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1、中北大学2008届毕业设计说明书1 绪论1.1 本课题的来源及研究目的和意义随着经济的发展、社会的进步、生产管理自动化水平的不断提高，特别是网络的日益普及，集中监控系统在社会各行各业得到了越来越广泛的应用，在邮电、电力、通讯、银行、工交、仓库等系统及设施中，由于需要监控的区域广、监控点分散、监控的对象种类繁多，因而需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护，维护人员不足、维护手段落后己成为管理中的薄弱环节。还有一些易发生突发性事故的领域，如容易发生爆炸的场所以及生产中次品的出现，由于这类事件的发生几率较小，而且具有随机性和不确定性，在这类领域实行现场人员值守是不现实的也是不可能的。因此，为提
2、高维护管理自动化水平、保障设备的安全和正常运转，实现图像、环境、动力等的集中监控和实时报警己势在必行1。传统设备维护管理体制是分散维护管理体制，基本上是以维护点为单位进行设备维护管理，每个维护点都配备有一定的维护人员负责全部设备的维护工作，实行轮班值守制，这种维护管理体制下维护人员劳动强度大，维护管理水平不高，而且需要大量的维护人员，花费大量的人力、物力和财力已经越来越不能适应现代经济的发展。尽快建设设备集中监控系统，实现现场无人值守，并充分发挥监控系统的作用，对设备和生产实行实时监控，对设备和生产中出现的突发性事件进行实时响应，确定故障发生的种类和部位，是转变设备专业维护方式、提高维护质量、
3、管理水平，以及提高劳动生产率的真正体现，从而提高产品的竞争力。而对易发生突发性事故(如爆炸)的场所实行远程监控和实时报警，也具有非常高的实际应用价值和现实意义。1.2 远程故障诊断的发展与展望1.2.1 故障诊断技术的发展过程故障诊断技术是用计算机对大型机组进行在线监测，能及时地了解机组的运行参数、当前工作状态，报警监测和事故追忆，能高速瞬时保存大量异常信息，便于进行事故分析和研究。采用模糊数学和灰色理论等进行故障诊断，对监测过程中保存的信息分析计算，从而判断机组运行是否正常。若存在故障，则指出故障类别、程度、部位及发展趋势，从而合理地给出机组使用寿命的估计、维修时间的调整、设备设计制造的改进
4、和最佳运行参数设定2。机械设备状态监测与诊断技术经历了这样几个发展阶段1.离线监测与人工诊断方式对于早期简单、小型的机械设备，往往采用眼看、耳听、手摸等，凭人的感觉和经验即可进行判别。这是运用简单手段进行简单的状态监测和故障诊断，这种监测方式下，判断结果受到工作人员经验等状况的影响，因此准确性难以保证3。2.以多用户联机、集中式控制为特征的单机监控与诊断这是第一代监控与诊断系统。这时的监测与诊断系统主要是针对某一特定被监测的机器而设计的，它主要由一台计算机和一块或多块功能模板构成，信息的交换与处理仅限于监测与诊断系统内部，因而是一种封闭式的系统。3以局域网络、集散化控制为特征的分布式监控与诊断
5、它主要是针对大型机电设备主机和多辅助功能分布和地域分布的特点，通过工业局域网把分布于各个局部现场，独立完成特定功能的本地计算机互联起来，以实现资源共享、协同工作、分散监测和集中操作、管理与诊断功能的工业计算机网络系统，这是基于工业局域网的相对开放的系统，监控信息的处理在局域网内部进行。4.基于Internet的远程监测诊断进入20世纪90年代后期，随着计算机技术和信息技术的发展， 特别信息高速公路的开通，设备状态监测与故障诊断也步入Internet阶段，这是一种传统监测诊断技术与现代网络相结合的一种新型技术。 这类系统采用Internet技术实施异地远程诊断，能充分利用远程专家的技术支持和共享
6、数据，大大地提高了诊断效率。远程诊断将是今后设备诊断技术的发展趋势。现代设备监测诊断技术是以现代动力学4、信号采集、信息处理、人工智能、模式识别、集成电路、计算机技术、网络技术等为中心的一门新兴学科。在振动信号分析方面，除了经典的统计分析、时频域分析、时序模型分析、参数识别外，近来又发展了基于非平稳信号假设的短时傅立叶变换、Wigner分布和小波变换等5。在诊断方面，人工智能中的专家系统、神经网络、模式识别、模糊诊断等技术得到了广泛的应用。1.2.2 国内外发展现状六十年代末开始，国内外开展了大规模的状态监测和故障诊断方面的研究并开发了一系列的产品，在德国的DALOG公司已开发出TYPM-37
