距离较远、只有2根线与外部相连接，适和高速、远距离传输。

（2）多主方式工作。CAN总线网络上的各个节点没有主从关系，而是根据协议获取总线的使用权。

（3）采用非破坏性仲裁技术。在同一时间，当CAN总线网络上有超过一个节点向总线上发送数据时，协议控制器根据规定进行仲裁，优先级最高的节点获得总线使用权，继续发送数据，其他节点在仲裁失败后自动停止发送。

（4）在CAN网络节点错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，切断节点与总线的联系，避免了导致总线呈现短路状态，从而损坏某些节点的现象，也使总线上其他节点的操作不受影响。

（5）在节点发送的信息遭到破坏的时候，由接收端判断后，发送节点会自动重发该信息。

（6）抗干扰能力强，在传输中受到干扰的可能较小，附带校验等其他手段使得数据出错后能够及时发现。

TMS320F2812芯片内置了增强型控制器局域网ECAN（Enhanced Controller Area Network ）模块。该模块完全支持CAN2.0协议标准。在组成每帧数据时自动接受和发送11位、29位标识符。CAN2.0总线的最高传输速率可达到1Mbps，支持时间触发。当CAN总线节点接收报文时，ECAN模块提供32个接收数据缓冲区以及将近20个过滤器寄存器用于将报文中的数据位提取出来。还提供了一个FIFO报文缓冲区，能够最多容纳32个报文。当发送报文时，ECAN模块提供8个可以根据需要设置为报文缓冲区的寄存器。

PCA82C250为CAN总线提供电平转换的服务，将DSP能够识别的TTL信号转换后与CAN总线的物理总线相连。如图5所示，DSP通过CANTX和CANRX两个引脚与PCA82C250芯片的D和R两个引脚相连接，。PCA82C250芯片的CANL和CANH两个引脚直接挂接在总线上。

2.4 USB存储模块

CH375是由南京沁恒公司生产的USB接口芯片，他支持DSP芯片通过USB通用串行总线与其他设备进行数据交换。CH375与DSP通过8位数据通信线相连，还有读写控制线以及片选信号线。通过CH375内置的通信协议固件，DSP芯片可以直接与挂接在USB总线上的大容量存储设备进行数据读写。读写过程中，可以以扇区为基本单位，也可以以字节为基本单位将数据读出或者写入USB存储设备，包括U盘、USB硬盘等。

USB总线一共有四根通信线，分别是一根5V的电源线，一根电源地线，还有两根数据信号线通过UD+和UD-引出。TXD引脚经过下拉电阻接地时，芯片以并口方式工作，D0～D7为并行数据线。TXD引脚悬空或者未经下拉电阻接地时，芯片以串口方式工作，TXD和RXD与DSP芯片交换数据。工作时需要外部提供一个高频晶振接在X0和X1两个引脚之间[5]。见图6。

3 系统软件设计

系统的初始化程序结束后，进入串口中断扫描程序，检查是否产生了串口中断。产生串口中断后，根据产生的中断标志来执行下一步的命令。根据产生的中断标志的不同分别进行信号采集、数据显示、越限报警、数据存储和数据传输等操作。

4 结束语

基于DSP的主扇风机振动信号采集模块，其具有强大的就地功能，可实现对主扇风机振动信号的实时监测，数据处理传输及离线模式的数据就地存储等功能。该模块具有高性价比、高集成度、高精度以及高可靠性等优点，这为煤矿监测监控系统的分布式设计打下了良好基础。

【参考文献】

[1]韩丰田.TMS320F281xDSP原理及应用技术[M].北京：清华大学出版社，2009，4.

[2]苏奎峰，吕强，耿庆峰，陈圣俭.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2005，4.

[3]赵成.DSP原理及应用技术-基于TMS320F2812的仿真与实例设计[M].北京：国防工业出版社，2012，1.

[4]王亮.基于DSP+ARM的多通道数据采集系统的设计[D].四川：电子科技大学，2013.

[5]刘建峰，刘爱华.基于CH375的海量数据采集存储系统[J].仪表技术，2006，2-44.

[6]丁铖.基于ARM和CAN总线的综采液压支架压力监测平台的研究[D].北京：中国矿业大学〈北京〉，2013.

[责任编辑：杨玉洁]

2.2 A/D芯片

本模块选用了Maxim 公司生产的高速A/D转换芯片MAX1320，该芯片为14位8通道并行采集，采用了逐次逼近法进行转换，将输入的-5V～+5V的电压信号转换为14位数字信号，每个通道具有独立的采样保持电路。

MAX1320的工作原理

设计 MAX1320 采样模式时候，可以将 CONVST 管脚接高电平，在数据采集开始前，向D0～D7中写入1，让其数据线 D0～D7都被选通。而对于采集结果读取，也可以使用第二种方式，即全部转换结束后再将8路数据一起读取。数据采集结果，通过数据总线输出给DSP，让DSP进行数据处理和分析。同时，考虑到系统所处环境恶劣，如果使用外部时钟，很容易受到外界干扰，导致数据采集不准确。因而，对于时钟的选择，采用内部10M时钟，它足以满足该系统要求。其典型设计如图3.10，应用结构如图4所示[4]。

