基于ADSP－BF518的設備狀態參數監測系統硬件設計*

劉春陽，隋　新，李濟順，，韓紅彪，馬喜強

(1.河南科技大學機電工程學院，河南洛陽471003; 2.河南省機械設計與傳動系統重點實驗室，河南洛陽471003)

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基于ADSP－BF518的設備狀態參數監測系統硬件設計*

劉春陽1*，隋新2，李濟順1，2，韓紅彪1，馬喜強2

(1.河南科技大學機電工程學院，河南洛陽471003; 2.河南省機械設計與傳動系統重點實驗室，河南洛陽471003)

摘要:針對大型立磨、風力發電機、提升機等設備狀態參數較多、信號采集困難、數據處理要求高等特點，設計了以ADSPBF518芯片為核心的通用型設備狀態參數監測系統，詳細闡述了硬件設計中DSP的設計、基于CPLD的功能拓展、ADC采樣和DAC數模轉換、板間同步與網絡通訊接口等關鍵技術，借助網絡接口進行拓展，可組成狀態參數監測網絡，適用于單個或多個設備的狀態參數監測與故障診斷。通過某風場的實際應用，驗證了該系統的可靠性與有效性。

關鍵詞:狀態監測;信號采集;網絡通信; ADSP

項目來源:河南省基礎與前沿技術研究計劃項目(132300410447) ;河南省教育廳科學技術研究重點項目(14B460028)

隨著科學技術和工業技術的不斷發展，各種大型裝備如盾構機、立磨機、風力發電機、礦井提升機等得到廣泛的應用，由于這些設備價格高、維護成本高，又常常是工程生產推進的關鍵環節，其運行狀態各項參數的監測管理成為保障設備安全正常運轉的有效途徑［1－3］。但由于大型設備運行狀態參數較多，對狀態監測系統的穩定性、可靠性、處理速度要求較高，加上設備的工作條件復雜，工作運轉周期長，監測節點多而分散等諸多因素，目前，市場上尚缺乏成熟可靠的大型設備狀態監測系統［4－5］。

隨著數字信號處理技術的普及和發展，不斷有高性能、低功耗的DSP應用到信號采集和處理系統當中［6］。目前，傳統的數據采集系統大多以TI的DSP作為處理核心［7－8］，盡管TI的DSP在市場占有率、算法支持等方面領先，但ADI公司的DSP在C語言編譯效率、編程難易程度、代碼密度等方面更具有優勢［9－10］，在同級別處理器性能指標上和TI的DSP不相上下，對功耗的控制也具有一定優勢。因此，本文設計了一種以ADSP－BF518處理器為核心的通用型多通道數據采集裝置GCMD(General Condition Monitoring Device)，可以安裝到設備的關鍵節點，連接不同類型傳感器及前端調理電路，就可以實現對機器設備的振動、轉速、溫度、濕度、壓力等參數進行采集，實現參數采集、處理、存儲、傳輸、反饋控制等功能，具有處理速度快、采樣速率可調、接口簡單、擴展方便等特點，通過網絡通信接口可以組成分布式狀態參數監測網絡，配合上位機軟件對機器設備運行狀態進行監測。借助DSP的強大數據處理能力，對采集的各項信號數據進行分析處理，便于了解機器設備的運行狀態，預測設備需要采取維護措施的時間，幫助判斷設備故障原因，提高設備運行的效率和可靠性。

1　系統設計

由于風力發電機、立磨機、礦井提升機等大型設備內部包含有多個子系統，每個子系統需要采集的狀態參數包括振動、轉速、溫度、濕度、電壓、電流、壓力等多個信號，因此單臺GCMD作為信號采集和處理的單元，既要可以實現對多個狀態參數的同步采集，又需要能夠方便的和其他GCMD設備組成監測網絡，協同工作，滿足監測系統對信息采集與處理的要求。因此本設計采用了單個GCMD作為監測節點，利用Internet/Intranet方式組成分布式監測網絡的設計方案，ADSP作為數據采集和處理的核心，通過遠程通信將數據傳輸至監控中心，完成對設備各個關鍵部件的有效監控，可根據不同的狀態參數監測需求，選擇合適的前端傳感器和調理電路，實現對不同設備狀態參數的監測，具有一定通用性和實用性。

