列車無線振動(dòng)測(cè)試儀中DSP與AD的接口設(shè)計(jì)

李 玲, 李德維

（1. 四川郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川成都 610067； 2. 中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院， 四川成都 610021）

0 引言

列車在運(yùn)行中，總是伴隨著振動(dòng)的產(chǎn)生，振動(dòng)信號(hào)中蘊(yùn)含了豐富的列車運(yùn)行狀態(tài)信息，因此列車振動(dòng)監(jiān)測(cè)能及時(shí)客觀地反映列車的運(yùn)行狀態(tài)。列車無線振動(dòng)測(cè)試儀利用高速DSP和高性能振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集列車振動(dòng)信號(hào)，在線處理數(shù)據(jù)并將得到的列車的平穩(wěn)性及舒適度指標(biāo)利用藍(lán)牙無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。該測(cè)試儀能夠準(zhǔn)確、快速、方便、在線得到列車運(yùn)行過程中的多項(xiàng)振動(dòng)性能指標(biāo)，為保障行車安全提供有效的依據(jù)。列車無線振動(dòng)測(cè)試儀中振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是保證準(zhǔn)確、有效地得到各項(xiàng)列車振動(dòng)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)，只有保證采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，后期的數(shù)據(jù)分析處理以及各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算才是有意義的。

本文設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F2812 DSP和AD73360的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠高速、實(shí)時(shí)采集列車振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行在線分析，為列車的危險(xiǎn)預(yù)報(bào)、故障診斷、性能指標(biāo)分析等提供有效的依據(jù)。

1 硬件設(shè)計(jì)

AD73360是AD公司推出的6通道16位可編程A/D轉(zhuǎn)換器。其主要特點(diǎn)是具有6個(gè)16位的采用∑-△原理的AD轉(zhuǎn)換器，每個(gè)通道均采取同步采樣以確保通道之問不存在時(shí)間延遲。每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道由程控放大器、高速采樣的A/D調(diào)制器、抽取數(shù)字濾波器組成。放大器增益、采樣率、抗混疊數(shù)字濾波器的截止頻率均可編程設(shè)置[1]。AD73360的SPORT是16位的同步串行口，通過6條通信線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向同步通信。

TMS320F2812是TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP芯片，工作頻率在150MHz，尤其是適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)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(jìn)行配置，使用方便。尤其可貴的是用2個(gè)16級(jí)、32位的FIFO代替DMA(直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ))方式，使得其與以往的DSP芯片相比，在與AD73360進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中可節(jié)省大量時(shí)間以用于內(nèi)部數(shù)據(jù)處理[2]。

TMS320F2812 DSP和AD73360的硬件接口如圖1所示。AD73360的輸入時(shí)鐘從MCLK引腳輸入，分頻后產(chǎn)生DMCLK(內(nèi)部主時(shí)鐘)，由DMCLK再進(jìn)行分頻形成串口時(shí)鐘信號(hào)SCLK（分頻系數(shù)由軟件設(shè)置），輸出至DSP。AD73360的2個(gè)幀同步信號(hào)接成幀同步返回環(huán)方式，即輸出的幀同步SDOFS作為輸入幀同步SDIFS，同時(shí)連接DSP的接收和發(fā)送幀同步引腳，作為McBSP收/發(fā)數(shù)據(jù)的幀同步信號(hào)。AD73360的串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳分別與McBSP的發(fā)送/接收引腳相連。AD73360的串口使能和復(fù)位引腳與DSP的通用I/O口GPIOA3相連，用于使能及復(fù)位AD。

圖1 AD73360與DSP的硬件接口圖

2 軟件設(shè)計(jì)

考慮到應(yīng)用系統(tǒng)軟件的可移植性和可讀性，DSP軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，使用TI公司的CCS編程環(huán)境。程序設(shè)計(jì)分為主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序主要負(fù)責(zé)DSP、McBSP、McBSP FIFO和AD73360的初始化和相關(guān)配置。中斷服務(wù)子程序則完成數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)的。

McbspRegs.SPCR2.all=0x0;

McbspRegs.SPCR1.all=0x0;

McbspRegs.RCR2.all=0x0;

McbspRegs.RCR1.all=0x0;

McbspRegs.XCR2.all=0x40;//發(fā)送控制寄存器,發(fā)送字長(zhǎng)為16位，單相位幀，每幀1個(gè)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(kuò)展模式，首先傳輸數(shù)據(jù)高位

