基于DSP和USB技术的数据采集与处理系统0曝气管

基于DSP和USB技术的数据采集与处理系统

基于DSP和USB技术的数据采集与处理系统 2011年12月03日 来源： 1 引言采用DSP(数字信号处理器)作为控制器，而采用USB(通用串行总线)和上位机相连接将是数据采集处理系统的一种可能的发展趋势。1.1 数字信号处理器DSPDSP芯片，又称为数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号处理的微处理器，采用它能满足系统计算量大的要求。它的主要特点是:(1)它内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛结构，允许同时取指令和取操作数;(2)芯片内多采用分离的总线结构，这样可保证一个极其周期内可以多次访问程序空间和数据空间;(3)采用流水线结构，在程序运行中取指、译码、取操作数和执行阶段是重叠的;(4)芯片内部一般都包括多个处理单元，它们可以在一个指令周期内同时进行运算;(5)DSP数字系统中设置了一些特殊的DSP指令，能更好地满足数字信号处理应用的需要;(6)指令周期短，如TMS320F240 的指令周期可达50ns;(7)硬件配置强，接口功能强，片内具有串行口、主机接口、DMA控制器、锁相环时钟产生器和在片仿真测试访问口等。DSP芯片的这些特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。1.2 通用串行总线USBUSB(通用串行总线)协议是一些PC大厂商为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。USB接口是一个快速的、双向的、同步的、低成本的、动态的串行连接接口，支持主机和并发存取外设之间的数据交换。所连的外设通过主机调度和基于令牌的协议共享USB带宽。USB 的主要优点有:(1)速度快;(2)设备配置和安装容易。所有的USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置;(3)能够采用总线供电;(4)易于扩展; (5)使用灵活，USB共有4种传输模式:控制传输、同步传输、中断传输、块传输，以适用不同的设备的需要;(5)容错性强，USB协议规定了对各种可能遇到的错误的处理和恢复机制，保证了数据传输的正确性，同时，对设备的热拔插处理迅速且不影响系统的正常工作;(6)实现成本低，USB对系统与PC的集成进行了优化，适合于开发低成本的外设。由于这些优点，USB的应用范围很广。下面本文将介绍一个具体的基于DSP和USB技术的数字采集与处理系统给水泵运行状态监测系统。本系统需要对给水泵运行过程中的过程量和机械量进行采集，需要对振动信号进行处理，下面分别介绍系统的工作原理、总体设计、硬件设计和软件设计。2 系统工作原理和总体设计给水泵运行状态监测系统主要完成各路机械量和过程量的采集，并对各振动信号进行阶比谱分析，计算振动幅度的平均值，并将采集数据和分析结果上传PC机，为在线检修系统的专家系统提供给水泵的运行状态信息;同时就地简单显示给水泵的状态信息，并提供给水泵振动幅值越限和轴向位移越限报警。系统的特点是计算量大，通信数据量大，而且给水泵运行状态监测仪必须提供实时的状态数据，这就对实时性提出了较高的要求。根据系统的这些特点我们采用DSP(数字信号处理器)+USB(通用串行接口)的方案来满足系统的需求。给水泵状态监测系统由信号调理电路、A/D转换器、DSP处理器、SRAM、LCD、键盘以及基于PLD的接口和逻辑控制电路组成。系统的总体设计框图如图1所示。

3 系统硬件设计系统硬件部分的主要内容包括DSP最小系统的设计、通信模块的设计、人机接口模块的设计、调理电路的设计和电源模块的设计。DSP小系统包括复位电路、时钟电路、SRAM接口、Flash memory接口和逻辑控制电路等。这里的DSP控制器选用的是TMS320F240，它具有强大的外设功能，能为基于控制的应用设计提供高性价比的解决方案。本系统采用了两种通信接口，分别为USB和RS232接口。USB接口用于仪表向PC机上传数据。RS232接口主要用于调试和用于与慢速外设接口，当系统上传的数据不多时也可用于仪表向PC机传输数据，这样可以简化PC机软件的设计。下面分别对这两个接口进行介绍。3.1 RS232接口DSP控制器TMS320F240内含有一个全双工的串行接口，通过编程可以很方便的实现RS232串行通信。通信标准采用RS-232C。这里采用 MAX232芯片完成电平转换工作。MAX232芯片是MAXIM公司生产的低功耗、单5V电源供电，双RS232发送/接收器，它具有驱动能力，不需要外加任何驱动电路。采用MAX232的串行通信接口电路如图2所示。

3.2 USB接口USB具有完全的即插即用特性，不占用中断等系统资源，提供多种数据传输方式以及能达到较高的数据传输速率等特点。使用USB接口可以减少系统的体积，降低系统的功耗，使仪表与系统的接口更加方便。从技术上说，USB是一个电缆总线协议，用于主机与可访问辅助设备的数据交换。通过一个由主机分配的令牌协议，辅助设备共享USB的带宽。一个完整的USB系统是由USB主机、集线器、连接电缆和USB外设组成。本文研究的给水泵运行状态监测仪属于USB外设。本文选用的USB通信芯片是PDIUSBD12。它是一款性价比很高的器件，通常用在基于MCU的系统中，能够通过高速通用并行接口与微控制器通信，同时也支持本地的DMA传输。PDIUSBD12与TMS320F240的接口电路如图3所示。

PDIUSBD12和其他常见的接口芯片一样，也是通过向芯片写入控制字来操作的。首先向芯片写入一个字节的命令字，通知芯片按一定的方式处理下面的数据，然后对芯片读写一个或多个字节的数据，这些数据包括的内容可能是地址、数据以及一些设置位。4 系统软件设计本系统采用C和汇编混合编程，主程序框架采用C语言编制，关键算法(如FIR、FFT等)用汇编语言实现。给水泵运行状态监测仪的主要任务是:完成过程量与机械量的采集，滤波，对机械量进行谱分析，将所采集的数据和分析结果上传给PC机，同时，就地简单显示给水泵的运行状态信息等。我们把系统设计成前后台系统，也可称作为超循环系统。应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数来完成相应的操作，这部分可以看成后台行为。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为。后台也可以叫做任务级，前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断程序保证的。后台程序完成的功能包括:过程量的采集和滤波，轴振采样周期的确定，并根据采样周期初始化定时器0，FFT变换，将采集的数据和分析后的数据放在发送缓冲区，将待显示的信息写入显示缓冲区，对PC机传下来的命令和数据信息做相应处理。后台程序的流程图如图4所示。前台程序主要包括3个定时中断和键盘中断服务子程序。定时器0中断，主要用于机械量数据采集和抗混叠滤波;定时器1中断，为RS232串行通信提供发送节拍;定时器2中断，为显示器的刷新提供时钟节拍;键盘中断，完成键盘的扫描和获取键值。以定时器0中断子程序的程序流程图如图5所示。5 结束语本文虽以给水泵为例，但并不局限于给水泵，更换信号调理板，对于其他转子机械的运行状态监测同样适用。本系统也可以作为数据采集与处理的一个通用平台，具有广阔的应用前景。(end)

深圳妇科

婴儿嗜睡的8个危险征兆

直肠炎的表现

用什么啤酒洗头

何为安全期