基于DSP的數據處理器的設計與實現

李雨田 劉婧一 宋洪武 孫 旭 崔 濤

(國網吉林省電力有限公司 a. 電力科學研究院；b.長春供電公司)

基于DSP的數據處理器的設計與實現

李雨田a劉婧一b宋洪武a孫 旭a崔 濤a

(國網吉林省電力有限公司 a. 電力科學研究院；b.長春供電公司)

利用DSP的內部資源和外設接口，設計基于TMS320F2812、AD轉換芯片AD7656和網絡芯片W5100的數據處理器，給出了系統硬件結構設計、芯片之間接口電路設計和軟件實現方法。實現了對工業現場電壓信號和電流信號的實時同步采樣，同時對采集到的數據進行相關處理，并利用網絡接口將數據發送到PC機進行顯示和分析。

數據處理 DSP TMS320F2812 AD7656 W5100 硬件結構 電路設計 軟件實現

在工業測控系統中，對設備運行狀態信號進行精確快速采集、監測和記錄，是進行工業自動控制，以及故障類型和位置分析的基礎[1]。

數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)具有強大的控制和信號處理能力，廣泛應用于通信、工業測控等相關領域。AD7656是一種高速、低功耗、6通道同步采樣的16位模數轉換器，每個輸入端都有一個跟蹤保持放大器，實現該通道的采樣與轉換功能，非常適用于多路同步數據采集系統[2，3]。W5100是一款多功能的單片網絡接口芯片，內部集成有10/100Mb以太網控制器，主要應用于高集成、高穩定、高性能和低成本的嵌入式系統。W5100內部集成了全硬件的TCP/IP協議棧、以太網介質傳輸層(MAC)和物理層(PHY)[4]。使用W5100只需進行簡單的端口(Socket)編程。W5100提供了3種與MCU間的接口：直接并行總線、間接并行總線和SPI總線，可以方便地實現與MCU間的數據傳輸。同時W5100與MCU接口非常簡單，就像訪問外部存儲器一樣。

筆者設計的數據處理器，主要應用于風力發電機組的狀態監測，實時采集現場的振動信號、電壓信號及電流信號等，并對它們進行相關的處理與分析，然后將數據通過光纖網絡傳輸到主控室內的上位機，進行進一步的分析與顯示，確定機組的運行狀態。

1 硬件部分

1.1整體結構

為了準確分析風力發電機組的運行狀態，要求現場采集的數據要具有同步性，但是TMS320F2812內部的ADC模塊只包含兩個采樣保持器，所以最多只能實現兩通道的同步采樣。為此采用AD7656作為外部AD，實現所有通道的同步采樣。由于TMS320F2812本身不具有網絡接口，雖然可以通過SPI和CAN模塊發送數據，但是當數據量非常大時發送數據所用時間較長，不能滿足整個系統的工作要求，因此采用W5100外擴網絡接口，實現數據的網絡發送，減少發送數據所用時間。

筆者設計的數據處理器主要針對現場模擬量信號的采集。為了更好地適應實際需求，分別設計0～5V電壓信號和4～20mA電流信號的外部接口。現場信號經過調理電路處理后進入AD7656進行AD轉換，然后將轉換后的值送入TMS320F2812。在DSP內對采樣數據進行相關處理后，通過W5100擴展網絡接口將數據發送到PC機上進行顯示和分析，從而構成完整的數據采集系統。系統硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件原理框圖

1.2AD7656與TMS320F2812的接口設計

AD7656提供高速并行接口和高速串行接口，其中并行接口還分為字工作模式和字節工作模式。本設計中采用高速并行接口與TMS320F2812連接。AD7656與TMS320F2812的連接如圖2所示。

圖2 AD7656與TMS320F2812連接

為了實現6路AD通道同步采樣，將CONVST的A、B、C3個引腳連在一起，與DSP的GPIOB2引腳相連，將該引腳設置為通用I/O口，然后用該引腳輸出端電平的變化實現對AD轉換的控制；BUSY引腳與XINT2引腳相連，利用轉換完成后BUSY信號的變化進入XINT2實現中斷，并在中斷內部讀取數據；片選信號端與GPIOB0相連，一直保持為低電平，確保數據正常讀取；復位端與GPIOB1相連，在每次上電后，通過對GPIOB1腳輸出電平的控制，對AD7656進行復位操作。