7、6、E-376、S-550等数据采集处理系统，可进行SCI串行、CAN网络通讯和Internet连接。在美国Bently公司开发的DDM系统、ADRE系统，又如英国中心发电部的TEM系统，日本三菱公司的MHMS等等。这些系统在实际应用中又得到了进一步的发展和提高。我国在八十年代开始进行该技术的开发与研究，现在各高校均进行了相关产品的研发。如南京航空航天大学的科研人员提出了基于DSP和CAN总线系统的诊断模块设计方案。安徽理工大学提出了运用DSP和串行口通信方式实现分布式数据采集系统6。湖北大学的硕士论文中也曾提出运用嵌入式系统和以太网开发此类检测模块7。哈工大提出用模糊数学理论实施机组振动分析
8、和故障诊断，开发了MMMD系统并投入运行，西安交大等单位也研制了RMMDS系统，上海交大以及其他科研单位在人工神经网络和灰色理论应用于机组的故障分析诊断方面也做了许多工作.郑州大学振动研究所开发的MMDS系统，采用了先进的矢谱分析理论，使诊断的准确度大大提高，在实际运用中取得了很好的效果。1.3 本文主要内容本论文在第二章主要介绍了DSP、CAN和RS232通信的基础知识，包括TMS320F2812的内核机构、设计本系统所用到的模数转换和CAN等片上外设的结构及原理。第三章叙述了有关系统的需求分析知识。第四章是系统的总体设计，主要包括系统的结构组成和系统所要完成的功能说明。第五章是硬件设计部分
9、，包括TMS320F2812的电源模块、时钟模块、复位和监视模块、模数转换模块、CAP频率捕捉模块以及数字输入输出和存储器设置模块的设计。第六章是软件设计部分，介绍了CCS软件编译环境，对系统的主程序、ADC采样程序、CAP频率捕捉程序和通信等程序进行了相关说明。最后第七章是测试结果分析，对相关功能进行测试。2 基础知识2.1 DSP技术数字信号处理(Digiatl singal Porecssnig，简称DSP)是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式8。数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，
10、同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在20世纪80年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到加世纪70年代末80年代初世界上第一片单片可编程DSP芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说，DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。DSP芯片也称数字信号处理器是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法9。作为可编程数字信号处理专用芯片是微型计算机发展的重要分支，
11、也是数字信号处理理论实用化过程的重要技术工具。随着微电子技术和数字信号处理技术的飞速发展，DPS芯片的性价比不断提高，正受到业界越来越广泛的关注。考虑到本系统中涉及的采样参数较多，运算量大，实时性要求高，因此采用美国德州仪器(TI)的TMS320F2812(以下简称F2812)DSP作为主控芯片。与MCS51和96系列等单片机相比，F2812具有以下几个方面的显著特点： 资源丰富1) 多达56个通用、双向的数字I/O引脚，使用这些I/O脚可以很方便的实现系统的液晶显示、键盘管理、输入开关量状态采集和开关量的输出控制。2) 两个事件管理器EVA和EVB，包含4个通用定时器，6个比较单元，6个捕获
12、单元，12路PWM输出电路10。定时器为A/D的等间隔采样提供时间参考，捕获单元可以实现信号频率的实时跟踪。3) 12位16通道模数转换模块(以下简称A/D模块)最快可实现在80ns内完成一个通道的转换，并且可对16个通道的转换顺序进行排序。4) 串行外设接口模块SPI可实现F2812和其它SPI接口芯片之间的数据交换11。5) 串行通信模块SCI和CAN控制器可实现F2812和PC机之间的数据交换。6) 可变周期的看门狗定时器和基于锁相环的时钟模块，提高了系统的适应性。7) 片内有18K字的RAM单元可以存放程序运行过程中的大量参数而无需外扩数据RAM，128K字FLASH空间为程序的前期开
