DSP振动数据采集与高速无线传输系统研究_图文

西南交通大学 硕士学位论文 DSP振动数据采集与高速无线传输系统研究 姓名:张学川 申请学位级别:硕士 专业:信号与信息处理 指导教师:周文祥 20080607

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摘要
在很多高腐蚀性或其他高危、特殊环境,无线数据传输相对有线传输有独 特的优势。基于DSP的数据采集系统,具有结构简单、高速、省电等优点,因 此研究高速无线接口的DSP数据采集系统具有重要的应用价值。 对于商业运营的高速动车组,其振动性能的在线跟踪检测是一项保证其安 全的重要工作,检测系统包括多个传感器与由电池供电的DSP数据采集器,均 安装在车体外部,检测人员携带数据终端处于车体内部,车体内外的布线会严 重影响车体的气密性和干扰乘客,因此数据传输必须采用高速无线通信。


论文针对动车组振动测试需要,根据列车动力学测试标准以及对振动测试 的相关要求,确定了振动测试仪的功能指标,设计了系统的总体方案,设计、 制作了应用高速无线接口的以TMS320F2812为核心的数据采集系统电路。并完 成了系统软件的设计、编写和调试。 调试工作。实验结果表明: 1、采集系统应用百米蓝牙模块,视距传输可达到100米,如用采用基于
PDA/智能手机的数据终端传输距离可到达10米。


面向动车组应用的数据采集与无线传输系统已完成软硬件的设计、制作和

2、高速RS232接口可以实现460800bps的数据传输速率,打破了传统232 接口的速度限制,系统采集时连续稳定传输速率为34kbps。 3、研制的DSP数据采集系统实现了8路通道模拟输入,16位高精度AD
转换,采样频率为1.OkHz。

4、数据采集系统实现了低功耗,工作电压/电流:5V/500mA,采用电池供 电,提高了系统便携性。 系统性能指标能确保完成动车组振动测试,并且由于其通道数、采样频率 以及无线传输速率指标均能达到很多振动参数测试场合的要求,因此可以推广
到更多的数据采集应用场合。

关键词:数据采集;DSP;蓝牙

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Abstract

In

many applications,wireless

data transmission possesses



huge

advantage and

relative to the traditional wired mode.At the same time,DSP Data Acquisition System has great advantages of high speed,low Power consumption simple

structure and SO on.Therefore,the research and development of DSP Vibration

Data Acquisition System with

hi曲-speed wireless important

Interface becomes

important.

-Vibration

Detection is



very

work for the High?-Speed Trains which Testing System including the
testers

have already been put into operation.The

Vibration

senSOrs and DSP Vibration Data Acquisition Box are under the train.But the
with receiving terminal
on

notebook have

tO

stay in the

train,Wiring

detection will

affect the air tightness of the train wireless transmission is needed.

and

affect the passengers.So the

High-Speed

Papers face to EMUs vibration test needs,according to the train dynamics testing

standards and

and

the

requirements

of the

vibration test,determine

the

functional

technical index of the Vibration Measurement,together、衍th the

integrated Design of the

system.Design and produce
system circuit with the

the

High?Speed

wkeless

transmission

data acquisition

core

of TMS320F2812.

According to the application debugging of the SOftware.

requirements,complete

the designing,compiling and

CRH application—oriented data acquisition and wireless

transmission

system

has finished the hardware and software design,production and work.The Experimental results indicate that:

commissioning

1.The Data Acquisition System with 100 meters Bluetooth module,can reach 100 meters line-of-sight
can

transmission,If we

use

PDA data

terminal

transmission

distance

reach 10 meters
can

2.High-speed RS232 interfaces

achieve 460800bps data rates,braked


the

traditional 232 speed limit.The system has 3.System with 8

stable transfer rate of 34 kbps

analog

input channels

Call

complete

16-bit hi【gh—precision AD

conversion;sampling Ijrequency is lkHz;

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4.System achieves the low power consumption,voltage/current:5V/500mA.It’S possible to
use

battery and improve the system
call

portability.
test,and
because of its channels,
can

.The system

complete the EMUs vibration

sampling frequency vibration parameters

and

wireless transmission rate indicators
can

achieve many more data

testing requirements,it

be

extended to

acquisition applications.

Key words:Data Acquisition:DSP;Bluetooth

西南交通大学 学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。

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学位论文作者签名:匆障,tJf
日期:2口护矿.石./7

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西南交通大学学位论文创新性声明
本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本学位论文的主要创新点如下:

采用DSP技术,配合高速无线数据传输,基本解决了动车组动力学参数跟 踪测试中,检测人员及数据终端在密闭加压的车箱内,而检测传感器和数据采 集器均安装在车体下方的转向架,车下到车上的电缆布线问题。使得在商业运 行的动车组上,一个小时实现传感器安装,在振动测试的同时对乘客无影响。

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第1章绪



1.1选题背景及意义
列车振动参数测试是指针对列车在行驶过程中列车匀速度行驶时的横、 纵、垂向的振动参数进行数据采集分析,检测列车行驶的状态,确保列车安全 行驶。 中国铁路已经逐渐跨入以“高速客运、重载货运’’为特征的新时代。近年 来,我国铁路经历了六次大规模提速,.第六次大提速以后,时速120公里及以
上线路总延展里程达到2.2万公里,时速200公里及以上的线路延展里程共计’

6003公里。时速250公里的线路延展里程共计846公里‰我国铁路新型高速
列车研究、试验及运行工作的大面积展开,对列车运行安全性和舒适性提出了 越来越高的要求:既要保证高速列车不倾覆、不脱轨,又要保证机车车辆运行 平稳、舒适。因此,列车的振动性能,包括舒适性或平稳性的检测与评价日益 成为新型列车研究、检验过程中的二项重要工作。 目前,国内外生产、制造振动测试仪的公司非常多,产品也很多,但是专 门应用于列车振动测试的几乎没有,这些振动测试仪在通道数目或量程尚不能 满足列车振动的测试要求。 为此国内有多家单位开展了研制工作,例如,同济大学和青岛四方车辆研
究所合作研制了基于虚拟仪器技术开发的便携式铁道车辆平稳性测量仪D1,它

采用National Instruments公司的Lab VIEW软件、SCXl设备以及笔记本电脑 构造了一个应用于现场测试的平稳性指标测试系统。此测量仪采用Lab 成本较高,而且牺牲了系统的便携性能。
浙江理工大学设计了基于DSP的铁道车辆平稳性测量仪圆,它采用
VIEW

构件系统,它利用计算机系统的强度功能,结合相应的数据采集卡完成采集,

TMS230C32浮点DSP芯及89C51单片机双核处理器对采集数据作控制分析,并 用LcD作显示终端。此设计虽然通过采用双CPU实现了指标实时计算,但只能 完成单通道采集,而且由于采用14位AD转换芯片和电容式伺服加速度传感器 导致采集精度不够高。 此外,上述设计都采用的有线传输方式,对于高速列车,检测人员在密闭
的车箱内,而振动检测包括车体下方的转向架、轴箱多处测点,车下到车上的

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电缆布线就成了很大的问题。而且,对已经投入运营的高速列车,检测布线因
为会严重影响车体的气密性,所以几乎是不可能的,即便可以也是非常不便的。

北方交通大学机电学院研制的无线便携式列车测振仪∞1,虽采用了无线传 输,但记录的数据通过最终IC卡下载至地面Pc机,由地面分析软件对原始数 据进行处理,无法实现实时监测和处理。 西南交通大学2007年设计了基于ZigBee无线网络技术的客车安全监测系 统H1,该系统以ZigBee无线网络技术为基础,对各个部件进行无线传感器网 络化设计,将客车上各个部件信息传输到控制中心。由于采用的ZigBee芯片 数据传输速率标称值为250kbps,在实际测试中连续稳定的传输速率为 125kbps。因此,为了满足大数据传输量的要求,只能在各测点分别进行发送, 这样影响到接收信号的同步性。此外,目前市面上的各种PC机,PDA等都不带
有ZigBee接口,不利于系统的推广应用。

因此针对高速列车振动性能检测实时性高,数据传输量大的特点,本设计 将DSP振动数据采集与高速无线传输系统应用于动车组振动参数测试,将测振 系统分为车内接收端+车下数据采集器两部分,二者之间采用高速无线接口连 接,解决布线难的问题。

1.2课题完成的主要工作
列车震动参数测试的目标就是能够实时检测出列车在运行中车体、转向架 构架以及轴箱各测点的振动加速度和相对位移,对列车运行状态进行监控。通 过对采集的车体部分振动参数进行运算和处理可以得到列车的平稳性和舒适 度指标。研究的主要内容如下:
1)研究了列车平稳性的评价标准和评价方法以及振动测试仪的相关要 求,确定测振仪的功能和技术指标,设计了系统的总体方案;

2)设计、制作以TMS320F2812为核心的数据采集电路。根据系统的应用 需求,完成了数据采集代码的编写; 3)测试比较了无线接口方案,分析了其特点和应用范围。编写了2812 无线通信控制协议; .4)对系统硬件j软件、通信分别调试后再联机调试,并对测试系统的精度
进行了分析。.