1.1GCMD硬件設計

圖1是基于ADI公司ADSP－BF518處理器的GCMD硬件設計框圖。硬件系統以BF518為核心，采用CPLD擴展ADSP的接口，實現數據的采集、處理、存儲、傳輸、反饋控制等功能。

圖1　GCMD硬件設計框圖

1.1.1ADSP核心

圖1中的ADSP－BF518是Blackfin系列DSP的代表性芯片，是一種新型的16位定點數字信號處理器，具有高性能、低功耗的特點，運算處理能力強大且能實現CPU的多任務管理，內部集成有高速串行通信接口、含LWIP協議棧的以太網MAC、實時時鐘、可移除存儲設備接口等豐富資源。BF518內核時鐘最高可以達到400 MHz，具有最多40個可用的GPIO口，適合于工業控制、多媒體處理、便攜式設備應用，具有非常高的靈活性和擴展性。GCMD在DSP的外圍還配置了FLASH、SDRAM、Micro-SD等存儲器件，可制成便攜式測量裝置，實現對數據的離線分析。

1.1.2CPLD的功能拓展

硬件設計采用ADSP處理核心板+CPLD功能擴展板的分體式設計方案，二者通過插針硬性連接，采用自定義總線進行通信，實現ADSP核心對A/D模塊、D/A模塊、I/O接口、轉速測量模塊的控制，并由CPLD控制數據采集時的同步邏輯和事件響應。CPLD選用的是EPM7128S，宏單元數量滿足系統需求，引腳兼容5V和3.3V邏輯電平，便于和工業設備信號對接。功能板可根據采集信號的特點進行修改，便于系統的升級和功能的擴展，提高了GCMD的靈活性和實用性。

1.1.3ADC模塊

作為信號采集不可或缺的重要組成部分，GCMD擴展板中的A/D轉換模塊以ADS8568芯片為采樣核心，單個芯片具16位的分辨率，最多可實現8通道同時采樣，輸入電壓范圍設為±10 V，工作溫度范圍為－40℃～+125℃。

圖2為A/D轉換模塊的設計原理圖。傳感器采集的振動、溫度、壓力等信號經過前端調理后，送入ADS8568進行轉換處理。A/D轉換完成后，BUSY信號的下降沿觸發ADSP的I/O口中斷，對轉換后的數字量進行讀取和存儲。由于ADS8568的特點，其完成轉換的時間最長為1.7 μs，每次轉換后需要讀取8個通道的數據，因此讀寫操作的時間會影響到采樣頻率，在BF518的SCLK工作在100MHz的情況下，讀寫操作的時序設置為最短，其實際并行輸出的最大轉換速率為250 kHz左右。采樣脈沖的頻率由計數器對20.48 MHz的時鐘信號分頻后由ADSP進行調節，在0.1 Hz～200 kHz范圍內可調，以適應不同傳感器的采樣需求。采樣脈沖也可以由外部信號通過外部觸發接口提供。

圖2　ADC模塊的設計電路圖

1.1.4板間同步與網絡通訊

當需要監測的參數較多時，可以采用多個GCMD協同采樣，這時就需要板間的同步控制。GCMD通過高速串行通信接口實現多套采集裝置間的采樣同步觸發，使其具有轉速測量、同步跟蹤等功能，確保了多通道數據采集的同步性。