2.3 CAN总线通信模块

CAN总线是德国BOSCH公司研究开发的一种串行通信总线协议。在20世纪80年代初，现代汽车中各种装置之间需要的数据通信量变大，而且需要通信的设备也变多，每对设备之间都要接线显然不再合适。为了解决这个问题，BOSCH公司开发了CAN总线协议。CAN总线的通信速率最高可以达到1Mbps（通信速率会随着传输距离的增加而降低）。由于其开放性和可靠性，CAN总线被广泛应用于工业监控、汽车电子、楼宇自动化等方向。在建立串行通信分布式工业监控系统的网络时，CAN总线非常的合适使用。与其他一些现场总线技术相比较而言，CAN总线主要有以下几个优点：

（1）成本低，通信速率高、实时性强、传输距离较远、只有2根线与外部相连接，适和高速、远距离传输。

（2）多主方式工作。CAN总线网络上的各个节点没有主从关系，而是根据协议获取总线的使用权。

（3）采用非破坏性仲裁技术。在同一时间，当CAN总线网络上有超过一个节点向总线上发送数据时，协议控制器根据规定进行仲裁，优先级最高的节点获得总线使用权，继续发送数据，其他节点在仲裁失败后自动停止发送。

（4）在CAN网络节点错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，切断节点与总线的联系，避免了导致总线呈现短路状态，从而损坏某些节点的现象，也使总线上其他节点的操作不受影响。

（5）在节点发送的信息遭到破坏的时候，由接收端判断后，发送节点会自动重发该信息。

（6）抗干扰能力强，在传输中受到干扰的可能较小，附带校验等其他手段使得数据出错后能够及时发现。

TMS320F2812芯片内置了增强型控制器局域网ECAN（Enhanced Controller Area Network ）模块。该模块完全支持CAN2.0协议标准。在组成每帧数据时自动接受和发送11位、29位标识符。CAN2.0总线的最高传输速率可达到1Mbps，支持时间触发。当CAN总线节点接收报文时，ECAN模块提供32个接收数据缓冲区以及将近20个过滤器寄存器用于将报文中的数据位提取出来。还提供了一个FIFO报文缓冲区，能够最多容纳32个报文。当发送报文时，ECAN模块提供8个可以根据需要设置为报文缓冲区的寄存器。

PCA82C250为CAN总线提供电平转换的服务，将DSP能够识别的TTL信号转换后与CAN总线的物理总线相连。如图5所示，DSP通过CANTX和CANRX两个引脚与PCA82C250芯片的D和R两个引脚相连接，。PCA82C250芯片的CANL和CANH两个引脚直接挂接在总线上。

2.4 USB存储模块

CH375是由南京沁恒公司生产的USB接口芯片，他支持DSP芯片通过USB通用串行总线与其他设备进行数据交换。CH375与DSP通过8位数据通信线相连，还有读写控制线以及片选信号线。通过CH375内置的通信协议固件，DSP芯片可以直接与挂接在USB总线上的大容量存储设备进行数据读写。读写过程中，可以以扇区为基本单位，也可以以字节为基本单位将数据读出或者写入USB存储设备，包括U盘、USB硬盘等。

USB总线一共有四根通信线，分别是一根5V的电源线，一根电源地线，还有两根数据信号线通过UD+和UD-引出。TXD引脚经过下拉电阻接地时，芯片以并口方式工作，D0～D7为并行数据线。TXD引脚悬空或者未经下拉电阻接地时，芯片以串口方式工作，TXD和RXD与DSP芯片交换数据。工作时需要外部提供一个高频晶振接在X0和X1两个引脚之间[5]。见图6。

3 系统软件设计

系统的初始化程序结束后，进入串口中断扫描程序，检查是否产生了串口中断。产生串口中断后，根据产生的中断标志来执行下一步的命令。根据产生的中断标志的不同分别进行信号采集、数据显示、越限报警、数据存储和数据传输等操作。

4 结束语

基于DSP的主扇风机振动信号采集模块，其具有强大的就地功能，可实现对主扇风机振动信号的实时监测，数据处理传输及离线模式的数据就地存储等功能。该模块具有高性价比、高集成度、高精度以及高可靠性等优点，这为煤矿监测监控系统的分布式设计打下了良好基础。

【参考文献】

[1]韩丰田.TMS320F281xDSP原理及应用技术[M].北京：清华大学出版社，2009，4.

[2]苏奎峰，吕强，耿庆峰，陈圣俭.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2005，4.

[3]赵成.DSP原理及应用技术-基于TMS320F2812的仿真与实例设计[M].北京：国防工业出版社，2012，1.

[4]王亮.基于DSP+ARM的多通道数据采集系统的设计[D].四川：电子科技大学，2013.

[5]刘建峰，刘爱华.基于CH375的海量数据采集存储系统[J].仪表技术，2006，2-44.

[6]丁铖.基于ARM和CAN总线的综采液压支架压力监测平台的研究[D].北京：中国矿业大学〈北京〉，2013.

[责任编辑：杨玉洁]