McbspRegs.RCR2.bit.RDATDLY=01;//接收數(shù)據(jù)延時(shí)1位

McbspRegs.XCR2.bit.XCOMPAND=00;//發(fā)送無壓縮擴(kuò)展模式，首先傳輸數(shù)據(jù)高位

McbspRegs.XCR2.bit.XDATDLY=01;//發(fā)送數(shù)據(jù)延時(shí)1位

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

McbspRegs.XCR1.bit.XWDLEN1=2;//發(fā)送字長(zhǎng)16位

McbspRegs.SPCR2.bit.XRST=1;//發(fā)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(dāng)FIFO中有3個(gè)字時(shí)產(chǎn)生中斷

McbspRegs.MFFTX.bit.MFFENA=1;//開TX中斷

McbspRegs.MFFRX.bit.INT_CLR=1;//清除中斷標(biāo)志位

McbspRegs.MFFTX.bit.XRESET=1;//發(fā)送使能

McbspRegs.MFFRX.bit.RRESET=1;//接收使能

2.3 AD73360的初始化

AD73360有8個(gè)可編程控制寄存器，向這8個(gè)控制寄存器寫入8個(gè)相應(yīng)的控制字，可方便地對(duì)ADC的增益、采樣頻率和通道數(shù)進(jìn)行設(shè)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(jìn)入數(shù)據(jù)模式，準(zhǔn)備發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。

GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA3=1;//RESET和SE賦高電平，AD73360串口使能，復(fù)位結(jié)束，串口進(jìn)入編程模式，準(zhǔn)備接收8個(gè)控制字

當(dāng)寫入最后一個(gè)控制字后，AD73360進(jìn)入數(shù)據(jù)模式，開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)AD73360轉(zhuǎn)換完數(shù)據(jù)后，通過串口線向DSP依次發(fā)送1到6路的AD轉(zhuǎn)換信號(hào)，DSP將接收到的數(shù)據(jù)放入FIFO中。當(dāng)FIFO中接收的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)生中斷，DSP進(jìn)入中斷服務(wù)程序，取出采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1Hz正弦電壓信號(hào)，利用TMS320F2812 DSP和AD73360組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，采樣頻率250Hz，對(duì)一個(gè)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠無失真地將1 Hz連續(xù)的正弦電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成均勻的離散采樣點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)證明，通過調(diào)整寫入AD73360的控制字，可以改變系統(tǒng)的采樣頻率，最高采樣頻率可達(dá)64kHz。

圖2 1Hz正弦信號(hào)采樣結(jié)果

圖3 1Hz正弦信號(hào)采樣局部放大圖

利用該數(shù)采系統(tǒng)采集高速列車的振動(dòng)信號(hào)，并結(jié)合列車振動(dòng)平穩(wěn)性和舒適性計(jì)算方法開發(fā)的列車無線振動(dòng)測(cè)量?jī)x已經(jīng)用于CRH2型動(dòng)車組車廂內(nèi)振動(dòng)情況的測(cè)試。實(shí)踐證明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速、方便地采集列車運(yùn)行中的振動(dòng)數(shù)據(jù)，為保障行車安全提供有效的依據(jù)。

4 結(jié)論

TMS320F2812 DSP和AD73360組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于列車振動(dòng)測(cè)試，有以下優(yōu)勢(shì)：

(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(dòng)信號(hào)采集的同時(shí)還留有余地，增加適合的傳感器則可用剩下的3個(gè)通道采集列車的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，便于列車綜合舒適度的計(jì)算。同時(shí)，AD73360還可級(jí)聯(lián)使用，最多可級(jí)聯(lián)8個(gè)，則最多可以同時(shí)提供48個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道。

(b)DSP具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，特別是數(shù)字信號(hào)處理能力。對(duì)后期數(shù)據(jù)的分析處理，得到準(zhǔn)確、可靠的列車振動(dòng)性能指標(biāo)非常有利。

(c)DSP自帶FIFO功能，使得中斷方式讀取數(shù)據(jù)時(shí)一次可讀取多個(gè)數(shù)據(jù)，不必頻繁地進(jìn)入中斷程序，節(jié)省的時(shí)間可用于大數(shù)據(jù)量的運(yùn)算如FFT。

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