13、发提供了方便。8) 具有硬件优先级的中断控制系统12。DSP内核将其中十二个中断级加以扩展，使每一个中断级可同时挂接八个外设中断源，使得DSP能够处理的外设硬件中断最高可达96个，具有很强的事务处理能力。 运算速度快，数据处理能力强1) F2812采用典型的哈佛总线结构，片内有六条独立、并行的数据和地址总线，极大地提高了系统的数据吞吐能力。2) 32位的累加器、32位的硬件乘法器和数据移位寄存器的结合能快速地完成复杂的数值运算。3) 精简的指令集系统，流水线的操作方式以及最快6.67ns的指令周期使得系统的运行速度特别快。 功耗低F2812采用高性能静态CMOS技术，内核电压仅为1.8V，I/
14、O口电压为3.3V，而且有多种低功耗模式，能充分降低系统功耗。由于F2812有运算速度快、数据处理能力强和资源丰富等其它单片机无可比拟的特点，本文采用F2812作为微机保护装置的主控芯片13。图2.1 DSP芯片的组成结构2.2 CAN总线技术CAN全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一14。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如:发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。在一个由CAN总线构成的单一网络中，理论上可
15、以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用Philips PCA82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使得实时测控变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。CAN是一种多主方式的串行通讯总线15，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到1OKm时，CAN仍可提供高达5KbiUs的数据传输速率。CAN能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等，最常用的就是双绞线，信号使用差分电压传送。两条信号线被称为“CAN
16、-H”和“CAN-L,静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”16。用CAN-H比CAN-L高表示逻辑O，称为“显性”，此时，通常电压值为:CAN-H-3.5V和CAN-L-1.5VCAN是一种具有高可靠性，支持分布式测试、实时控制的串行通信网络。CAN具有如下特性(1)方式灵活。可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从。(2)非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时向总线发送数据时，优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，这大大地节省了总线仲裁时间，在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪。(3)严格的错误检测和
17、界定。CAN通信协议的数据链路层的MAC子层具有严格的错误检测功能，包括监测、填充规则校验、帧校验、15位循环冗余码校验和应答校验。CAN的节点有能力识别永久性故障和暂时扰动，对错误做出界定，对己损报文进行标注，并自动最新发送，对故障计数大于255对时，节点被“脱离总线”，脱离总线状态不允许对总线有任何影响。(4)直接通讯距离最大可达lOkm，最高通讯速率可达1Mb/s，节点数可达110个，通信介质可以是双纹线，同轴电缆或光导纤维17。(5)可以点对点，点对多点及全局广播方式发送和接收数据。(6)全系统数据兼容，系统灵活。在CAN系统中，一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息。节点可在不要