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第2章系统总体设计

2.1

评价标准
列车振动性能参数的测试包括了对于舒适度和平稳性的检测和评价,国际

标准化组织(1so)和国际铁路联盟(UIC)分别制定了相应的标准。1985年ISO 2631《振动和冲击对人的影响的评价准则》标准提出后,对人体受整体振动的 评估做出了广义的规定。基于铁路客车的特殊性,国际铁路联盟经多年努力,
在原有ERRl B153标准的基础上,又参考了ISO 2631的要求,于1994年正式 颁布了UIC 513《铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则》推荐标准。日本、德

国、美国和法国经过专门研究,特别是通过大量试验,在国际标准的基础上进 行了修订,制定了适合本国应用的具体方案,如德国Sperling平稳性指标、
日本的舒适度曲线等。

我国国家标准局和铁道部经过专门研究、通过大量地试验,制定了适用于 我国的标准。目前,我国对机车、车辆的平稳性评价试行标准分别是GB 5599-85 《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》和TB/T 2360-93《铁遭机车动 力学性能试验鉴定方法及评定标准》,目前正在对GB 5599-85进行修订。

2.1.1平稳性指标

根据GB 5599-85规范,车辆平稳性指标按下式计算旧:

形。7.08吲—A3F(f—)/f
为频率厂对应的修正系数(见表2—1)。
表2-1频率修正系数 垂向振动 横向振动

(2—1)

?式中A为振动加速度的最大值(单位:g),,为振动频率(单位:Hz);FI

I-_____●●-__--_-———-_————————_-____-___●__-__-_--—_●___-__—-__—_-__————_—_●—————-————————————————————一一一

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由计算公式可得垂向和横向的频率加权曲线F(f)/f如图2一l所示。



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100

图2-1平稳性指标频率加权曲线 实际运行中车辆的振动并不是单一的频率和不变的振动加速度,因此,要 从测得的加速度记录中,分出若干个不同频率组,找出每组的平均加速度,设
第i组按式(2—1)求出的平稳性指标为彬,则合成的平稳性指标按下式计算:

形。师而丽一痧
将式(2-1)代入式(2—2)得: 形一7.

协2)

式中,4为车体加速度经过频谱分析后在频率五时的振动加速度幅值。 根据TB/T2360—93规范,评定机车运行平稳性按下式计算:

形--0.896耐∑4f3F(正)/正 Y何
6B

(2—4)

5599—85推荐平稳性指标的计算步骤如下: 小段,共分为10个小段;

1.对车体加速度信号的频谱分析,以20秒信号为一分析段,以2秒为一 2.对每小段进行快速FFT变换得到小段信号的频谱,最终的频谱为10段 频谱的平均值; 3.根据最终频谱获得的4f和五代入公式(2—3)和(2—4)计算出车辆、 机车的平稳性指标,所记频谱的范围为0.5"---40Hz;
最终平稳性指标的评价等级如表2-2和2—3所示。

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表2-2车辆平稳性指标评定等级

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2.1.2加速度的计算方法
振动加速度的最大推断值A按下式计算:

4。互+幻
彳为试验加速度样本中所有峰值绝对值的统计平均值:

(2-5)

彳?专砉4
方差:

(2-6)

(2-7)

N为每一速度级各分析段的采样总点数。

2.1.3振动加速度获取.

机车、车辆的振动分为3个轴向:X轴是纵向、Y轴是横向、Z轴是垂直 方向。X方向的振动主要与机车的操纵、列车的启动、减速或紧急制动情况有 关,Y方向主要是列车通过曲线或道岔产生的离心力和振动,Z方向振动主要 与线路水平度或车辆减振器的状态有关。为了满足实际需求,得到准确的舒适 度和平稳性指标,所用的加速度传感器要满足一定的技术要求,并且对测得的

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所用的加速度传感器要符合下面的各项技术要求:

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加速度要进行处理,本系统传感器的选择指标采用GB 5599-85的相关要求。 1.自振频率:推荐使用下限频率从零开始,低频性能较好的惯性应变式 加速度传感器。所选加速度传感器的自振频率应为测量频率上限的5""10倍。 2.幅值非线性误差:在量程范围内的幅值非线性误差应小于2%。 3.灵敏度:应有适宜的灵敏度,其分辨率应达到0.0058,并与所配用的 二次仪表相适应,使在加速度测试范围内,传感器输出为二次仪表满量程的
30%~50%。

4.横向效应:加速度传感器在承受垂直于主轴方向(测试方向>的振动 时所获得的灵敏度为横向灵敏度和轴向灵敏度的比率,其值应小于5%。 5.稳定性:在环境温度不变的条件下,加速度传感器零点漂移每小时不 应超过其满量程的0.1%;在环境温度变化10℃时,传感器的零点漂移每小时 不超过其满量程的1%,传感器的灵敏度变化每小时不应超过1%。 6.幅频特性和相频特性:为使在较宽的频域内传感器的灵敏度保持线性, 其输出信号相对于输入信号的相位差也保持线性,兼具较好的幅频特性和相频


特性,传感器的阻尼比g(相对阻尼系数)应为O.6~O.7。’‘ 本系统选用的加速度传感器性能指标如下:
表2-4加速度传感器指标


?非线性误差:O.2%:

?横向效应:<5%:
位移传感器要满足如下要求:

1.位移传感器的灵敏度应满足弹簧动挠度的测量,其非线性误差应小于2%; 2.在使用电阻式位移传感器时,因测量桥路和传动系统所造成的失真度应小
于5%: 本系统位移传感器采用GEFRAN的PC-M-0130位移传感器: ●电压:12V

西南交通大学硕士研究生学位论文 ●行程:O---,130mm

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●独立线性度:±O.05%
●位移速度:5m/s ?防护等级:IP65

2.2系统实现方案设计
2.2.1系统要求

本系统包括对动车组平稳性参数测试。按照相应标准阳H蜘,列车测振仪主 要测试参数是车体、转向架构架、轴箱的振动加速度以及车体和构架之间、构 架和轴箱间的相对位移。鉴于检测人员在密闭的列车内,而振动检测包括车体 下方的转向架、轴箱多处测点。因此测振仪分成上位机接收控制系统+车下数 据采集采集两部分,两者之间采用无线接口连接,解决布线问题。为确保列车
测振仪能正常稳定的工作以下问题必须解决n小【I钔:

1.要确保数据采集系统的精度: 2.数据采集部分安装在车底,只能采用电池供电,因此系统功耗必须低: 3.系统要能适应复杂的实地检测环境; 4.为确保数据有效传输,无线传输必须有强抗干扰能力和足够的传输速率;

2.2.2系统功能及指标




1.采集通道:8路、16位同步高精度AD转换 2.系统接口:高速无线接口
3.工作电流:500mA
?

4.系统电源:5V直流(电池供电)

5.工作环境:车底转向架,温度一10℃~50℃、湿度50一--95%
6.防护等级:IP64

2.3系统结构设计
基于高速无线传输技术的数据采集系统由四部分组成:传感器、DSP振动

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数据采集部分、无线通信接口及上位机接收部分(图2—2)。其中,传感器用 于采集、获取模拟信号,DSP振动数据采集部分与上位机接收控制部分完全分 离,主要实现是对传感器输出的电信号进行采集、转换等功能,而无线通信部 分则是连接数据采集部分与上位机接收控制部分的媒介,主要实现数据编码.
打包、发送及控制信号传输等功能。
传感器 DSP数据采集器系统

线通信

产位机l

加 速

蹇. ≥ 位-
移 传 感 器

抗 混 滤
-J\ ——叫




口 ∽
-a






处 理 器



图2-2系统模块设计图

Z.3.1核心处理器
在检测和控制系统中,数据采集模块都是很重要的组成部分,通常要求能

对多通道进行并处理,具有较高的实时性并有一定的数据处理能力。传统的数 据采集处理模块多以单片机为中央处理器,结合外围的信号调理电路、A/D转 换电路以及控制电路来完成数据采集过程,难以适应高精度数据采集与处理的 要求。对于高精度,高速度的数据采集与处理系统,需要使用更高端的处理器。 但使用高端的处理器的数据采集系统组织较为复杂,开发周期长,而且由于其 指令的通用性,数字信号处理算法实现困难,对处理器的利用率不高。使用传 统的单片机难以满足该数据采集系统对于数据运算方面的要求。因此,本系统 采用DSP作为中央处理器。 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,其主要运用是实时快速地实现数字信号处理算法。根据数字信 号处理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特点口1:

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?专用的硬件乘法器,在一个指令周期内可完成一次乘加运算; (运算速度快,有利于我们设计复杂软件算法的实现) ?采用哈佛结构,使程序和数据空间分开,可独立同时访问指令和数据; 片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问; 具有低开销或无开销的循环及跳转指令的硬件支持;可以并行执行多 个操作支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 (确保了程序的运行速度,降低了时钟开销) 对于DSP芯片的选择髓¨,主要从运算速度、硬件资源、运算精度、芯片的 价格等方面考虑。本课题采用的TI公司2003年推出的TMS320F2812,此DSP 2003年样片推出,经过了试用期,现在已经比较成熟。其开发工具完备,购 买渠道畅通,价格低廉,是一款非常适合我们需要的控制芯片。
它具有以下特点:


主频达150MHz(时钟周期6.67ns);(可通过软件控制调整以适应系统功 低功耗设计;(可通过低功耗模式寄存器进行设置)

能及功耗要求)


◆Flash编程电压为3.3V。

◆高性能32位CPU: ?16X16位和32×32位的乘法累加操作;
?’16X

16位的双乘法累加器;

◆哈佛总线结构;

◆快速中断响应和处理能力;
◆统一寻址模式;

◆4MB的程序/数据寻址空间,可外扩IMB的寻址空间:.
◆高效的代码转换功能(支持C/C++和汇编): ◆串口通信外设:

?串行外设接口(SPI);(可用于温度采集芯片或其他功能模块接口) ?两个UART接口(SCI);(无线传输接口应用了此接口)
?多通道缓冲串口(McBSP);(A/D转换器接口)

2.3.2无线接口选择
目前无线通信技术主要有WiFi j HomeRF、IrDA和蓝牙技术等∞1。

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WiFi(IEEE802.1 lb)使用开放的2.4GHz频段,采用直接序列扩频,最大

数据传输速率为llMbps,无需直线传播。使用动态速率转换,当射频情况变 差时,可将数据传输速率降低为5。5Mbps、2blbps和1Mbps。新的IEEE802.1lg 传输速率可达54~fops,使用范围为视距300米。使用与以太网类似的连接协 议和数据包确认来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。 .HomeRF是IEEE802.11与DECT的结合,使用开放的2.4GHz频段。采用跳
频扩频(FHSS)技术。在新的HomeRF 2.X标准中,采用了宽带调频技术来增加