圖3　網絡接口的物理層電路設計

借助ADSP內部的EMAC模塊、物理層協議芯片DP83848、集成網絡變壓器的HR911105A型RJ45接口完成了網絡通訊接口設計，物理層電路設計如圖3所示。集成的EMAC模塊，具有10 M/100 M網絡自適應接口模式，利用自帶的LWIP協議棧，可在ADI公司提供的VDSP++開發環境中根據向導生成基于LWIP的工程，只需要簡單修改一下時鐘配置，就可以自動從路由器獲取IP地址。通過Socket編程就可以輕松實現通訊功能，這大大的縮短了網絡通信接口的設計和開發的周期。

1.1.5DAC模塊

考慮到設備的維護與管理中可能需要一些的控制功能，GCMD還設計了模擬量和數字量的反饋輸出通道。模擬量的反饋輸出利用低功耗的DAC7828實現，具有16位分辨率和8個輸出通道，數據采用并行輸入方式，輸出信號建立時間為15 μs，參考電壓為5 V時可以輸出最大±15 V范圍的電壓信號，并具有可編程的增益和偏移設置，便于調整輸出信號的幅值范圍和極性。

圖4為D/A轉換模塊的設計電路，外圍配置引腳RSTSEL和BTC決定了上電后DAC8728的工作狀態以及數字量的編碼格式。本設計中采用了互補二進制編碼的格式，0～7FFFh為正值，數值大小即為數據本身編碼值大小; 8000h～FFFFh為負值，數值大小為編碼值取反加1。通過選擇數據的格式，并設置偏置寄存器為0x2AAB，可以使得輸出通道輸出范圍為±10 V，滿足一般設備控制信號的要求。

圖4　DAC模塊設計

1.1.6I/O接口的擴展

為滿足測量裝置對數字元件的控制需求，經CPLD擴展的I/O接口能夠同外部數字元件進行交互，并通過光電耦合器件對信號進行隔離，提高了I/O接口的抗干擾能力。數字量的輸出采用數據線賦值，CPLD地址譯碼后控制鎖存器輸出;輸入量通過光電耦合器件進行隔離和電平轉換后，由CPLD 向ADSP提起中斷請求，ADSP從CPLD中讀取輸入狀態。

1.1.7電源模塊設計

根據GCMD硬件設計的方案，系統采用5 V、± 15 V 3種電源供電的設計方案，5V為CPLD內核、ADC、DAC供電，同時5V經過LM1117芯片，轉換為3.3 V、1.3 V、2.5 V為ADSP供電?！?5 V為ADC、DAC供電，同時，+15 V經過REF5050芯片轉換為5 V參考電壓，作為DAC的外部參考電壓使用。ADC采用內部的2.5 V參考電壓工作。電源的監測采用ADM708芯片監測3.3 V信號，并產生復位信號。

圖5為制成的GCMD的核心板實物圖。

圖5　GCMD核心板布局圖

1.2GCMD嵌入式軟件開發

GCMD使用的是ADI公司的Visual DSP ++軟件，完成嵌入式程序的開發。考慮到系統以后的功能升級，GCMD機載軟件采用基于VDK的多線程任務內核開發，采用C/C++語言編寫，具有良好的可移植性。在所編制的多線程任務中，主線程負責從路由器獲取IP地址并維持網絡通信和電源管理，其他線程根據線程信號量，負責網絡報文解析、配置參數管理、ADC數據采集、數據處理分析、DAC輸出管理、I/O硬件管理等功能。

基于VDK的多線程編程需要新建線程類型，并設置啟動線程，根據線程的功能設置優先級，然后就可以編輯代碼實現具體的功能，并利用線程信號量進行線程間的同步協調。由于利用LWIP工程向導建立的工程代碼里已經包含了對系統時鐘和存儲器接口的初始化，因此只需要根據系統的實際要求，修改合適的工作時鐘和讀寫操作時間，就可以獲取IP地址。

GCMD與上位機間的網絡通信采用的是cJSON報文格式，利用cJSON函數可以很方便的對數據進行打包，以及對接收的數據進行解析，提高了數據處理的效率，而且便于調試和分析。針對不同設備的監測參數以及配置參數，可以通過軟件適配的方法，很方便的修改程序，使之服務于不同種類的設備狀態監測系統。