18、求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下接到CAN网络中。在CAN网络中，可以确保报文同时被所有节点或没有节点接收。(7) CAN总线的实时性好。CAN协议规定以信息帧的方式按优先级的高低来传送信息，因此，,CAN总线的实时性好:一是信息帧短，不会因为连续长时间发送而影响其它节点访问总线;二是采用优先级仲裁，发生总线访问冲突时，优先级高的信息帧仍可继续发送，不像以太网那样，冲突的各节点均停下来，重新发送。(8)CAN总线测试系统成本低。CAN总线采用双绞线作为信号传输线，同时其对环境的要求不高，因此设计成本相对比较低。 3 系统整体设计3.1 系统的组成结构根据需求分析的结果，系统必须具
19、有4路模拟量输入、2路频率输入、2路开关量输入、4路开关量输出、SCI通信和CAN通信功能，同时还需要具有较大的存储器空间来存放数据和程序。故设计硬件部分由以下几个部分组成：TMS320F2812主控制芯片4路模数转换(ADC)信号处理电路2路频率捕捉（CAP）信号处理电路外扩存储器模块电路数字输入输出信号处理电路SCI通信驱动电路模块CAN通信驱动电路模块根据上位机的操作控制和功能要求，操作者可以设置灵活的调用各个子程序并使能所要采集的通道，故设计出远程故障诊断模块软件由以下几部分构成：系统主程序2)模数转换（ADC）数据采集处理子程序3）频率捕捉（CAP）计算处理子程序4）数字输入输出（D
20、IDO）处理子程序5）FFT变换子程序6）SCI通信子程序7）CAN通信子程序模拟量输入上位计算机开关量输出TMS320F2812开关量输入频率量输入SCISCI CAN图4.1 远程故障诊断前端模块系统的结构3.2 系统模块功能说明1)在系统的硬件设计部分，模块主要实现如下具体功能：（1）4路模数转换(ADC)信号处理电路该电路主要实现了对三种输入范围信号的调理工作，这三路信号分别是(-5v+5v、0v10v、4mA20mA),模块实现了对信号的二阶低通滤波、电压幅值调理，将模拟信号转换为TMS320F2812所能接收的0v3.3v电压。（2）2路频率捕捉（CAP）信号处理电路该电路实现了对
21、一周期性的模拟信号进行二阶低通滤波、过零比较转换为方波信号、电平转换到0v3.3v电压的功能。调理后的信号介入2812的CAP引脚用来进行频率的计算。（3）数字输入输出信号处理电路该模块实现了2路开关量输入、4路开关量输出的电平转换工作。（4）外扩存储器模块电路该电路为2812外扩了1M的存储空间。（5）SCI和CAN通信驱动电路模块该电路实现2812和上位机的通信联系。1)在系统的软件设计部分，模块主要实现如下具体功能：（1）系统主程序主程序主要完成接收上位机的控制命令，根据命令使能各功能模块进行数据采集。它是一个自循环程序。（2）模数转换（ADC）数据采集处理子程序该程序实现了根据控制命令
22、中设置的通道选择控制字格式，对模拟输入通道的多组合方式的采集和存储功能。（3）频率捕捉（CAP）计算处理子程序该程序完成了根据控制命令中设置的格式，对两路频率信号进行单独或顺序的捕捉计算功能（4）数字输入输出（DIDO）处理子程序该程序完成了根据控制命令中设置的通道格式，对输入开关量的采集和输出开关量的多方式设置功能（5）FFT变换子程序该程序完成将ADC模块采集进来的时域信号转变为频域信号的功能。（6）SCI和CAN通信程序该程序实现了故障诊断前端模块和上位机的通信功能。4 硬件设计 4.1 电源模块为了降低芯片功耗，TMS32OF2812采用双电源供电的方式，其中一路电源电压为+3.3v，
23、为GPIO，FLASH，ROM和ADC提供工作电压，另一路电源为+1.8V(或+1.9v)，为CPU内核提供能源18。电源方案一:两路电源分开设计，即单独设计+3.3V电源和+l.8V(+l.9V)电源电路，该方案的优点是两路电源可以分开调试，互不千扰，并能提供较大功率。缺点是电路复杂，成本高。电源方案二:采用Tl公司的双路输出电源芯片TPS767D318，TPS767D3xx系列电压调整器是Tl公司专门为DSP的应用系统开发的电源管理芯片，支持最大1A的输出电流并带有欠压复位输出功能和输出使能功能。TPS767D318的输入电压范围为2.710V，输出电压一路为3.3v，另一路为1.5v5.