跳频带宽,跳频的速率也增加到75跳/秒,数据峰值达到lOMbps。



IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,是由红外线数据标准协 会制订的一种无线协议。现行的IrDA传输速率为最新VFIR的16Mbps。接收 角度为120度,中间就不能有阻挡物。并且其硬件及相应软件技术都已比较成
熟。

蓝牙(IEEE802.15)是一种开放性短距离无线通信技术标准。使用2.4GHz 频段,采用跳频扩频技术。以2.45GHz为中心频率,来得到79个1MHz带宽的 信道。新的蓝牙技术2.0传输速率达2M,跳频的速率为1500跳/秒,视距传 输可达100米。
表2-5无线通信协议比较

通过比较我们可以看出: IrDA:视距传输技术,在设备之间传输数据必须调整彼此位置与角度,中 间就不能有阻挡物,因而在复杂的工业数据采集环境下先天不足; HomeRF:抗干扰和传输距离方面弱于蓝牙,虽然传输速率较高,但由于技 术没有公开,目前只有几十家企业支持,因此没有广泛的应用前景; WiFi:传输距离长、速度快、组网方便,可以满足用户运行大量占用带宽 的网络操作,就像在有线局域网上一样。采用直接序列扩频技术,安全性略有
不足,软硬件实现较为复杂。

西南交通大学硕士研究生学位论文‘‘

第”页

代替电缆的技术,传输速度、距离适中,跳频的速率为1500跳/秒,因此抗干 扰性和安全性较好,而且接口应用广泛。 综上所述,本数据采集设备拟采用蓝牙无线通信方案。

2.3.3上位机接收处理程序
任何仪器的开发都需要一个人机界面与用户进行互动沟通,能够接收用户 的操作命令以及反馈结果供用户参考和处理。所以在DSP采集数据并通过高速 无线接口传输后,还需要一个人机界面软件来显示处理采集数据,以供用户分 析和处理,并且向采集系统发送用户的操作和命令。本系统采用的基于 Notebook开发的数据终端应用百米蓝牙,传输距离达到100米。如果采用基 于PDA/智能手机的数据终端,由于标配蓝牙为10米蓝牙,因此传输距离为10 米,主要实现功能如下:
?接收、?存储采集系统发送的数据;

?实时绘制振动参数变化曲线;. ?分析数据,计算、显示、保存平稳性指标;

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第3章系统硬件设计
3.1数据采集系统硬件设计
DSP振动数据采集系统硬件主要由电源模块、滤波模块、模数转换模块及 DSP处理器模块等组成,通过无线通信模块和上位机进行数据交换。系统硬件
原理图结构见图3-I。

图3-1数据采集系统硬件原理结构图

3.1.1电源模块设计
.电源是整个系统稳定工作的前提和保障,设计高效、稳定、低功耗的供电
系统对整个采集系统正常工作是非常重要的。 (1)电压要求:

在系统的设计中,TMS320F2812芯片是采用两种电压供电(图3-2),一种
是内核电源(1.8V),主要为该器件的内部逻辑提供电压,包括CPU和其它所有

的外设逻辑;一种是I/O电压(3.3V)。与3.3V供电相比,1.8V供电可以降低 功耗。外部接口引脚仍然采用3.3V电压,这样可以直接与外部低压器件相接,
而无需额外的电平转换电路。由于TMS320F2812的外部接口电源是+3.3 V,故

为了简化电路及提高电路板的性能,在其他器件的选择上,也尽量选择了+3.3 V器件。少数难以找至tJ+3.3V电源的器件,在不影响接口及功能的情况下,选

西南交通大学硕士研究生学位论文 和5V,以及位移传感器的12V。系统供电结构图如图3—3。

第1 3页

择T+5V器件。综合以上要求考虑,本测振系统需要的供电类型有:1.8V、3.3V

垤帕”均"垤"吩”

"讶”垤均 D D D ∞ ∞ ∞ "吣 性鲥 惯性幅惦幅性垤幅屿性垤惦峙"幅 S S S S S

图3-2
电池一

TMS320F2812供电引脚


l-:VDC,DC龇l

U’
7.5、,q3C,/DC模如


l位移传感器一 l


5V稳压 模块一.


5V稳压 模块一



3.3V稳压


I.8V8.3V

模蜘

稳压模块,


加速度传 感器一

0.
兀!AG


呲M,
蓝牙、


DSP苍

接口,

茂一

图3—3-系统供电结构图 (2)电流要求:

采集系统中,TMS320F2812的电流消耗主要取决于CPU的激活度,外设消 耗的电流决定于正在工作的外设及其速度,一般与CPU相比,外设消耗的电流 是比较小的。时钟电路也需要消耗一小部分电流,而且这部分电流是恒定的, 与CPU和外设的激活程度无关。外部接口引脚消耗的电流决定于外部输出的速 度和数量,以及在这些输出上的负载,本系统工作电流为500mR。

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第1 4页

根据每个工作模块的工作电压和电流,我们对系统采用分布式供电、分级 降压的方法,各级之间增加电阻散热,对不同模块采用独立的供电芯片西1。PCB 板原理图见图3-4。
?

图3-4系统供电PCB原理图 TI公司提供有两路输出的电源芯片,综合系统对电压和电流的具体要求,

硬件系统采用了T工公司的TPS767D318作为DC/DC转换芯片专门为DSP芯片供 电。其输入为+5V电压,输出一路+3.3V电压及一路+1.8V电压,电流最大输
出为1A。TPS767D318点其特性如下: ?相互独立的3.3V,1.8V双输出电压; ?最大输出电流:1A;
? ●

电流为1A时压降350mV 固定输出公差:2%;

●过激漏电流:85uA; ●瞬态响应; 对外设、传感器、通信等模块,选择的芯片分别为TPS76850、TPS76833, 得至U+5v、+3.3V电压。TPS768XX的电气特性如下:

●输入电压:2.7V~10V;
?最大输出电流:1A:

?工作温度:一40℃"--128℃;


固定输出公差:2%:

●过激漏电流:85uA, ?瞬态响应: ●过电保护;

西南交通大学硕士研究生学位论文 ?8引脚SOIC贴片封装。

第1 5页

同时,在实际测试应用中,采用2200mAh的电池供电,可持续采集4 小时以上,而动车组单程运行时间也通常在不超过4小时。通过对电池 加装遥控开关(遥控距离达i000米),在动车组测试中即使人在车内, 仍可方便的对电源进行控制,充分实现有效检测,确保在临时停车等情
况下对电池的节约。

3.1.2模拟量采集模块

3.1.2.1抗混淆滤波

在列车测振仪的数据采集过程中,不可避免地会有电气化铁路高压电力 。线、动车大功率脉冲电压和脉动电流对采集信号造成干扰。为了最大程度地抑 制或消除混叠现象对动态测控系统数据采集的影响,需要设置抗混叠滤波器。 常用的模拟低通滤波器有3种:
1.

巴特沃思滤波器:通带平坦,相位特性最好;7阶以上的截止特性和 阻带衰减率满足本系统抗混叠滤波器要求。

2.切比雪夫滤波器:.过渡带陡,但通带内有一定偏差,且相位特性差。
3.

贝塞尔滤波器:通带边缘过渡带最陡,但相位特性也最差。

故本系统选用MAX7480作为抗混叠滤波器,电路原理图如图3—5:

上■一了

’|{:l

一《卓 鹫 一唾卓 I二二i:J

l悄V
0.1lIF cAP

+孓蔓:{}{:蔓薹l毒基童!I.1I芦
.图3-5 HAX7480电路原理图 8阶巴特沃思低通滤波器

低噪声低失真:总谐波失真+噪音为-73dB
时钟可调转角频率:1Hz至U2kHz +5V单电源供电

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第1 6页

?低功耗:工作模式2.9mA,关断模式0.2u
●8脚SO/DIP封装



3.1.2.2

A/D转换模块

从ADC接口标准、通道数及精度、输入量程、转换速率、功耗、工作电压 以及开发难度等方面考虑,本系统选用Ti公司的ADS8361。ADS8361是一款采 样速率为500kSPS的16位双路模数转换器,该转换器具有4个全差分输入通 道,两两一对,以实现同步高速信号采集。采样保持放大器的输入端是全差分 的。这使该ADc具有卓越的共模抑制能力:在采样频率为50kHz时为80dB, 这在高噪声环境下非常重要。可通过多通道缓冲串行(McBSP)接口或串行外
设接口(SPI)和TMS320F2812相连(内部结构如图3—6所示)。

摹巴棚盟口懈^
氍啊‘乜O^,A●





CU爆

,10

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0a崂

图3-6ADS8361内部结构图 其特点如下: ?工作电压为5V ●2个16位同时转换器;

●4通道差分输入;
?每通道2us的吞吐能力;
?