1.3W5100與TMS320F2812的接口設計

本設計中采用直接并行總線的連接方式，即將W5100和TMS320F2812相互對應的數據和地址總線直接連接在一起。在該方式下電路設計較為簡單，類似于DSP的外擴RAM，只是增加了幾條控制線，對W5100的操作與讀寫RAM是一樣的，操作簡便。W5100與DSP的連接如圖3所示。

圖3 W5100與TMS320F2812連接

1.4系統調理電路

由于現場數據信號會包含較多的噪聲，為此需對采集到的數據先進行相關的處理，如濾波處理和幅值調制，電壓信號調理電路如圖4所示。

圖4 電壓信號調理電路

雖然電流信號的抗干擾能力強，但是AD7656只能夠對電壓信號進行采樣和轉換，因此需要通過調理電路對電流信號進行處理，轉換成對應的電壓信號，電流信號調理電路如圖5所示。

圖5 電流信號調理電路

2 軟件部分

2.1軟件工作流程

系統程序的設計實現，主要是針對TMS320F2812進行軟件編程。系統工作流程如圖6所示。

圖6 工作流程

首先對TMS320F2812進行系統初始化，其中包括系統主頻和相關時鐘的確定、GPIO口的初始化、中斷向量表的分配和中斷的初始化。然后通過T1定時器周期中斷來控制AD7656的啟動轉換信號，從而根據周期中斷的時間確定采樣頻率；在轉換信號啟動后，等待轉換完成后BUSY信號電平的變化，從而進入XINT2中斷，在中斷內讀取轉換數據，完成一次采樣。然后重復以上操作，直到完成所有數據的采樣，并進行相關的數據處理。然后準備數據的發送，首先對W5100進行初始化，配置相應的IP地址、子網掩碼及網關地址等信息；然后對所用端口初始化，配置對應的端口號和工作模式；偵聽上位機的連接請求，一旦建立連接進入XINT1中斷，完成數據的發送和接收；當完成數據的傳輸后，再次進入中斷斷開連接，然后重復上述操作，實現數據的傳輸[5]。

2.2XINTF外部接口

外部接口XINTF主要用來對DSP進行相關功能的擴展，如SRAM、ADC模塊等。本設計中，外擴的RAM、AD7656和W5100都屬于其擴展模塊，因此都需映射到對應的XINTF區域內，其中AD7656對應Zone0、W5100對應Zone2、外擴RAM對應Zone6。由于外擴的模塊通常與DSP本身的處理速度不同，因此需要配置相應寄存器實現與慢速外部存儲器的接口：配置XINTCF2控制對應的工作時鐘等；配置XTIMING0/2/6決定對應的建立、激活及跟蹤周期等；配置XBANK為對應的區域添加等待周期[6]。

2.3AD7656

2.3.1AD7656的啟動采樣程序

根據數據手冊可知，CONVST的A、B、C引腳在上升沿信號觸發時，啟動ADC轉換。由于這3個引腳都連接在GPIOB2上，因此可以通過控制GPIOB2口輸出電平的變化來啟動采樣。程序代碼如下：

GpioDataRegs.GPBCLEAR.bit.GPIOB2=1;

DELAY_US(2);

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIOB2=1;

2.3.2AD7656的數據讀取程序

所有通道轉換完成后，BUSY引腳由高電平變為低電平，程序進入XINT2中斷，在中斷內讀取轉換數據，完成一次數據的采樣和讀取。為了準確讀取采樣數據，首先要在CMD文件中分配外部存儲地址，然后在主函數文件內聲明對應的數據空間，最后進入中斷函數內讀取數據。程序代碼如下：

#define ZONE0*(int*)0x002000

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

AD[i]=*ZONE0;

2.4W5100

W5100采用TCP通信方式，是一種以連接為基礎的通信。TCP有服務器模式和客戶端模式兩

種連接方式，本設計采用服務器模式，等待接收上位機的連接請求，然后建立連接傳輸數據。對于W5100，在編程中，只需對使用的端口進行簡單設置與編程即可。由于采用直接并行總線方式與DSP進行連接，因此對于W5100相關寄存器的操作，可以直接通過總線進行讀寫。如對W5100進行軟件復位，程序代碼如下：

unsigned char*ptr;

ptr=(unsigned char*)W5100_MODE;