24、5v可调，满足F2812的双电源要求。电路如下图所示 图5.1 系统电源电路图4.2 时钟模块时钟电路有两种方案可选择，一种是使用外部时钟源，即有源晶振。有源晶振的特点是不需要芯片内部振荡器，加上额定的电压就能输出规则的方波，缺点是输出波形只能是固定的两个电压值:低电平为0，高电平为输入电压，另外器件成本高19。有源晶振适用于对输入波形要求高的电路，以及没有内部振荡电路的控制器。另一种是使用DSP内部的振荡驱动电路，外接一个晶体和两个电容。其特点是使用芯片内部振荡电路，输出的波形为正弦波，波形幅度由控制器决定，不存在电压匹配的问题。但应注意，两个电容应选择晶体生产厂家推荐的容量值，且电容器误差
25、小。如果振荡频率较高，还要加上起振电阻由于F2812的时钟输入脚只能承受1.8V或1.9V的输入电压，而1.8/1.9V的有源晶振市场上较少，故本设计中采用第二种方案，用30MHz外部晶体TMS32OF2812提供图5.2 系统时钟电路图4.3 复位和监视模块复位电路采用Tl公司的专用复位芯片TPS3307-18。该芯片具有上电复位、手动复位和电源监控三项功能。电路见图4.3所示。上电复位电路保证系统在上电200ms后自动产生一个复位信号，使DSP进入正常的程序入口。手动复位的功能是当系统出现程序跑飞或需要系统重新初始化并运行时，按下复位按键产生复位信号，使DSP进入正常的程序入口20。电源监
26、控电路的作用是当系统电源电压出现波动时，电路给DSP系统提供复位信号，使系统程序重新初始化并运行，从而避免程序出现不可预知错误.TPS3307-18的第1脚(SENSEI脚)监控3.3V电源电压，当该电压低于2.93V时，芯片第5脚(RESET脚)会向DSP发出一个低电平复位信号。芯片第2脚(SENSEZ脚)监控1.8V电源电压，当该电压低于1.68V时，芯片第5脚会向DSP发出一个低电平复位信号。芯片第3脚(SENSE3脚)监控模拟电路部分3.3V电源电压，由于采用了电阻分压网络，当该电压低于2.5v时，芯片第5脚会向DSP发出一个低电平复位信号。图5.3 系统复位和电源监控电路图4.4 A
27、/D转换模块4.4.1 前端滤波电路模块设计模数转换模块ADC有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别服务于事件管理器A和B，两个独立的8通道模块也可以级联构成一个16通道模块。在进行数据采集时，由于现场环境的影响，常常会使输入的模拟信号中混有高频的噪声信号，这些信号对测试结果有较大的干扰，因此常采用滤波器，以获取特定频率范围的有效信号。滤波电路的基本功能就是只允许一定频率范围内的信号通过待腻子电路，而对不需要的频率分量则尽可能的加以抑制或消弱。按通带和阻带的频率范围可分为低通、高通、带通、带阻滤波电路。按有无源可分为无源滤波电路、有源滤波电路。按滤波的效果可分为一阶、二阶、三阶或更高
28、阶滤波。由于集成运放有一系列的优点，开环电压放大倍数很高，输入电阻大，输出电阻小等。因此，用工作在线性区的集成运放与RC网络可以组成性能更好的有源滤波电路。本系统采用二阶无限增益多路反馈低通滤波电路，它具有比一阶滤波电路更好的滤波效果，并且避免了二阶压控电压源低通滤波电路中易产生的自激振荡。系统中用到的放大器为LM324,该芯片集成了四个集成运放。电路图如图所示图5.4 模拟信号前端滤波电路图二阶无限增益多路反馈低通滤波电路的电路参数如下22Q=()令该低通滤波电路的上限截止频率f=5KHz,品质因数Q=0.707，放大倍数=1，取C1=0.1uF,C2=0.01uF，得RF=4.02K，R2
29、=252，根据标准的电阻值取RF=4K，R2=250，再次带入以上公式得出上限截止频率和品质因数分别为f=5.04KHzQ=0.697基本满足系统的滤波要求，为了满足集成运放正负输入端平衡，要求R3=()得R3=222，取R3=2204.4.2 -5V5V输入通道硬件电路设计该路信号的处理电路如下图所示图5.5 -5V+5V模拟信号滤波调理电路图放大器选择了LM324，该系列器件为价格便宜的带有差动输入的四运算放大器23。它可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流约为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。-5
