基于DSP的数据处理器的设计与实现

2017-12-07李雨田刘婧一宋洪武

化工自动化及仪表 2017年11期

关键词：中断信号系统

李雨田刘婧一宋洪武孙旭崔涛

(国网吉林省电力有限公司 a. 电力科学研究院；b.长春供电公司)

基于DSP的数据处理器的设计与实现

李雨田a刘婧一b宋洪武a孙旭a崔涛a

(国网吉林省电力有限公司 a. 电力科学研究院；b.长春供电公司)

利用DSP的内部资源和外设接口，设计基于TMS320F2812、AD转换芯片AD7656和网络芯片W5100的数据处理器，给出了系统硬件结构设计、芯片之间接口电路设计和软件实现方法。实现了对工业现场电压信号和电流信号的实时同步采样，同时对采集到的数据进行相关处理，并利用网络接口将数据发送到PC机进行显示和分析。

数据处理 DSP TMS320F2812 AD7656 W5100 硬件结构电路设计软件实现

在工业测控系统中，对设备运行状态信号进行精确快速采集、监测和记录，是进行工业自动控制，以及故障类型和位置分析的基础[1]。

数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)具有强大的控制和信号处理能力，广泛应用于通信、工业测控等相关领域。AD7656是一种高速、低功耗、6通道同步采样的16位模数转换器，每个输入端都有一个跟踪保持放大器，实现该通道的采样与转换功能，非常适用于多路同步数据采集系统[2，3]。W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10/100Mb以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统。W5100内部集成了全硬件的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)[4]。使用W5100只需进行简单的端口(Socket)编程。W5100提供了3种与MCU间的接口：直接并行总线、间接并行总线和SPI总线，可以方便地实现与MCU间的数据传输。同时W5100与MCU接口非常简单，就像访问外部存储器一样。

笔者设计的数据处理器，主要应用于风力发电机组的状态监测，实时采集现场的振动信号、电压信号及电流信号等，并对它们进行相关的处理与分析，然后将数据通过光纤网络传输到主控室内的上位机，进行进一步的分析与显示，确定机组的运行状态。

1 硬件部分

1.1整体结构

为了准确分析风力发电机组的运行状态，要求现场采集的数据要具有同步性，但是TMS320F2812内部的ADC模块只包含两个采样保持器，所以最多只能实现两通道的同步采样。为此采用AD7656作为外部AD，实现所有通道的同步采样。由于TMS320F2812本身不具有网络接口，虽然可以通过SPI和CAN模块发送数据，但是当数据量非常大时发送数据所用时间较长，不能满足整个系统的工作要求，因此采用W5100外扩网络接口，实现数据的网络发送，减少发送数据所用时间。

笔者设计的数据处理器主要针对现场模拟量信号的采集。为了更好地适应实际需求，分别设计0～5V电压信号和4～20mA电流信号的外部接口。现场信号经过调理电路处理后进入AD7656进行AD转换，然后将转换后的值送入TMS320F2812。在DSP内对采样数据进行相关处理后，通过W5100扩展网络接口将数据发送到PC机上进行显示和分析，从而构成完整的数据采集系统。系统硬件原理框图如图1所示。

图1 系统硬件原理框图

1.2AD7656与TMS320F2812的接口设计

AD7656提供高速并行接口和高速串行接口，其中并行接口还分为字工作模式和字节工作模式。本设计中采用高速并行接口与TMS320F2812连接。AD7656与TMS320F2812的连接如图2所示。

图2 AD7656与TMS320F2812连接

为了实现6路AD通道同步采样，将CONVST的A、B、C3个引脚连在一起，与DSP的GPIOB2引脚相连，将该引脚设置为通用I/O口，然后用该引脚输出端电平的变化实现对AD转换的控制；BUSY引脚与XINT2引脚相连，利用转换完成后BUSY信号的变化进入XINT2实现中断，并在中断内部读取数据；片选信号端与GPIOB0相连，一直保持为低电平，确保数据正常读取；复位端与GPIOB1相连，在每次上电后，通过对GPIOB1脚输出电平的控制，对AD7656进行复位操作。