四通道的吞吐能力为4us;

?低功耗:150mW,

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●提供内部参考电压。


第1 7页

ADS8361提供McBSP多通道缓冲串行接口,与F2812芯片的McBSP兼容, 可以非常方便的传输AD转换结果,连接方式如下D町(图3-7):
+摹V +3.3V

●3.列

图3-7

ADS8361同F2812硬件连接

.由于ADS8361提供差分输入,因此为了使采集系统具有更大灵活性,我们 在每一路通道的负输入端设置了跳线,当外部输入信号偏置电压较高时我们可 以直接将负输入端接地,当外部输入信号偏置电压较低时,我们可以将AD芯 片的参考电压作为信号偏置电压。ADS8361电路原理图见图3—8。

图3-8 ADS8361电路原理图

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3.1.3

第1 8页

DSP最小系统设计

DSP最小系统是指DSP能完成基本功能的系统,即上电后DSP能完成最简 单的数据运算。在硬件上它包括电源接口和时钟接口,只需要在DSP引脚上加 上相应的电源、时钟、工作模式设定及JTAG仿真接口n小n力。
1、电源电路设计:

,rMS320F2812工作电源分为I/O端口数字电源和内核数字电源两种。I/O 端口数字电源电压典型值为3.3V。当系统工作最高频率为135MHz时,内核数 字电源电压典型值为1.8V;当系统工作最高频率为150MHz时,内核数字电源 电压典型值为1.9V。具体设计在3.1.1电源模块设计部分已经详细阐述。
2、时钟电路设计

一般地,时钟电路产生的频率作为处理器的工作频率,但通常由于时钟电 路比较简单,处理器在高频工作时,高频的时钟线暴露在电路板上,很可能产 生电磁干扰,因此,通常采用频率较低的晶振器,在处理器上增加锁相环(PLL) 倍频电路,从而得到高频时钟。
‘TMS320F2812处理器上有基于PLL的时钟模块,且锁相环有4位倍频设

置位,通过设置锁相环控制寄存器可以为系统提供I--一10倍的时钟信号。本系 统正常工作的时钟主频为150姗z,因此,在外部提供30埘z的晶振器,锁相 环设置为10倍倍频,则CLKIN=(30M×i0)/2=150姗z。 3、JTAG接口 TMS320F2812配有IEEE标准的JTAG仿真接1:3[19]o为了能利用仿真器对DSP 进行调试,必须将DSP的仿真接口信号引到一个标准插座上,接线方法参考 JTAG信号定义,对应起来连接即可。所以采用了如图3-9所示的电路接法:
JPl

图3-9

JTAG仿真接口

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4、外扩RAM

第1 9页

由于系统在实时采样时需要记录很多的数据,TMS320F2812自带的存储空 间显得不足,还有SCI发送延时需要存储等因素,片上RAM空间不够,因此需
要扩展RAM。

在外扩存储器的选择的时候,主要考虑的因素:存取速度、存储容量、功

耗和价格。由于本系统SlⅫ最终采用选用高速低电压的工业级芯片
IS61LV25616AL(256KX

16bit’)作为系统的存储器件。读取最大时间12ns,

工作电压为3.3V,系统供电方便,最大偏置电流5mA,保证低散热量,提高了 系统的稳定性和长期工作的可能性。 存储器外部扩展接口比较简单。IS61LV25616AL的数据总线、地址总线分 别与CPU的数据、地址总线相连(电路图如图3一10);用XZCS2片选 IS6lLV25616AL,使XINTF映射到Zone2存储空间,当CPU访问空间的第一个 字时,地址总线产生Ox00000地址:当CPU访问空间的最后一个字时,地址总 线产生OxFFFFF地址;XWE和XRD分别控制IS61LV25616AL的写、读信号。 此外,IS61LV25616AL的高16位和低16位同时接地使能,以便映射32位数
据地址。

A0’ Al A2 A3, A4 A5 A6
A7 l 2 3 4 5 18 19 20 2l 22 23 24 25 26 27 42 43 44 28 17,、 A3

U2;
A0 A1
A2


100 7

l.:



D 0: Dl:

10l 102
103

8 9 10 13 14 15 16 29 30

D2
D3 D4 D 5= D6 D7 D8 D9

A4 A5 A6 A7 A8

104
105

106 107
108 109

A8 A9 A1口 A11 A12 A13 A14 A15
A16 A17 A18


A10 A1l A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18

IOl0
IOll 1012 1013 1014 1015

31 32 35 36 37 38

D10
D11: D12. D13; D14 D15

Vdd
GND

ll 34
,、

3.3V

WE
RD

BLE BHE CE

41:

WE
OE

: 40 T 1. :6 ZCS2 U {。:~…

39



■一㈡IS61LV25616:;:

图3-10 IS61LV25616AL与TMS320F2812连线图

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第20页

对于TMS320F2812的外部存储器接口包括: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,这5个存 储区域可以分别设置为不同的等待周期(如图3-Il所示)。当访问相应的存储 空间时,就会产生一个片选信号;另外,有的存储空间公用一个片选信号,如:

ZoneO和Zonel公用XZCS啪CSl;Zone6和Zone7公用XZCS㈣∞7。
提供,XTIMCLK可以等于SYSCLOCK或SYSCLOCK/2。

每个空间都可以独立地设置访问等待、选择、建立及保持时间,同时还可以使 用XREADY信号来控制外设的访问。外部接口的访问时钟频率由内部的XTIMCLK 在复位状态下,如果涮P/MC=O,DSP工作在微控制器模式,则Zone7被 屏蔽,使用片上存储器,中断向量表从Boot

ROM中获取;如果】(MP/脚=l,

DSP工作在微处理器模式,Zone7映射到高位置地址空间,中断向量表可以定

位在外部存储空间。此时,如果用户需要建立自己的引导程序,存放在外部空 间,可以使用Zone7空间进行程序的引导。引导成功后,通过软件使能内部的
ROM,以便可以访问存放在ROM中的数学表。



f。。。。。。。。。。一‘j。。?。‘。。‘。。一‘‘1——7L窒!!!.!!i!二.!!:.^. Ox0000-0000一塑麴下霉窒k一狸幽k, :、、广‘———一1/




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一一 ~一 l翌!垫呈!.!坚至!鱼! 一一 ~一
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● I

XDll下Zone0(8K×16)

X邛rI下Zone 2(512K×16)

XD盯陌Zone 6(512KX 16)

一一 一一 一一

X哪Zone7(8K×16)


XzcS一}

XWE XRD——

存储器外部接口框图

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第21页

3.2蓝牙通信接口硬件设计
在蓝牙技术实际应用中,主要有蓝牙芯片组和蓝牙模块两种形式:蓝牙芯 片组包括蓝牙射频模块、蓝牙基带芯片、存储Firn研are的Flash等,共同完 成蓝牙的无线通信和链路管理功能;蓝牙模块将射频、基带、链路管理器和 HcI层集成到了一块芯片上,通过RS-232,USB等总线接口实现HCI(主机控制 器接口)指令交换。因而在应用上,蓝牙模块比蓝牙芯片组更为方便,电路也 相对简单。 蓝牙芯片用于实现蓝牙射频和低层协议,从而为高层应用提供蓝牙的无线 数据和语音传输功能。在硬件实现上,不同厂商的蓝牙芯片产品所包含的功能 模块基本相同,主要有射频模块、微处理器、存储器、接口电路、语音处理电 路和电源管理与时钟电路等。射频模块是2.4GHz射频信号的收发单元;微处 理器通常由高性能的单片机构成,它是整个蓝牙芯片运转的核心,提供处理射 频信号、控制和协调各功能部件等功能;存储器包含了RoM(或者Flash等)和 RAM,前者包含了射频和基带各层协议,以及嵌入式的系统程序,称为 firmware(固件),’后者用于存储临时数据;微处理器和firmware一起构成了 整个蓝牙芯片的核心,称为蓝牙引擎:接口电路向外围设备和蓝牙主机提供各


种控制蓝牙芯片和与蓝牙芯片通信的接口,最常见的是RS-232,UART,USB 接口(这些都是HCI命令所支持的接口形式),还可能提供12C,SPI等其它接口 语音处理电路主要由语音编解码器组成,许多蓝牙芯片内部并没有集成语音编 解码器,因而在处理语音信号时需要外接语音编解码芯片。 无论是蓝牙基带控制器还是蓝牙模块,基本都集成了HCI层,并且将HCI 层的命令作为控制蓝牙芯片各种功能(查询、连接等)的唯一手段,高层应用也


需要使用HCI层的数据分组格式与蓝牙芯片进行相互通信。 蓝牙芯片组或蓝牙模块在实际应用时还需要外接天线、外部时钟等外围器 件。通过外接相应的功率放大器,许多蓝牙芯片组或蓝牙模块也可以支持l
级的蓝牙功率等级,通信范围相应的扩展到100m。


本课题应用的是百米蓝牙模块。在蓝牙通信硬件设计中讨论了两种方案: .3.2.1高速RS232+蓝牙方案 兼顾无线、有线的方案:传统的RS232接口标准波特率较低(115200bit/s

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第22页

MAX202等芯片即此速度),但随着微电子技术的发展,这个速率得到了大大的 提高,很多高速RS232转换芯片如MAx3225/3227/3245等能达到1Mbit/s,本 系统所采用的RS232口蓝牙(如图3-12)的波特率标称值为2M,实际测试发 现能稳定地达到921600bit/s。由于高速芯片电路复杂而且价格较高,本系统 采用的是SP202转换芯片的RS232接IZl,最大波特率为230400bit/s,实测中 发现可以一定程度的超频使用。 在设计中SCI连接SP202(用于计算机串口的电平转换),实现RS232串 口通信。蓝牙提供了模拟RS232串口通信服务,硬件模块接口方式与标准RS232 接口兼容。此实现方案后既可以采用有线连接方式也可以外接RS232口蓝牙。

图3-12

RS232口蓝牙

图3—13蓝牙内嵌模块

串行通信接口采用三线制接法,即地、接收数据(RxD)和发送数据(TxD)。 此外,因为系统的通信波特率比较高,数据流量比较大,为了保证传输数据的 稳定可靠性,本系统采用了硬件流控制方式。通过I/O端口与串口RTS引脚相 连,’系统发送数据时首先判断I/O端口状态,从而监视RTS是否“忙"。当接 收端数据缓冲区满,接收端将RTS置为高电平,通知发送端“忙”,请求暂停 发送数据,发送端检测到RTS“忙”立即暂停发送;相反,当发送端检测RTS 空闲,表明接收端数据缓冲区不满,发送端继续发送数据。 电路原理图见图3—14:


图3-14 SP202电路原理图

此外,对于标准RS232接口,由于SP202采用+5V供电,其输出5VTTL电

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第23页

平,所以其高电平输出范围为3.5V~5V;而TMS320F2812采用3.3V供电,输 入最大高电平不能超过3.3V,因此SP202信号要经过电平转换后再传送给DSP。 如图3—14,10K与20K分压电阻就是为了实现这个电平转换功能。记Voh 为SP202输出高电平,V/h为电阻分压后的输出电平,则:
,n矿
’ ’ ’



耽h(min)=Voh(mm)×——兰=二一=3.5V×==2.33V 3 10K+20K
V/h(max)=Voh(max)×


10K+20K

竺:L.=5VX二=3.33V
一'n矿
,’



这个范围满足TMS320F2812的引脚输入电平范围。 采用此方案接口广泛,目前的Pc机、Notebook等均支持此接口,PDA也 有转换数据线。而且调试方便,传输稳定。不足之处在于,电平转换较为麻烦, 且采用电平转换芯片数据传输速率存在瓶颈,本系统采用SP202转换芯片的 RS232接口最大波特率为230400bit/s。虽然可以一定程度的超频使用,但在 追求更高的波特率的情况下无法满足系统需求。 3.2.2内嵌蓝牙模块方案



蓝牙内嵌式模块(图3-13),可以应用于各种设备、仪器等,它主要负责

将从串口接收的数据转换成蓝矛协议发送给到对方的蓝牙设备,并将从对方蓝 牙设备接收的蓝牙数据包转换成串口数据发送给设备。蓝牙内嵌式模块有主从 之分,一个主设备与一个从设备配套使用。当蓝牙内嵌式模块连接正确的电路, 并且加电启动之后,主从设备会自动建立连接,并且识别对方设备,之后,用 户的设备就可以像使用一条串口线一样的使用蓝牙内嵌式模块。 蓝牙内嵌式模块除了一对配套使用之外,也可以独立使用。如用户的设备 连接一个从设备的蓝牙内嵌式模块,这样,我们应用自带蓝牙接口的设备如蓝 牙PDA也可以搜索到此内嵌式模块,并且发现其提供的服务,通过此服务可以 与其建立连接并进行通讯。对于用户设备的通讯,仍然像使用串口线一样的使
用此模块。

蓝牙内嵌式模块提供了安全认证功能,当用户设置使用安全认证时,连接 的设备必须要进行鉴权,只有通过鉴权的用户才能与其进行通讯,如果是一对 蓝牙内嵌模块,这些过程都将自动完成。应用电路如图3-15:

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第24页

图3.15蓝牙模块应用原理图
系统电路原理图:

图3.16系统电路原理图

3.3

PCB板设计
数据采集系统印刷电路板设计中必须认真地考虑和对待信号传输以及信

号质量等方而的问题。而且在列车振动数据采集过程中,数据采集盒安装位置
靠近大电机,同时不可避免地会受电气化铁路高压电力线(27.5kV):动车大功 率脉动电压(_+2000r)和脉动电流干扰空间等等,因此对PCB设计提出了更
高的要求㈨。

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第25页

3.3.1元器件选择
元件的选择是影响板级电磁兼容的主要因素,有两种基本的元件组,一种 是有引脚器件,一种是无引脚器件,有引脚元件有寄生效果,尤其是高频时, 该引脚形成了一个小电感,大约是lnll/mm/GI脚,引脚的末端也能产生一个大 约4pF的电容性寄生效应,所以应尽量选取无引脚的表面贴装元件,降低器件
的寄生特性。

数字器件的边沿速率是大多数印刷电路板中产生RF能量的原因,快速的 切换时间将导致回流、串话、振铃、反射等信号完整性问题,所以在满足功能 的情况下要选择尽量慢的元件。

3.3.2元件布局
要使电子电路获得最佳性能㈨,元器件的布局也是很重要的,在布局阶段 主要应考虑以下几点: ?保持整块电路板上功耗的大体平衡:如果板材区域冷热差别太大,信号线 极易因板材的热胀冷缩而断裂; ?元件的布局要遵循均匀、整齐、紧凑的原则,一般电路应尽可能使元器件 平行排列,这样,不但美观,而且装焊容易,位于电路板边缘的元器件, 离电路板边缘一般不小于2姗; ?根据电路的功能单元,以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行 布局,把相互有关的器件尽量放得靠近些,这样可以获得较好的抗噪声效 果。按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通, 并使信号尽可能保持一致的方向。

3.3.3合理布线
●保持整块电路板上布线密度的大体平衡:以控制串扰,布线要有合理的走 向:如输入/输出,交流/直流,强/弱信号,高频/低频,高压/低压等, 它们的走向应该是呈线形的(或分离),不得相互交融。尽量减少和缩短各 元器件之间的引线和连接。时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产 生噪声,要相互靠近些,特别是晶振下方不要走信号线。。

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?

第26页

控制信号组延迟的一致性:比如对于数据总线、地址总线,由于数据的采 样在同一时刻发生,如果总线的长度相差太远的话,采到的数据可能错位。

?布线层的分配及各层中线宽:布线层的分配及各层中线宽主要决定PCB中 信号传播速率和互连线的特征阻抗。为了保证PcB上互连线的阻抗一致性, I司一布线层中的线宽一般不要改变。基于减小电磁干扰的考虑,高速信号 线最好布在距离涂敷层较近的内层布线层。 ?总体走线方向和各层中线距:信号间的串扰对相邻平行走线的长度和走线 间距极其敏感。因此,相邻走线层的信号线的总体走线方向一般要互相垂 直。在同一走线层上尽量使高速信号线与其他平行信号线间距拉大,平行 长度缩小。一般的原则是低速信号的布线密度可以相对大些,高速信号的 布线密度应尽量小,.并且要求某些非高速信号线在一定程度上为高速信号
线让路。

?线长限制、信号组总体走线形状、过孔使用限制:在优化布局的基础上, 尽量缩短高速信号线的长度,控制信号组延迟的一致性是布线时的重要任 务。对于多点连接的信号要充分考虑其总线形状,比如一个信号驱动器驱 动多个信号接收器,?并要求这多个信号接收器同时接到信号。这样,一般 要使用星形连接,.并要求中心结点到各个信号接收器的走线长度保持一 致。值得注意的是,过孔具有寄生效应,不但增加了信号的延迟,而且在 一定程度上破坏了信号线的阻抗连续性,因此应尽量减少过孔的使用量。

3.3.4电源、地线技术
在系统设计中,接地是控制干扰的重要方法Hu,如能将接地和屏蔽正确结 合起来使用,可解决大部分干扰问题。由于本系统并不是单一功能电路(数字 或模拟电路),而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要 考虑它们之间互相干扰问题,特别是地线上的噪音干扰。在数字电路中,TTL
噪声容限为0.4V"--'O.6V,CMOS噪声容限为Vcc的O.3~O.45倍,故数字电路

具有较强的抗干扰的能力;模拟电路中,由于放大器的存在,由布线产生的极 小噪声电压,都会引起输出信号的严重失真。因此在电源、地线设计中:
?在电源、地线之间加上去藕电容;
?

电源线和地线应尽可能靠近,整块印刷板上的电源与地要呈“井"字 形分布,以便使分布线电流达到均;

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第27页

◆为减少线间串扰,必要时可增加印刷线条间距离,在其安插一些零伏

线作为线间隔离,特别是输入输出信号间;
?尽量加宽地线宽度,最好是地线比电源线宽,-它们的关系是:地线>

电源线>信号线,通常信号线宽为:0.2~O.3mm,最细宽度可达0.05"-" 0.07mm,电源线为1.2~2.5咖,对数字电路的PCB可用宽的地导线
组成一个回路, 用); ?用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接 作为地线用。 对地线来说,整个电路板对外界只有一个结点,所以必须在电路板内部进 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使

行处理数、模转换连接的问题。而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它
们之间互不相连,在本次设计中考虑到主要DSP芯片的主频不是很高,采用电 感连接在数字模拟地之间。

3.3.5系统PCB板
按照以上原则,本系统设计的电路板如图3.17所示。

图3.17数据采集系统PCB图

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第28页

第4章系统软件设计
TMS320F2812的软件开发采用TI公司的DSP集成开发环境ccS2.2(Code
Composer

Studio),CCS2.2代码调试器是一种针对标准TMS320调试接口的集
Development

成开发环境㈣(Integrated

Environment),包含源代码编辑工具、

代码调试工具、可执行代码生成工具和实时分析工具,并支持设计和开发的整 个流程。它采用图形接口,提供编辑指令、参数修改工具,为非代码产生工具 集成了一个统一的环境,包括了TI公司提供的C源代码调试器和模拟器所具 有的功能,支持汇编、C/C++及三者的混和编程,能对DSP进行指令级的仿真 和可视化的实时数据分析,可大大提高开发效率,缩短开发周期。

4.1

数据采集系统软件设计
数据采集部分的软件主要完成两大功能:(1)数据采集,这指的是控制A/D

转换过程并将转换结果数据读到DSP的缓冲区。(2)数据处理包括对数据进行 数字滤波,检测等。 DSP振动数据采集程序的主要功能模块如下(图4-I): ?系统初始化:系统初始化包括各个通用I/O接口初始化、系统倍频设置、 看门狗初始化、各中断系统初始化及系统通用定时器的初始化。 ?外设接口初始化:外设接口初始化包括时钟模块及各通道选通初始化。 ?数据采集及处理:控制A/D转换过程并将转换结果数据读到DSP的缓冲区 并对数据进行数字滤波,检测格式转换等。
?

