列車無線振動測試儀中DSP與AD的接口設計

李 玲, 李德維

（1. 四川郵電職業技術學院， 四川成都 610067； 2. 中國測試技術研究院， 四川成都 610021）

0 引言

列車在運行中，總是伴隨著振動的產生，振動信號中蘊含了豐富的列車運行狀態信息，因此列車振動監測能及時客觀地反映列車的運行狀態。列車無線振動測試儀利用高速DSP和高性能振動傳感器實時采集列車振動信號，在線處理數據并將得到的列車的平穩性及舒適度指標利用藍牙無線傳輸到上位機。該測試儀能夠準確、快速、方便、在線得到列車運行過程中的多項振動性能指標，為保障行車安全提供有效的依據。列車無線振動測試儀中振動數據采集系統是保證準確、有效地得到各項列車振動性能指標的基礎，只有保證采集到的振動數據準確可靠，后期的數據分析處理以及各項指標的計算才是有意義的。

本文設計了一種基于TMS320F2812 DSP和AD73360的數據采集系統，該系統能夠高速、實時采集列車振動信號，并進行在線分析，為列車的危險預報、故障診斷、性能指標分析等提供有效的依據。

1 硬件設計

AD73360是AD公司推出的6通道16位可編程A/D轉換器。其主要特點是具有6個16位的采用∑-△原理的AD轉換器，每個通道均采取同步采樣以確保通道之問不存在時間延遲。每個A/D轉換通道由程控放大器、高速采樣的A/D調制器、抽取數字濾波器組成。放大器增益、采樣率、抗混疊數字濾波器的截止頻率均可編程設置[1]。AD73360的SPORT是16位的同步串行口，通過6條通信線實現數據的雙向同步通信。

TMS320F2812是TI公司推出的32位定點DSP芯片，工作頻率在150MHz，尤其是適用于有大批量數據處理的測控場合。TMS320F2812的McBSP(多通道緩沖串行口)是種同步串行接口，支持多種通信方式和SPI方式可以比較靈活地進行配置，使用方便。尤其可貴的是用2個16級、32位的FIFO代替DMA(直接存儲器存儲)方式，使得其與以往的DSP芯片相比，在與AD73360進行數據傳輸過程中可節省大量時間以用于內部數據處理[2]。

TMS320F2812 DSP和AD73360的硬件接口如圖1所示。AD73360的輸入時鐘從MCLK引腳輸入，分頻后產生DMCLK(內部主時鐘)，由DMCLK再進行分頻形成串口時鐘信號SCLK（分頻系數由軟件設置），輸出至DSP。AD73360的2個幀同步信號接成幀同步返回環方式，即輸出的幀同步SDOFS作為輸入幀同步SDIFS，同時連接DSP的接收和發送幀同步引腳，作為McBSP收/發數據的幀同步信號。AD73360的串行數據輸入/輸出引腳分別與McBSP的發送/接收引腳相連。AD73360的串口使能和復位引腳與DSP的通用I/O口GPIOA3相連，用于使能及復位AD。

圖1 AD73360與DSP的硬件接口圖

2 軟件設計

考慮到應用系統軟件的可移植性和可讀性，DSP軟件采用C語言進行編寫，使用TI公司的CCS編程環境。程序設計分為主程序和中斷服務子程序。主程序主要負責DSP、McBSP、McBSP FIFO和AD73360的初始化和相關配置。中斷服務子程序則完成數據的采集、處理和傳輸。

2.1 McBSP串口配置

McBSP串口的配置是通過向串口控制寄存器寫入控制字來實現的。

McbspRegs.SPCR2.all=0x0;

McbspRegs.SPCR1.all=0x0;

McbspRegs.RCR2.all=0x0;

McbspRegs.RCR1.all=0x0;

McbspRegs.XCR2.all=0x40;//發送控制寄存器,發送字長為16位，單相位幀，每幀1個碼字

McbspRegs.XCR1.all=0x40;

McbspRegs.MCR2.all=0x0;

McbspRegs.MCR1.all=0x0;

McbspRegs.PCR1.all=0x0;

McbspRegs.SPCR1.bit.RJUST=00;