30、V5V的信号首先经过第一集运算放大器放有源滤波、抬高电平后变为0V-10V的电信号，再经过第二级比例运算电路将电压转换为0V3.3V，第二级比例运放的放大倍数为,故选择R6为3K,R5为10K。4.4.3 0V10V输入通道硬件电路设计该电路的第一级为增益为1的二阶无限增益多路反馈，它将0V10V输入的信号进行5KHz低通滤波、反相后变为0V-10V，0V-10V信号再经过第二级比例缩放后变为系统所能接收的0V3V信号。第二级比例运放的放大倍数为,故选择R20为3K,R19为10K。该路信号的处理电路如下图所示图5.6 0V10V模拟信号滤波调理电路图4.4.4 420mA输入通道硬件电路设计
31、该路信号的处理电路如下图所示图5.7 4mA20mA模拟信号滤波调理电路图该电路的第一级为增益为1的二阶无限增益多路反馈，首先将4mA20mA串接一个250的电阻，把4mA20mA变为1V5V,然后将它接入到一个0V5V输入通道转0V3V的信号调理电路，相当于检测1V5V电压。它将0V5V输入的信号进行5KHz低通滤波、反相后变为0V-5V，0V-5V信号再经过第二级比例缩放后变为系统所能接收的0V3V信号。第二级比例运放的放大倍数为故选择R28为3K,R27为5K。4.5 CAP频率计算模块CAP频率计算电路由滤波电路，过零比较电路，电平转换电路组成。电路图如下图所示图5.8 频率输入信号调
32、理电路图图中是信号首先经过5KHz低通滤波后进入电压比较器，电压比较器设置为滞后比较模式24，电压比较器将输入的周期信号变换为0V+5V的方波信号。输出的信号进入光电耦合器TLP181后被转换为0V3.3V的方波电压信号，这样用电压的跳变信号即可以出发CAP引脚锁存定时器信号，很据两次锁存的结果来计算被检测信号的周期和频率。4.6 数字输入模块在实际应用中，常常要采集各开关量的状态，这些状态量的采集主要是以光电耦合的方式输入25。其主要优点有：输入信号与输出信号在电气上完全隔离；抗干扰能力很强、无触点，无冲击，寿命长。可靠性高；响应速度快，易于外部逻辑电平配合使用。外部开关量输入的信号经过电阻
33、后，发光二极管导通发亮，并耦合光电三极管时期使其导通使其DSP引脚置高，反之，使其DSP引脚置低，从而实现开关量输入的电平转换，电路图如下图5.9 数字输入信号处理电路图4.7 数字输出模块由于DSP的I/O口电压是3.3V,不足以驱动外围电路，故采用了光电耦合器进行电平转换26。当DSP引脚为高电平时，发光二极管导通发亮，并耦合光电三极管时期使其导通使外部输出引脚DO置高，反之，外部DO引脚置低，从而实现开关量输出的电平转换，电路图如下图5.10 数字输出信号处理电路图4.8 SCI串行通信模块图给出TMS320F2812的SCI串行通讯接口电路。由于SCI的输刀输出为03.3V且为正逻辑，
34、而RS-232为-12+12V且为负逻辑，因此需采用芯片MAX232进行串行通讯的电平及逻辑转换。MAX232芯片功耗低，集成度高，十5V供电27，具有两个接收和发送通道。本设计系统采用了一个二极管(1N4007)和三个电阻进行MAX232与TMS320LF2407之间的5V与3.3V的电平转换。整个接口电路简单，可靠性高使用该接口可以使节点在无需连接网络的情况下，单独进行节点间互连关系的上传和下载，同时也可以当作调试的接口。图5.11 SCI串行处理电路图4.9 CAN通信模块TMS320F2812集成了一个完整的CAN控制器，系统设计不必外加CAN控制器来实现CAN总线的底层协议。CAN收
35、发器选用TI公司生产的具有多种保护和抗干扰能力的SN65HVD230差动驱动器作为总线接口，并将其8脚接地选择高速工作方式。在传输线两端并联两个120的匹配电阻，以克服长线效应，减小通讯介质中信号的反射。SN65HVD231对CAN总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。其中TXD和RXD引脚是芯片和CAN控制器的连接引脚，由于本文采用的是TMS320F28122芯片(内嵌CAN模块)，所以TXD引脚接2812的GPIOF6,RXD引脚接2812GPIOF7,Vref为参考电压输出，按照芯片要求该引脚的输入电压应该介于0.4Vcc和0.6Vcc之间，作为输出电压的参考。引脚Rs主