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第29页

图4-1数据采集程序结构图 代码如下:
//料料料宰料料料木木料料木主程序料料幸木料料
void

main(void)

{ //初始化PLL,看门狗,时钟等
InitSysCtrl

0;

//GPIO设置,McBSP工作在串口模式 InitGpio(); //禁止并清除所有CPU中断
DINT: IER=Ox0000; .IFR=Ox0000:

//初始化pie寄存器

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InitPieCtrl(): //初始化外设中断向量表 InitPieVectTable(); //接收区清空 for(ch--O;ch<Channels;ch++) { for(idx=O;idx<Samples;idx++) { ADC_Data[ch][idx]印; } ) //分配中断向量
EALLOW; Pi eVectTable.T)【AINT=&SCITXINTA,ISR;

第30页

PieYectTable.RXAINT=&SCIRXINTA-ISR;

PieVectTable.SPIRXlNTA.=&SPIRXI肌A-ISR;
EDIS;

//使能PIE中的SPI中断
PieCtrl.PIEIER6.bit.INTxl=l;

//仅接收中断使能

//使能PIE中的SCI A中断
PieCtrl.PIEIER9.bit.INTxl=l: PieCtrl.PIEIER9.bit.INTx2=1:

//使能CPU中断
IER IER

l=M.IM’6; I=M_INT9:

//使能全局中断和高优先级适时调试功能
EINT; ERTM;

//使能全局中断IN'IM //使能全局适时调试中断DBGM

//Mcbsp初始化
Ini tMcbsp_FiFo O;

InitMcbsp(); //SCIA初始化 InitSci();

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while(1) { 采集及打包发送

第31页



4.I.1

A/D采集控制

1、MaBSP数据传输过程 系统中ADS8361和F2812的McBSP相连接,AD芯片的控制信号以及通信等
都是通过对MaBSP口的操作进行的。 McBSP的功能如下: ●全双工通信:

●双缓冲数据寄存器,允许连续的数据流; ●收发独立的帧信号和时钟信号;
●2个16级32位深度的FIF0代替DMA:

?可以与工业标准的编/解码器、模拟接口芯片(AICs)以及其他串行 A/D、D/A芯片接口; ?数据传输可以利用外部时钟,也可以由片内的可编程时钟产生; ●发送/接收数据可以选择LSB或者MSB先传: ●较多的数据位长度选择:8、12、16、20、24和32位字长; ●可设置帧同步信号和数据时钟信号的极性;


内部传输时钟和帧同步信号的可编程能力强。

McBSP数据传输路径的方框图如图4-2所示‘鼍,McBSP接收操作是三级缓 冲,而发送操作是两级缓冲。

叫DSR[1,2】H RBR[1,2】卜
I lI


解压 压缩

一DRR[1,2】}
●卜 -DY,m[IJ】

XSR[I,21

图4-2

McBSP数据传输路径

数据发送格式分为16位以下数据传输和16位以上数据的传输两种, ADS8361采集的数据为20位,因此我们采用16位以上数据的传输过程:

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第32页

在数据传输过程中需要一个16位的寄存器。寄存器DSR2、RBR2、DRR2、 XSR2、DXR2用来保存高字节。DR引脚接收的数据先移入到RSR2,然后移入到 RSRI:一旦接收到整个字,只要RBRl不满,将会将RSR2和RSRI的内容复制 到RBR2和RBRl。除非CPU未读取DRRl的内容,否则将SR2和RSRI的内容复 制到DRR2和DRRl。CPU必须先从DRR2中读取数据,然后从DRRl串读取数据。

当读取DRRl肘,就会启动下一下RBR到DRR的复制过程。程序如下:
//等待McBSP FIFO接受准备好
AD_templ=lcbspRegs.DRR2.al l: AD_tempO=McbspRegs.DRRl.all:

//Receive //Receive

Channel data and MSB 15 LSB’S

对于发送,CPU必须先将数据定到DXR2,然后向DXRI写数据。当新数据

定到DXRI’时,如果XSRI中没有原来的数据,则DXR2和DXRI的内容就会被分 别复制到XSR2和XSRI;否则,当原来数据的最后一位在DX引脚上移出时, DXR中的内容复制到XSR。发送帧同步到来后,发送器开始从XSR向DX引脚移
位。

McBSP重要初始化代码如下:
.McbspRegs.SPCR2.al l=Ox0000: McbspRegs.SPCRI.all=Ox0200:
McbspRegs.RCR2.a11=OxO:

McbspRegs.RCRl.Ml=OxO:
McbspRegs.XCR2.all=OxO: McbspRegs.XCRl.all=OxO: McbspRegs.SRGR2.al l=Ox200f: McbspRegs.SRGRl.all--Ox0001: McbspRegs.MCR2.al l=OxO: McbspRegs.MCRl.all=OxO: McbspRegs.PCRI.all=OxOa00:

McbspRegs.SPCRl.bit.I删ST=00:
McbspRegs.SRGR2.bit.FSGM=I:’ McbspRegs.SRGR2.bi t.FPER=30;1/30个时钟周期

McbspRegs.SRGRI.bit.CLKGDV=313:111k McbspRegs.SRGRI.bit.1哪ID=-3:11宽度为3个系统时钾

McbspRegs.RCR2.bit.RC伽PAND=00:.


McbspRegs.RCR2.bi t.RDATDl.Y=00:

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McbspRegs.XCR2.bi t.XCOMPAND=00: McbspRegs.XCR2.bit.Ⅺ)ATDLY:00:

第33页

McbspRegs.RCRl.bit.肿LENI=3:
McbspRegs.XCRl.bit.XWDLENl=3:

//gcsBSP复位功能
McbspRegs.SPCR2.bit.XRST=I: McbspRegs.SPCRI.bit.RRST=I:

McbspRegs.SPCR2.all I=Ox0040:
McbspRegs.SPCR2.bit.FRST=1:

//Ini tMcbsp__FiFo McbspRegs.MFFTX.all=0x0000: McbspRegs.MFFRX.all=Ox001F;


Mcbs p:Regs.MFFCT.all=OxO: McbspRegs.MFFINT.all=0x0: McbspRegs.MFFST.al l=Ox0:

McbspRegs.肝.FTX.bit.MFF腓l:
McbspRegs.MFFTX.bit.XRESET=1:
HcbspRegs.MFFRX.bit.RRESET=1:


2、A/D采样速率生成器 McBSP内部包含一个采样速率生成器模块,该模块可以通过编程产生内部 数据时钟(CLKG)和帧同步信号(FSG),CLKG信号用来对数据接收引脚(DR) 或数据发送引脚(DX)上的数据移位,FSG可以用来启动DR或DX上帧的传输。 AD芯片采集时序如图4-3。 采样速率生成器的时钟源可以由LSPCLK事项外部引脚(CLKS,CLKX或 CLI(11)提供。具体选择哪个时钟信号作时钟源,可以通过相应的寄存器设置。

//SCL删,CLl【SM-l,设置时钟为内部时钟LsPcLK

McbspRegs.RCRl.a11=0x0: McbspRegs.SRGR2..all=Ox200f;

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西南交通大学硕士研究生学位论文
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第34页

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图4—3 AD芯片采集时序

采样速率生成器有3层时钟分频器,使得CLKG和FSG信号进都可以编程 设置,这3层时钟分频器提供以下功能。
?

时钟分频:时钟源根据SRGRI寄存器的CLKGDV位的设置进行分频, 产生CLKG信号。

?帧周期分频:根据SRGR2寄存器的FPER位的设置对CLKG分频,控制 从一个帧同步信号开始到下一个帧同步信号开始的CLKG周期数。 ?帧同步脉冲宽度计数:根据寄存器SRGRI的FWID位的设置,CLKG计 数控制每个帧脉冲的宽度。 设置如下..
McbspRegs.SRGRl.bit.CLKGDV=313;//设置时钟信号分频数

McbspRegs.SRGR2.bit.FPER=30;//帧同步信号周期为30个时钟周期

icbspRegs.SRGRl.bit.FWID=3;//帧同步脉冲宽度为3个时钟周期 此外,采样速率生成器还有一个帧同步脉冲检测和时钟同步模块,允许时 钟分频与FSR引脚输入的帧同步脉冲同步。 3、读取ADC数据 F2812的McBSP配置为串口非时钟停止模式,帧同步和时钟信号配置为输 出引脚。接收器和发送器设置为20位传输格式,其中包括l位接收/发送数据 延时。采样数率生成器产生帧同步信号(FSXl),并控制ADS83691的RD和 CONVST。图4-4简要地给出了软件流程图。

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循环片选
AD¥8361

第35页

转换通道同步

启动帧同步信号

瀑。
4、A/D采集过程



‘HFO接收缓

读取高低位数据

数据解码、存储

图4.4读取ADC数据流程 根据系统设计,ADC采集系统包括2片ADS8361芯片8通道数据采集,每 片ADS8361工作在MODE IV,即4通道循环采集。此时,4通道数据从A口连 续输出,B口处理高阻状态,M0,M1都为高电平,A0通道选择位无效,A口先 输出A0、B0通道数据再输出Al、B1通道数据。图4—5给出了ADS8361四通道
工作时的时序图。

…乳蔓::::韭:墨兰陛塞!:韭:兰羔fl::兰!:韭
*孔:釜墨釜主二三:主二主兰二兰兰二主’
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图4-5
ADS8361

4通道工作时序图

西南交通大学硕士研究生学位论文 八通道循环原理:

第36页

1、启动ADI片选信号
GpioDataRegs.GPBSET.all=Ox0001:

2、启动帧同步信号使CONVST变为高电平(McbspRegs.SPCR2.bit.FRST=I:), CONVST变为高电平15ns后芯片开始模数转换(CoNVST必须在外部时钟下降 沿开始前lOns或其后5ns变为高电平,否则何时开始转换将不确定)。一次转 换需要30个时钟周期。CONVST变为高电平后ADS8361马上由采样模式切换为 保持模式(与时钟异步)。 3、在启动帧同步信号后的第一个时钟周期下降沿,ADS8361载入下一个转换 周期的地址(地址必须在第一个始终下降沿开始前至少15ns选定,并且保持 15ns)。载入两位地址需要占用两个时钟周期,其后的16个时钟周期用于16 位AD采集数据的转换,完成?个通道的一次采集共计18个时钟周期。 4、按本系统设计,等待12个时钟周期用于数据处理、格式转换,然后发起下 一个帧同步信号。对下一通道进行采集,重复步骤2,3。 5、完成四通道循环采集后,关闭ADl(GpioDataRegs.GPBcLEAR.all=Ox0001:), 启动AD2片选信号(GpioDataRegs.GPBSET.all=Ox0002;)。
6、重复步骤2、3、4

