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. 中國測試技術(shù)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(chǎn)生，振動信號中蘊含了豐富的列車運行狀態(tài)信息，因此列車振動監(jiān)測能及時客觀地反映列車的運行狀態(tài)。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(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)。該測試儀能夠準(zhǔn)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(biāo)，為保障行車安全提供有效的依據(jù)。列車無線振動測試儀中振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是保證準(zhǔn)確、有效地得到各項列車振動性能指標(biāo)的基礎(chǔ)，只有保證采集到的振動數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，后期的數(shù)據(jù)分析處理以及各項指標(biāo)的計算才是有意義的。

本文設(shè)計了一種基于TMS320F2812 DSP和AD73360的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠高速、實時采集列車振動信號，并進(jìn)行在線分析，為列車的危險預(yù)報、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

AD73360是AD公司推出的6通道16位可編程A/D轉(zhuǎn)換器。其主要特點是具有6個16位的采用∑-△原理的AD轉(zhuǎn)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(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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中可節(jié)省大量時間以用于內(nèi)部數(shù)據(jù)處理[2]。

TMS320F2812 DSP和AD73360的硬件接口如圖1所示。AD73360的輸入時鐘從MCLK引腳輸入，分頻后產(chǎn)生DMCLK(內(nèi)部主時鐘)，由DMCLK再進(jìn)行分頻形成串口時鐘信號SCLK（分頻系數(shù)由軟件設(shè)置），輸出至DSP。AD73360的2個幀同步信號接成幀同步返回環(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。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

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語言進(jìn)行編寫，使用TI公司的CCS編程環(huán)境。程序設(shè)計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(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1位

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

McbspRegs.XCR1.bit.XWDLEN1=2;//發(fā)送字長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個字時產(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個可編程控制寄存器，向這8個控制寄存器寫入8個相應(yīng)的控制字，可方便地對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個控制字

當(dāng)寫入最后一個控制字后，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，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)個數(shù)達(dá)到設(shè)定值時，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 實驗結(jié)果

在實驗室，用信號發(fā)生器產(chǎn)生1Hz正弦電壓信號，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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠無失真地將1 Hz連續(xù)的正弦電壓信號轉(zhuǎn)換成均勻的離散采樣點，實現(xiàn)了電信號的A/D轉(zhuǎn)換。實驗證明，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正弦信號采樣結(jié)果

圖3 1Hz正弦信號采樣局部放大圖

利用該數(shù)采系統(tǒng)采集高速列車的振動信號，并結(jié)合列車振動平穩(wěn)性和舒適性計算方法開發(fā)的列車無線振動測量儀已經(jīng)用于CRH2型動車組車廂內(nèi)振動情況的測試。實踐證明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速、方便地采集列車運行中的振動數(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)用于列車振動測試，有以下優(yōu)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(shù)據(jù)，便于列車綜合舒適度的計算。同時，AD73360還可級聯(lián)使用，最多可級聯(lián)8個，則最多可以同時提供48個A/D轉(zhuǎn)換通道。

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

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

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