36、要控制芯片的工作模SN65HVD230主要有三中工作模式:高速模式，待机模式，斜率控制模式28。在综合分析了SN65HVD231芯片的功能以后，按照不同的要求，采用了两种工作模式，斜率模式通常用在低速模式，并且没有使用屏蔽电缆的情况，在这种情况下，不需要加光祸。而如果选择工作在高速模式时，则需要采用光祸，并且需要屏蔽电缆。考虑到系统的可靠性，在本系统中采用Agilent公司的HCPL0631双路光电耦合芯片一来对的要求。应用CAN收发信号进行隔离。HCPL0630为lOM高速光藕完全可以满足本系统SN65HVD231收发芯片和HCPL0631组成CAN信息收发电路如图所示。图5.12 CAN通
37、信处理电路图4.10 外扩存储器模块F2812内部己经集成了18K字节的RAM，对于一般的应用来说，这部分RAM己经够用了，不需要再扩展外部RAM。因为这部分RAM能以150MIPS的速度进行访问，所以该18K字节的RAM是非常宝贵的29。在对运算速度要求很高的处理程序中，通常将经常访问的程序段读入内部RAM再运行，这样能大大提高运行速度F2812内部集成了128K字节的FLASH程序存储器，但FLASH的烧写次数总是有限的，并且烧写的速度慢，操作麻烦，在开发阶段常将应用程序通过仿真器存放在RAM中运行，在这种情况下，扩展外部RAM来存放程序代码和数据是非常必要的。TMS320F2812的外部
38、存储器接口包括:19位地址线、16位数据线、3个片选线及读/写控制线。这3个片选线映射到5个外部存储区域，Zone0、1、2、6和7。其中，Zone0和1共用1个片选线XZCS0AND1，Zone6和7共用1个片选线XZCS6AND7。F2812有1056K16bit的外部存储器直接接口能力，各个区间对应的地址范围如下:Zone0存储区域(0x0020000x003FFF，8K16bit)、Zone1存储区域(0x0040000x005FFF，8Kx16bit)、Zone2存储区域(0x0800000x0FFFFF，512l6bit)、Zone6存储区域(0x1000000xl7FFFF，51
39、2K16bit)、Zone7存储区域(0x3FC0000x3FFFFF，16K16bit)本设计外扩的存储器芯片选用了工ISSI公司的工IS6Llv51216，存储容量为512K16bit，3.3V的供电电压，访问速度有5ns，10ns，12ns可选择。当CPU运行在150MHz的时候，地址和数据的最小有效时间为3个时钟周期，即约为2Ons，所以该存储器接口不用考虑时序设计的问题。接口电路见图4.4。存储器地址范围为Ox1000000xl7FFFF，和0x0800000x0FFFFF。当要写入数据时:WE、OE、CE都为低电平时，I/O口数据写入AOA18所指地址空间内。当要读出数据时:OE、
40、CE为低电平，WE为高电平，AOA18所指地址空间数据写入I/O口。在系统仿真调试时可以分配为程序空间、数据空间。调试完成后因为程序需要烧写入F2812自带的FLASH空间(0x3D80000x3F7FFFF)，所以扩展的存储器空间可以完全分配给数据空间。电路图如图所示第59页 共58页图5.13 ZONE6区域外扩512KRAM电路图图5.14 ZONE6区域外扩512KRAM电路图5 软件设计5.1 软件编译环境CCS介绍该系统选用的DSP器件为Tl公司的TMSS320F2812DSP处理器，选用合适的开发工具便可以调试DSP系统的硬件和软件30。DSP必备的开发工具包括:(1)AsM/L