7、完成AD2的四通道采集后,关闭帧同步信号和AD2的片选信号,转入打包 发送阶段。


McbspRegs.SPCR2.bit.FRST=O;

Gp ioDataRegs.GPBCLEAR.al l=Ox0002:

为最大化吞吐时间CONVST和RD引脚应该连在一起,CS引脚应该置低, 以确保CONVST和RD信号输入.每次转换30个时钟周期后的下降沿获得有效数
据。数据的第一位表明是通道O还是通道l,第二位表明是通道A还是B。发

送数据格式如图4—6:

图4-6 ADS8361发送数据格式

4.2蓝牙通信软件设计
TMS320F2812有两个异步串行接口【铷(SCIA,SCIB),支持标准的UART异 步通信模式,并采用NRZ(No—Return—Zero)数据格式,可以通过SCI串行接口

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第37页

与CPU或其他的异步外设进行通信。 串行通信接口(SCI)是采用双线通信的异步串行通信接口,即常说的UART 口。为减少串口通信时CPU的开销,F2812的串口支持16级接收和发送FIFO。 当不使用FIFO时,SCI接收器和发送器采用双级缓冲传送数据,SCI接收器和 发送器有自己的独立使能和中断位,可以独立的操作。为保证数据完整,SCI 模块对接收到的数据进行间断、极性、超限和帧错误检测。可通过对16位的 波特率控制寄存器进行编程,配置不同的SCI通信速率。
SCI模块的特性:

4.2.1

?两个外部引脚:SCITXD(SCI发送数据引脚):SCIRXD(SCI接收数据引 脚)。这两个引脚是I/O复用引脚,在不使用SCI时,这两个引脚可用作
通用I/O口。

?通过一个16位的波特率选择寄存器,可编程为64K种波特率;
◆数据格式: 1.一个启动位;

2.1~8个数据位; 3.一个奇/偶校验位或无奇/偶校验位; 4.一个或两个停止位 ?区分数据和地址的附加位(仅在地址位模式存在)。
?4种错误检测标志位:奇偶错、超时、帧出错或间断检测。 ●两种唤醒多处理器方式:空闲线或地址位唤醒。 ◆半双工或全双工操作。

?双缓冲的接收和发送功能。 ?发送和接收的操作可以利用状态标志位通过中断驱动或查询算法来完成。 ?发送器和接收器的中断位可独立使能。 ?16级发送/接收FIFo 4.2.2串行通信接口波特率计算 内部生成的串行时钟由系统时钟SYSCLK频率和波特率选择寄存器决定。? 串行通信接口使用16位波特率选择寄存器,数据传输的速度可以被编程为65
000多种不同的方式。

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第38页

不同通信模式下的串行通信接口异步波特率由下列方法决定: ?BRR--1到65535时的串行通信接口异步波特率为: SC,异步波特率-LOSPCLK/[(BRR+1)x8】 其中BRR--LOSPCLK/‘(SCI异步波特率×8)一l; ?BRR--O时的串行通信接口异步波特率为:
(4一1)

SC,异步波特率-LOSPCⅨ/16
这里BRR等于波特率选择寄存器的16位值。

(4—2)

本系统选择波特率为460800bps进行通信,系统时钟频率SYSCLK=
150Mttz,程序如下
SysCtrlRegs.LOSPCP.all=Ox0001;
SciaRegs.SCILBAUD=0x28;

//分频系数为0

LOSPCP=150M

//BP.R-150x106/('460800x8)一1-28/-/

4.2.3

SCI异步通信编程

SCI串行异步通信编程包括以下方面:
?SCI模块初始化;

◆SOl发送数据;
?SCI接收数据;

F2812的SCI初始化包括以下几大部分:SCI引脚配置为通用I/O;时钟 模式的选定:波特率选择;发送接收数据长度选择;内部的时钟使能。 TMS320F2812的2个SOl总共包括26个寄存器,其中控制寄存器有SCICCR、
SCIPRI、SCICTLI和SCICTL2;设备波特率寄存器有SCIHBAUD和SCILBAUD;

状态寄存器有SCIRXST;缓冲寄存器有SCIRXEMU、SCIRXBUF和SCITXBUF;另 外还有TMS320F2812的SCI独有的FIFO寄存器SCIFFTX、SCIFFRX和SClFFCT。 在程序开始应先对其中一些寄存器进行初始化 SCI初始化程序如下:
#include’DSP28_Device.h’ unsigned void

int木UART_SCI=(unsigned int木)Ox4010:

InitSci(void)

{宰UART_SCI=0x44;//设定初始化SCIA
EALLO/; GpioMuxRegs.GPFMUX.all---9x0030:

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EDIS: Sc iaRegs.SCICCR.al l=Ox07:II将传输数据长度设为8位字串4

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SciaRegs.SCICTLl.alI=0x03://启动发送和接收
Sc iaRegs.ScICrL2.al l=Ox03;//允许RXRDY/BRKDT和TXRI)Y中断 SicaRegs.SCIHBAUD=Ox00: Sc iaRegs.SCILBAUD=0x28;//设置传输波特率为460800bps

SicaRegs.SCICTLl.a11=Ox23://寄存器已设置,将SW RESET置1,启动发/收 )

设计TMS320F2812串行通信软件可采用查询和中断两种方式。本设计中, 发送数据采用是查询方式。由于系统的波特率比较高,数据流量比较大,为了 保证传输数据的稳定可靠性,需要增加流量控制,根据接收方的需要调整发送 的数据。流量控制协议有四种:硬件流控制协议、字符协议、整行协议和文件 传输协议。本系统采用了硬件流控制方式。将I/O端口与RTS引脚相连,系统 发送数据时首先判断I/O端口状态,从而决定是否发送数据。‘当接收端数据缓 冲区满,接收端将RTS置为高电平,发送端检测到连接RTS的I/O端口为高电 平立即暂停发送;相反,当发送端检测I/O端口为低电平,,表明接收端数据缓 冲区不满,发送端继续发送数据。其流程如图4-7所示。

图4-7 SCI发送流程

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采集及发送程序部分代码如下:
while(GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIoB2—1){)//RTS
whi

le(SciaRegs.SCICTL2.bit.TXRDY!=‘1){)

Sc iaRegs.SCITX叫F一0xFF://包头

for(chip=O;chip<3;chip++) { sYNc.uP(); //使转换同步

Toggle_CS(10+adcs);
McbspRegs.SPCR2.bit.FRST=I;

//启动帧同步信号

//通过帧同步信号输出RD CONVST的控制信号 while(McbspRegs.MFFRX.bi.t.ST=O){} //等待McBSP FIFO接受准备好
AD_templ=McbspRegs.DRR2.all: AD_tempO=McbspRegs.DRRl.al l:

//Receive //Receive

Channel data and MSB 15 LSB

AD_temp2=((AD-tempI<<16)&OxFFFFFFFF l(AD_tempO&oxFFFFFFFF)):
adsl=AD_temp2:.

ADSL=(AD-temp2>>1): ADSH=(AD-temp2>>9): while(SciaRegs.SCICTL2.bit.TXRDY!=1){} SciaRegs.SCITXBUF.ADSH://先发高位 while(SciaRegs.SCICTL2.bit.TXRDY!=1)f) SciaRegs.SCITXBUF=ADSL://再发低位 McbspRegs.SPCR2.bit.FRST=O;//关闭帧同步信号
Toggle

CS(1l+adcs);//芯片切换



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第4t页

第5章系统调试
系统调试是课题内容中很关键的一部分,也是检验数据采集与高速无线传 输系统性能的重要途径。实践表明,一个电子装置,即使按照设计的电路参数 进行安装,往往也难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时,不可能周全 地考虑各种复杂的客观因素(如元件值的误差,器件参数的分散性,分布参数 的影响等),必须通过安装后的测试和调整,来发现和纠正设计方案的不足, 然后采取措施加以改进,使装置达到预定的技术指标。 由于本课题包括硬件和软件两部分,在调试时我们采用划分模块逐一对硬 件和软件调试,然后再进行系统总体调试。在系统整体调试之前,首先调试
DSP电路板,DSP最小系统正常工作后,对DSP各个模块做功能调试;然后调

试无线通信网络和上位机接收程序。在这些模块的调试中要借助实验室己有的 工具或软件,例如信号发生器、示波器、串口调试工具块等,下面分别对这些 模块的调试作以简单介绍。

5.1系统调试

5.1.1

DSP最小系统调试

1.用万用表等工具对硬件电路作脱机检查,根据硬件电气原理图和装配图仔
细检查样机线路的正确性,有无短路、虚焊等现象,并核对元器件的型号、 规格和安装是否符合要求。应特别注意电源的走线,.防止电源之间的短路

和极性错误,并重点检查扩展系统总线(地址总线、数据总线和控制总线 是否存在相互间的短路或与其他信号线的短路)。 2.测试晶振和复位电路工作正常,仿真线连接正确,则挂上仿真器的运行 CCS就可在PC机的屏幕上显示调试界面;否则应检查仿真线连接是否正
确、F2812各电源引脚的电压是否正常以及晶体振荡器是否正常工作,