1.3W5100与TMS320F2812的接口设计

本设计中采用直接并行总线的连接方式，即将W5100和TMS320F2812相互对应的数据和地址总线直接连接在一起。在该方式下电路设计较为简单，类似于DSP的外扩RAM，只是增加了几条控制线，对W5100的操作与读写RAM是一样的，操作简便。W5100与DSP的连接如图3所示。

图3 W5100与TMS320F2812连接

1.4系统调理电路

由于现场数据信号会包含较多的噪声，为此需对采集到的数据先进行相关的处理，如滤波处理和幅值调制，电压信号调理电路如图4所示。

图4 电压信号调理电路

虽然电流信号的抗干扰能力强，但是AD7656只能够对电压信号进行采样和转换，因此需要通过调理电路对电流信号进行处理，转换成对应的电压信号，电流信号调理电路如图5所示。

图5 电流信号调理电路

2 软件部分

2.1软件工作流程

系统程序的设计实现，主要是针对TMS320F2812进行软件编程。系统工作流程如图6所示。

图6 工作流程

首先对TMS320F2812进行系统初始化，其中包括系统主频和相关时钟的确定、GPIO口的初始化、中断向量表的分配和中断的初始化。然后通过T1定时器周期中断来控制AD7656的启动转换信号，从而根据周期中断的时间确定采样频率；在转换信号启动后，等待转换完成后BUSY信号电平的变化，从而进入XINT2中断，在中断内读取转换数据，完成一次采样。然后重复以上操作，直到完成所有数据的采样，并进行相关的数据处理。然后准备数据的发送，首先对W5100进行初始化，配置相应的IP地址、子网掩码及网关地址等信息；然后对所用端口初始化，配置对应的端口号和工作模式；侦听上位机的连接请求，一旦建立连接进入XINT1中断，完成数据的发送和接收；当完成数据的传输后，再次进入中断断开连接，然后重复上述操作，实现数据的传输[5]。

2.2XINTF外部接口

外部接口XINTF主要用来对DSP进行相关功能的扩展，如SRAM、ADC模块等。本设计中，外扩的RAM、AD7656和W5100都属于其扩展模块，因此都需映射到对应的XINTF区域内，其中AD7656对应Zone0、W5100对应Zone2、外扩RAM对应Zone6。由于外扩的模块通常与DSP本身的处理速度不同，因此需要配置相应寄存器实现与慢速外部存储器的接口：配置XINTCF2控制对应的工作时钟等；配置XTIMING0/2/6决定对应的建立、激活及跟踪周期等；配置XBANK为对应的区域添加等待周期[6]。

2.3AD7656

2.3.1AD7656的启动采样程序

根据数据手册可知，CONVST的A、B、C引脚在上升沿信号触发时，启动ADC转换。由于这3个引脚都连接在GPIOB2上，因此可以通过控制GPIOB2口输出电平的变化来启动采样。程序代码如下：

GpioDataRegs.GPBCLEAR.bit.GPIOB2=1;

DELAY_US(2);

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIOB2=1;

2.3.2AD7656的数据读取程序

所有通道转换完成后，BUSY引脚由高电平变为低电平，程序进入XINT2中断，在中断内读取转换数据，完成一次数据的采样和读取。为了准确读取采样数据，首先要在CMD文件中分配外部存储地址，然后在主函数文件内声明对应的数据空间，最后进入中断函数内读取数据。程序代码如下：

#define ZONE0*(int*)0x002000

for(i=0;i<6;i++)

AD[i]=*ZONE0;