41、INK:汇编/链接器。(2)JTAG硬件仿真器:可以完全透明地访问DSP的所有资源而不占用用户任何资源。Tl公司为其系列DSP设计的系统级调试专用硬件仿真器为XDS510，由该公司正式认证的国内第三方合作伙伴也能提供，只要能够与XDS5lO兼容即可。(3)Debuger调试环境:与硬件仿真器配合使用，能访问DSP系统的所有资源。本文的所有程序都是在合众达公司SEED一XDSUSBZ.0仿真器，在合众达公司提供的F2812实验板上调试完成的。在系统上安装好代码编译器软件之后，桌面上出现“SetupCCS2C2000”和“CCSC20O0”两个快捷方式，前者用来对该编译器的运行环境进行配置，后者打
42、开为程序调试仿真环境。在保证仿真器和实验板之间连结正确后，给实验板供电。首先在“SetupCCS2C2000”中为实验板配置正确的硬件仿真器，其他选项使用缺省设置，再保存退出。然后双击CCS2C2O00快捷键即可进入如图所示的集成调试环境。在该环境中创建一个工程，然后添加所需文件，如果程序没有错误，汇编连接后会生成一个可执行的.out文件，名字与工程名相同。将生成的.out文件装载到实验板上，就可以对程序在线调试了。图6.1 CCS主界面5.2 系统主程序系统主程序主要用来执行接收上位机的控制命令，使能对各种功能的调用，选择被测的通道信号，选通SCI或CAN总线的方式发送所选择的通道数据。主程
43、序是一个循环程序，首先在系统开机以后完成初始化程序，分别初始化系统控制寄存器和各个功能模块寄存器，设置基本的功能，然后进入等待控制命令流程。在该程序段采用了while语句，循环体语句是一个空语句,当检测到SCI接收标志位为1时，开始读取上位机传来的控制命令。上位机传来的命令为5个字，在读取控制命令程序段中设置functioncontrl功能控制字、channelcontrl1通道选择控制字1、channelcontrl2通道选择控制字2、frequencycontrlH采样频率高8位、frequencycontrlL采样频率低8位。对相应的位置1将使能该功能或通道。各控制字的格式如下保留CAN
44、SCIFFTADCCAPDI/DO7 6 5 4 3 2 1 0 图6.2 functioncontrl功能控制字格式位5 CAN发送使能位位4 SCI发送使能位位3 FFT变换使能位位2 ADC采样使能位位1 CAP频率计算使能位位0 DI/DO使能位保留CAP2CAP1ADC4ADC3ADC2ADC17 6 5 4 3 2 1 0 图6.3 channelcontrl1通道选择控制字格式位5 频率输入通道2使能位位4 频率输入通道1使能位位3 模拟输入通道4使能位位2 模拟输入通道3使能位位1 模拟输入通道2使能位位0 模拟输入通道1使能位保留DI2DI1DO4DO3DO2DO1 7 6
45、5 4 3 2 1 0 图6.4 channelcontrl2通道选择控制字位5 数字输入通道2使能位位4 数字输入通道1使能位位3 数字输出通道4使能位位2 数字输出通道3使能位位1 数字输出通道2使能位位0 数字输出通道1使能位采样频率字高8位7 0图6.5 frequencycontrlH采样频率高八位采样频率字低8位7 0图6.6 frequencycontrlL采样频率低八位位15至位8为采样频率高八位，位7至0为采样频率低八位，采样频率共有216种选择。读取完控制命令后,程序将设置各功能标志变量：io_enable,cap_enable,adc_enable,fft_enable,
46、sci_enable,can_enable;/功能使能标志A1,A2,A3,A4,CAP1S,CAP2S;/通道使能标志DO1,DO2,DO3,DO4;程序将按照命令中设置的方式进行功能子函数的选择性调用，如下图所示，首先检测该功能的使能位是否为1，若为1则调用此功能函数，若为0则跳过此函数，进入下一个功能函数的检测调用，一直进行到最后一个函数。当主程序检测完最后一个程序后回到等待接收控制命令字的程序段，如果有新的控制命令传来，则模块就会按照新的设定的工作方式向上位机发送数据，否则就会一直等待命令，或关机停止。系统主程序如下图6.7所示。图6.7 系统工作主程序5.3 初始化程序初始化程序主要用来执行系统开始工作之前的一些最基本的设置，以保证系统的正常工作。在系统控制初始化程序中设置了系统的工作时钟频率，中断的使能。在I/O数字输入输出初始化部分选择了用