3.运行GPIO测试程序(图5—1),此时连接于DSP芯片XF引脚的发光二极 管以IHz的频率闪烁,由此确认DSP最小系统功能正常。


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第42页

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图5一l GPIO测试程序

4.在DSP正常工作之后,用仿真器调试外部SRAM测试程序进项测试,首先 对外部SRAM的OxOOOO-OxFFFF存储空间连续写入值OxOOOO-OxFFFF,然 后读回,如果正确,则进入good_flag—l的循环(图5—2),从而可以 判断读写外部RAM是正常。若不正确,则进入good_flag一0的循环,此 时应仔细检查系统的地址线、数据线、读写线等连接是否正确。

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图5-2外部SRAM测试

西南交通大学硕士研究生学位论文 5.1.2数据采集调试

第43页

对AD转换芯片和DSP连线进行检查后,采集用信号发生器产生的正弦波,

在CCS编译环境下选择“View"I“Graph"I“Time/Frequency”命令,对采
集数据进行观察(图5-3)确认系统采集部分功能正常。最初发现采集波形有 截止,调试后发现ADS8361的输入范围是由负向引脚应该的共模电压决定的。 为此,一方面在调试中对信号发生器输入的测试信号设置合适的偏置电压,另 一方面考虑对电路进行修改(即AD硬件设计中考虑的跳线)。

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iLin{Auto Scale;

i串口燧:厂矿| 罢F
『I道讯炼———]
图5-4数采系统收发测试

图5-3正弦波形采集

5.1.3数据发送调试

运行CCS编译环境,编写串口通信测试程序,进行无线传输测试。测试 时在-PC机上用串口调试器发送数据到DSP数据采集系统,系统接收到后再 把数据发回PC机,发送和接收数据一致,则确认发送电路硬件正常(图5-4), 要注意的是:波特率设置要正确,否则会出现乱码或者接收不到的情况。

5.1.4上位机通信调试

上位机测试程序编写完成后,首先在PC机间进行测试,用串口调试器发 送数据,用测试程序接收。确认无误后对DSP数采系统采集的数据进行接收、 画图(图5-5)。DSP与上位机测试程序通信要注意发送数据编码格式及数据 包格式。最初我们在上位机接收波形发生了畸变、跳点现象,以为是帧同步信

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第44页

号有问题,导致通道间串数,反复调试后发现是由于采集后发送时对数据的编 码打包时有问题,导致接收数据超界。软硬件调试成功后,就可以将DSP系统 的软件写入FLASH,脱离仿真器成为独立运行的DSP系统。


5-5上位机接收示例

《口:阿门
¥口}:厢丁—j

m:两明
岫佴:冈广—了

叵囡

Hd#口#&i I

nm



5.2应用蓝牙接口的系统
采用蓝牙接口的数据采集系统能实现系统方案设计中的预定功能,数据采 集系统见图5-6,能顺利进行采集数据的发送,波特率达到460800bps。 由于在采集过程中,数据采集盒安装在车底,在列车高速运行过程中可能 激起飞石以及大量灰尘,同时采集系统工作过程中可能遭遇雨天或地面积水飞 溅,因此对采集盒的刚性和防水防尘性能有一定要求。因此我们按照IEC
(INTERNATIONAL (INTERNATIONAL

ELECTROTECRNICAL

CO删ISSl0N)

所起草的

IP

PROTECTION)防护等级设计了金属外壳(图5—7),防护等

级达到IP64(即防尘:完全防止外物侵入,且可完全防止灰尘进入。防水: 防止飞溅的水侵入进入采集盒造成损害。)

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第45页

图5-6应用蓝牙的采集系统

图5.7 IP64等级封装的采集系统

5.3系统误差分析
振动数据采集系统涉及动态信号采集、数据处理两个环节哺1,本测量系统 包括对车体,转向架构架,轴箱的振动加速度及其相对位移的测试,下面以采 集系统中应用量程29的LC0709—2A传感器的车体振动加速度采集通道(即平 稳性指标计算参数的采集通道)为例对系统进行了精度分析。 信号采集部分的误差主要由加速度传感器、抗混淆滤波电路和AD转换器
引入啦印如图5—8。

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第46页

图5-8数据采集误差引入示意图

5。3.1静态误差分析

l、加速度传感器的误差: 灵敏度:传感器的灵敏度标称值为900mV/g。在实际应用中因电缆加长及 负载效应,其灵敏度标定后为840mV/g。温度变化IO'C,传感器灵敏度变化l%, 极限误差按其三倍计算,即灵敏度变化4-3%,则灵敏度变化引起的加速度极限
误差为±0.0588
m,s


3。





零点漂移:加速度变化O.01历/s 2对应采集的电信号变化lmV,温度变


化IO'C,传感器零漂每小时不大于20mV,即O.24肌/s 2。考虑到在以后的数据 处理中,每2s数据就进行去零线处理次,因此零漂引起的误差忽略。 加速度传感器的安装误差:当其敏感轴与被测振动方向存在误差角口时, 相对误差为B,一COS口一1。当a-2.5。时g,t一0.00095,则引起振动加
速度幅值的误差为一0.0186m/s
2。

横向效应:传感器横向效应最大值为5%,实测最大振幅为0.129,因此横
向效应分量最大为0.06朋/s
2。

非线性误差:传感器的非线性误差为O.2%FSR,其引起的加速度极限误差
为0.039m,s
2。

2、抗混淆滤波器 情况下忽略不计。.
3、A/D转换误差



其误差主要由温度变化对电容电阻等的影响造成,在采用高精度元器件的

AD转换模块采用ADS8381,增益误差为4-0.05%,flP弓l起的加速度误差为
0.0098,以,s 2二

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第47页

振动信号在整个量程范围(O一65535)内,对应的电压范围为0-5V,AD转换 模块的位数为16位因此量化误差:LSB。7.6×10-SV,对应加速度误差为: 7.6×10-2x0.012-一).12x104,n/sz积分线性误差为?_3LSB,对应最大加速度误差为:
±9.12x104mls2 x3.亚.7x10。3m/s2.

各部分引入误差汇总如表5-1
表5-1引入误差汇总表

合成数据采集部分,车体加速度采集通道最大加速度均方根误差为:
~](0.0588)z+(0.0186)'+(0.06)z+(0.039)z+(0.0027)2+(0.0098)2+(0.0009)z
-O.095m/s2

5.3.2动态信号的误差修正

动态误差的评定比静态误差更为复杂,主要是由于动态误差既与测量系统 的动态特性有关,又与被测信号的频谱结构有关。它是时间和被测信号的二元 函数。同一测试特性对不同的信号进行测试,产生的动态误差不同:同一信号
采用不同的测试系统测试所产生的动态误差也不同。动态误差的修正主要分为 时域和频域两部分。在数据处理时,首先对时域数字信号进行数字滤波补偿,

此后进行2s一次的去零线处理。温度对传感器灵敏度影响比较大,若在时域数
据处理中对温度进行补偿,则可以提高测量精度。

此外,由于实际车辆振动信号的复杂性,在数据处理中存在截断误差,因此 截断误差引起的谱泄漏是无法避免的,对于截断误差的修正有待进一步探讨。 特别值得一提的是,在测量过程中,若由于线路等原因车体发生共振,则不能得
到准确的平稳性指标,应在信号频域中将共振频率去掉。

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针对动车组振动数据采集的特定要求,本文分析了国内外当前列车测振仪 (系统)的状况,在详细研究无线通信数据传输技术、DSP最小系统的相关技 术的基础上,研制了以DSP为基础、运用高速无线接口技术的列车振动参数采 集系统,经过硬件、软件、通信等方面的设计、安装与调试,及相关技术的试
验,得出如下结论:

l、蓝牙传输距离:通信两端均采用百米模块,视距传输可达到100米, 完全满足动车组测试的要求;如用10米模块,基于PDA/智能手机得数据终端
可实现车厢内部的传输,车内外传输对两端的位置有特殊要求。

?2、蓝牙传输速度:蓝牙1.2或2.0可以实现460800bps传输速度,系统采 集时连续稳定传输速率为34k。 3、研制的DSP数据采集系统实现了如下功能i ?8路通道模拟输入,16位同步高精度AD转换;
●采样频率:1.OkHz;、+ ●传输波特率:460800bit/s; ●工作电压/电流:5V/500mA;

4、研制的DSP振动数据采集与高速无线传输系统经初步测试表明:性能 指标能确保完成动车组振动测试,并且由于其通道数、采样频率以及无线传输 速率指标均能达到很多振动参数测试场合的要求,因此完全可以推广到更多的
数据采集应用场合。

尽管如此,论文工作涉及到硬件、软件无线通信等多方面的知识,由于本 人理论水平和实践经验有限,所完成的工作是很初步的,进一步完善希望能实 现: ?数据采集部分实现包括振动参数和位移参数的12通道采集;
?

改进无线接口,提高发送速率和采样频率,以及实现网络化数据采集; 在数据采集器中外扩SD存储卡,实现大数据量的存储,确保在无线通 通过上位机控制实现波特率和采样频率的实时修改。

?

信受到很大干扰时系统采集数据完整性和正确性;
?

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致谢
本文是在周文祥老师的精心指导和支持下完成的,感谢我的恩师两年多来 对我的悉心教导与帮助!周老师严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢 业业的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生了重要影响。他渊博的知识、

开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时,在此次完成硕士论文的过
程中我也学到了许多了关于系统设计和工程应用方面的知识,实践技能有了很
大的提高。

另外,我还要特别感谢曹准和吴学斌同学,他们对我实验以及完成这篇论 文提供了巨大的帮助。还要感谢师弟师妹们,对我的无私帮助,使我得以顺利
完成论文。

感谢我的家人和朋友,正是他们无微不至的关心、鼓励和支持,帮助我完
成了学业。

最后,再次向关心和帮助过我的人们表示感谢!

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攻读硕士学位期间发表的学术论文
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2008,6

基于高速无线传输的列车测振仪。电子测试,

DSP振动数据采集与高速无线传输系统研究
作者: 学位授予单位: 张学川 西南交通大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1346361.aspx


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