2.4W5100

W5100采用TCP通信方式，是一种以连接为基础的通信。TCP有服务器模式和客户端模式两

种连接方式，本设计采用服务器模式，等待接收上位机的连接请求，然后建立连接传输数据。对于W5100，在编程中，只需对使用的端口进行简单设置与编程即可。由于采用直接并行总线方式与DSP进行连接，因此对于W5100相关寄存器的操作，可以直接通过总线进行读写。如对W5100进行软件复位，程序代码如下：

unsigned char*ptr;

ptr=(unsigned char*)W5100_MODE;

*ptr=MODE_RST;

根据数据手册，学习相关寄存器的功能与用法，然后通过以上方式配置对应寄存器，完成W5100初始化、端口初始化、侦听和数据发送与接收子程序的编程，从而实现数据的网络发送。

2.5数据的显示和分析

将数据处理器通过光纤网络与上位机相连，将数据传输到其分析界面，以供进一步的分析与处理。该分析和显示界面(图7)是基于LabVIEW软件开发实现的，不仅可以记录数据的具体数值和时域波形，还可以进行相关的频域分析。

图7 数据显示和分析界面

3 结束语

基于TMS320F2812、AD7656和W5100芯片，设计了一套数据处理器，实现了对风力发电现场电压信号和电流信号的同步采样，以及通过网络接口利用TCP/IP协议实现了数据传输。在保证数据采样同步性的同时，大幅提高了数据传输的速度和稳定性。该系统已经应用于某风力发电机组状态监测系统中，实践证明，具有较好的稳定性和可靠性。

[1] 郭涛,张英祥,陈峰.基于TMS320F2812的数据采集监测系统设计[J].机械工程与自动化,2010,(1):144～146.

[2] 陈立万,黄青龙,刘万里.基于FPGA的数据采集监测系统设计[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2011,34(3):359～362.

[3] 蒋建军,徐群.TMS320F2812与模数转换器AD7656的接口设计[J].科技信息(学术研究),2007,20(6):23～24.

[4] 邹依依,郭灿新,黄成军,等.W5100在DSP远程以太网数据通信系统中的应用[J].工业控制计算机,2008,21(8):20～21.

[5] 关宗安,仲丛久,张芝贤,等.基于TMS320F2812 DSP的网络通信系统设计[J].电子技术应用,2009,35(3):94～96.

[6] 宁改娣,杨拴科.DSP控制器原理及应用[M].北京:科学出版社,2002.

DesignandImplementationofDataProcessorBasedonDSP

LI Yu-tiana, LIU Jing-yib, SONG Hong-wua, SUN Xua, CUI Taoa

(a.ElectricPowerResearchInstitute; b.ChangchunPowerSupplyCompany,StateGridJilinPowerCompanyLimited)

Through making use of internal resources and peripheral interface of the digital signal processor (DSP) and basing on TMS320F2812 and AD7656 conversion chips and W5100 data network chip, a data processor was designed and the implementation methods of its hardware structure, interface circuit among chips and the software design were presented to realize the synchronous sampling of industrial field voltage and current signals and the real-time processing of the data collected, including having the data sent to the PC for display and analysis.

data processing, DSP, TMS320F2812, AD7656, W5100, hardware structure, circuit design, software implementation

李雨田(1989-)，工程师，从事电能计量装置的现场校验工作，liyutian829@163.com。

TH865

1000-3932(2017)11-1065-05

2017-05-03，

2017-09-05)

《化工自动化及仪表》征稿简则

1.专业范围

报道化工、石油化工、冶金、电力、医药、造纸、纺织等行业过程控制理论与应用、计算机技术及其应用、检测技术研究与应用、控制装置设计及应用、仪器仪表技术开发与应用、企业技术改造经验等。

2.报道内容

◆综述与评论。博采众览，兼收并蓄，及时、准确、全面地反映国内外过程控制技术、检测技术、计算机技术及仪器仪表技术的发展动态、趋势和水平。著文要求准确性和权威性，信息量大，能够较全面地阐明命题的过去、现状及发展。

◆过程控制。报道现代控制理论的研究与应用，新型控制策略及控制技术的应用实例；先进控制系统及控制装置的现场应用；国家重大科技攻关项目及成果。