McbspRegs.RCR2.bit.RCOMPAND=00;//接收無壓縮擴展模式，首先傳輸數據高位

McbspRegs.RCR2.bit.RDATDLY=01;//接收數據延時1位

McbspRegs.XCR2.bit.XCOMPAND=00;//發送無壓縮擴展模式，首先傳輸數據高位

McbspRegs.XCR2.bit.XDATDLY=01;//發送數據延時1位

McbspRegs.RCR1.bit.RWDLEN1=2; //接收字長16位

McbspRegs.XCR1.bit.XWDLEN1=2;//發送字長16位

McbspRegs.SPCR2.bit.XRST=1;//發送使能

McbspRegs.SPCR1.bit.RRST=1;//接收使能。

2.2 McBSP FIFO配置

McbspRegs.MFFTX.all=0x0;

McbspRegs.MFFRX.all=0x0;

McbspRegs.MFFCT.all=0x0;

McbspRegs.MFFINT.all=0x0;

McbspRegs.MFFST.all=0x0;

McbspRegs.MFFRX.bit.RXFFIENA=1;//開RX中斷

McbspRegs.MFFRX.bit.IL=3;//當FIFO中有3個字時產生中斷

McbspRegs.MFFTX.bit.MFFENA=1;//開TX中斷

McbspRegs.MFFRX.bit.INT_CLR=1;//清除中斷標志位

McbspRegs.MFFTX.bit.XRESET=1;//發送使能

McbspRegs.MFFRX.bit.RRESET=1;//接收使能

2.3 AD73360的初始化

AD73360有8個可編程控制寄存器，向這8個控制寄存器寫入8個相應的控制字，可方便地對ADC的增益、采樣頻率和通道數進行設置。

unsigned int sdata1[8]= {0x8130, 0x82E0, 0x8 388,0x8408,0x8500,0x86bf,0x8700,0x8001};//采樣頻率250Hz（MCLK=2.048MHz）,使能5V供電模,使能通道1、2、3，進入數據模式，準備發送采樣數據。

GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA3=1;//RESET和SE賦高電平，AD73360串口使能，復位結束，串口進入編程模式，準備接收8個控制字

當寫入最后一個控制字后，AD73360進入數據模式，開始轉換數據。當AD73360轉換完數據后，通過串口線向DSP依次發送1到6路的AD轉換信號，DSP將接收到的數據放入FIFO中。當FIFO中接收的數據個數達到設定值時，產生中斷，DSP進入中斷服務程序，取出采樣數據并進行處理。

3 實驗結果

在實驗室，用信號發生器產生1Hz正弦電壓信號，利用TMS320F2812 DSP和AD73360組成的數據采集系統采集數據，采樣頻率250Hz，對一個完整周期采樣得到如圖2所示的采樣波形，圖3為圖2的局部放大圖。

從圖2和圖3可以看到，該數據采集系統，能夠無失真地將1 Hz連續的正弦電壓信號轉換成均勻的離散采樣點，實現了電信號的A/D轉換。實驗證明，通過調整寫入AD73360的控制字，可以改變系統的采樣頻率，最高采樣頻率可達64kHz。

圖2 1Hz正弦信號采樣結果

圖3 1Hz正弦信號采樣局部放大圖

利用該數采系統采集高速列車的振動信號，并結合列車振動平穩性和舒適性計算方法開發的列車無線振動測量儀已經用于CRH2型動車組車廂內振動情況的測試。實踐證明，該數據采集系統能夠準確、快速、方便地采集列車運行中的振動數據，為保障行車安全提供有效的依據。

4 結論

TMS320F2812 DSP和AD73360組成的數據采集系統用于列車振動測試，有以下優勢：

(a)AD73360六通道同步采樣，滿足列車橫向、縱向和垂向3方向振動信號采集的同時還留有余地，增加適合的傳感器則可用剩下的3個通道采集列車的溫度、濕度等數據，便于列車綜合舒適度的計算。同時，AD73360還可級聯使用，最多可級聯8個，則最多可以同時提供48個A/D轉換通道。

(b)DSP具有強大的運算處理能力，特別是數字信號處理能力。對后期數據的分析處理，得到準確、可靠的列車振動性能指標非常有利。

(c)DSP自帶FIFO功能，使得中斷方式讀取數據時一次可讀取多個數據，不必頻繁地進入中斷程序，節省的時間可用于大數據量的運算如FFT。

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