2　實驗與應用

2.1振動信號采集實驗

調試后的GCMD應用于超微圓柱滾子動平衡檢測試驗中的微弱振動信號采集。利用GCMD采集的電機轉速信號如圖6(a)中的黑色方波所示，在其激勵下，超微圓柱滾子動不平衡量引起的振動響應信號如圖6(a)中的紅色類正弦波所示。實驗中滾子質量為4.4 g，轉速為1 200 r/min，GCMD采樣頻率為12.8 kHz，采樣點數4 096點。采樣后的數據經過處理，計算得到滾子的動不平衡量引起的振動幅值約為0.5 μm。

利用GCMD搭建起來的動平衡測試系統，在滾子轉動頻率為10 Hz～120 Hz范圍內，測量不同轉速下，超微圓柱滾子去除一定重量前后的振動情況，結果如圖6(b)所示。通過對測試結果的分析，可以建立動不平衡量引起的振動與激勵頻率的響應關系，便于分析滾子動不平衡量對轉動的影響。

圖6　超微圓柱滾子動平衡振動響應信號提取及分析

2.2GCMD在大型風場的應用

利用GCMD組成的分布式狀態參數監測網絡，與現有風場狀態監測SCADA軟件相結合，形成了完整的風力發電機狀態監測系統，并將其應用于河南省某風場的實際風電設備狀態監測中。由于GCMD易安裝于風機的齒輪箱、葉片、主軸等關鍵部位，可有效采集和處理風機中關鍵機械結構的振動、溫度、轉速等實時狀態參數信息。上位機SCADA軟件通過網絡通訊獲得采集數據，并將信號波形綜合顯示在界面上，供管理人員對風電設備運行狀態進行監測，為風機故障的預測與診斷提供依據。圖7給出了風電設備狀態監測上位機軟件界面。

3　結論

針對風力發電機、大型立磨、礦井提升機等設備狀態監測參數多、監控難度大的特點，本文給出了一種基于數字信號處理技術的狀態監測系統設計，該系統以ADSP－BF518為處理核心，具有運算能力強、處理速度快等優點，可實現多通道的獨立采樣，并配有DAC、數字I/O、轉速測量接口等功能模塊，可通過網絡接口擴展為分布式狀態參數監測系統。將該系統應用于實際風場的設備監測，驗證了該裝置的可靠性、有效性，為推廣風力發電機狀態監測、降低風電企業運行與維護成本，具有推動和促進作用。需要說明的是，由于GCMD硬件架構的開放性與可拓展性，該系統也適用于其他大型設備運行狀態參數監測的應用，既可以使用單獨模塊進行數據采集，也可以將多個模塊組成分布式監測網絡，具有靈活多變、功能通用的特點，并具有廣闊的市場前景。

圖7　風電設備狀態參數監測上位機界面

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劉春陽(1982－)，男，滿族，河北人，博士，現在就職于河南科技大學機電工程學院，講師，主要從事精密測試技術、激光加工技術的研究，chunyangliu @ 126.com。

The Design of Automotive EPS System Based on MCU and Fuzzy Control

LIU Zengjun*
(Department of Electrical Engineering，Jilin Railway Technology College，Jilin Jilin 450011，China)

Abstract:The structure and hardware system of the EPS system is introduced.The EPS system is designed based on mcu XC2365，and the brushless DC motor is controled by XC2365.The control strategy is based on fuzzy controller.Simulation results，which conducted by Matlab software，show that the vehicle has a better performance and more robustness than tradition control strategy.Then the EPS system is mounted on the test vehicle，and the results of test also show that the system is good.

Key words:EPS; fuzzy control; simulation; mcu

中圖分類號:TP273.5

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0661－06

收稿日期:2014－06－26修改日期: 2014－07－21

doi:EEACC: 7210B; 1265F10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.039