*ptr=MODE_RST;

根據數據手冊，學習相關寄存器的功能與用法，然后通過以上方式配置對應寄存器，完成W5100初始化、端口初始化、偵聽和數據發送與接收子程序的編程，從而實現數據的網絡發送。

2.5數據的顯示和分析

將數據處理器通過光纖網絡與上位機相連，將數據傳輸到其分析界面，以供進一步的分析與處理。該分析和顯示界面(圖7)是基于LabVIEW軟件開發實現的，不僅可以記錄數據的具體數值和時域波形，還可以進行相關的頻域分析。

圖7 數據顯示和分析界面

3 結束語

基于TMS320F2812、AD7656和W5100芯片，設計了一套數據處理器，實現了對風力發電現場電壓信號和電流信號的同步采樣，以及通過網絡接口利用TCP/IP協議實現了數據傳輸。在保證數據采樣同步性的同時，大幅提高了數據傳輸的速度和穩定性。該系統已經應用于某風力發電機組狀態監測系統中，實踐證明，具有較好的穩定性和可靠性。

[1] 郭濤,張英祥,陳峰.基于TMS320F2812的數據采集監測系統設計[J].機械工程與自動化,2010,(1):144～146.

[2] 陳立萬,黃青龍,劉萬里.基于FPGA的數據采集監測系統設計[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2011,34(3):359～362.

[3] 蔣建軍,徐群.TMS320F2812與模數轉換器AD7656的接口設計[J].科技信息(學術研究),2007,20(6):23～24.

[4] 鄒依依,郭燦新,黃成軍,等.W5100在DSP遠程以太網數據通信系統中的應用[J].工業控制計算機,2008,21(8):20～21.

[5] 關宗安,仲叢久,張芝賢,等.基于TMS320F2812 DSP的網絡通信系統設計[J].電子技術應用,2009,35(3):94～96.

[6] 寧改娣,楊拴科.DSP控制器原理及應用[M].北京:科學出版社,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-)，工程師，從事電能計量裝置的現場校驗工作，liyutian829@163.com。

TH865

A

1000-3932(2017)11-1065-05

2017-05-03，

2017-09-05)

《化工自動化及儀表》征稿簡則

1.專業范圍

報道化工、石油化工、冶金、電力、醫藥、造紙、紡織等行業過程控制理論與應用、計算機技術及其應用、檢測技術研究與應用、控制裝置設計及應用、儀器儀表技術開發與應用、企業技術改造經驗等。

2.報道內容

◆綜述與評論。博采眾覽，兼收并蓄，及時、準確、全面地反映國內外過程控制技術、檢測技術、計算機技術及儀器儀表技術的發展動態、趨勢和水平。著文要求準確性和權威性，信息量大，能夠較全面地闡明命題的過去、現狀及發展。

◆過程控制。報道現代控制理論的研究與應用，新型控制策略及控制技術的應用實例；先進控制系統及控制裝置的現場應用；國家重大科技攻關項目及成果。

◆檢測與儀表。報道國內外先進的檢測技術、自動化儀器儀表技術的開發與應用。

◆研究與應用。報道控制技術、檢測技術、計算機技術、儀器儀表技術等的研發及其在工業生產中的應用。

◆技改與創新。報道技術改造和技術成果，系統及儀表的日常檢測與維修經驗等，著文要求突出實用性。

3.投稿要求

◆文稿應簡明扼要，突出重點，公式、數據準確。

◆要求E-mail投搞，一律為Word文檔(A4幅面，單倍行距，通欄，五號字體)，不受理復印稿或傳真稿。

◆每篇文章請附150～200字中、英文摘要，4～6個中、英文關鍵詞，作者所在單位的中、英文名稱。

◆若條件允許，每篇文章請附中圖分類號(分類方法請參考《中國圖書館分類法》第四版)。

◆圖、表要有圖題、表題，圖中文字、符號、數字、圖注需清楚，圖、表中標注盡量用中文。

◆公式另行居中書寫，大/小寫、上/下標標注清楚。

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