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基于DSP的数据采集系统设计方案解析
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2017-11-03
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现代工业生产中，生产规模不断扩大，朝着大型化、高速化、自动化和连续化的方向发展。因此对机械设备性能的要求也越来越高。很多大型石油、化工、石化、电力、钢铁等部门都采用了单机、满负荷、连续性的生产操作方式，其中的大型旋转机械就成为了现代化大规模生产中的关键设备。一旦出现停机故障，将导致全厂的停产，其经济损失是十分巨大的。同时还有可能招致重大的伤亡事故。由此，大型旋转机械的在线状态监测和故障诊断技术便应运而生。而如何获得大量而广泛的状态量（振动、力、位移、噪声、温度、压力和流量等）是其中的关键。本文介绍的基于TMS320F2812的多功能同步数据采集卡，利用卡上的DSP控制芯片不仅可以实现多种数据的采集，还可以对所采集的数据进行实时的信号处理，大大地提升了整个系统的性能。
1 TMS320F2812体系结构
TMS320F2812是TMS320C28X系列芯片中性能最好的一种，最高频率为150MHz，处理速度可达150MIPS，指令周期为6．67ns。
同TMS320C2000TM平台中前代产品相比，F2812的程序总线包括22位的地址总线和32位的数据总线，数据总线包括32位的地址总线和32位的数据总线。较之C24X／C240X的16位地址总线，F2812大幅提高了可寻址范围。同时，32位的数据总线可以实现单周期的32位指令。其片内的32×32位MAC具有处理64位数的能力，可用于处理高精度的数字运算，完全可以替代其它更贵的浮点数处理器。在振动信号的频谱分析中，这种优势就更为明显了。在中断响应方面，F2812自动保存上下文的功能加快了中断响应速度，用户可以在更短的时限内完成更多的异步事件，这在多路信号采集系统中大幅提高了系统的实时性。
在外设方面，F2812也有不少新特点。除了保留前代产品的4个16位通用定时器以外，F2812又增加了3个32位的定时器。可更方便地实现大范围转轴转速信号的采集，以及提供更为灵活的数据采样模式。F2812内部拥一个12位的增强型A／D转换器，其A／D转换速率高达80ns。而其中的两个独立的8路模拟开关给用户提供了同时采集不同种类信号的实现方法。在片内存储器方面，F2812包括128K字的FLASHMEMORY、1K字的0TPMEMORY和18K字的片上RAM和4K字的BOOT ROM。丰富的片上存储资源可满足用户处理大量数据的需求。在安全方面，F2812采用128位的密码来保护用户的程序。
2 数据采集卡的硬件实现
数据采集卡的硬件实现利用F2182的众多新特性，数据采集卡可以处理：16路异步或同步模拟信号、16路数字信号、6路转速信号。采用PCI接口与上位机相连。其系统结构如图1所示。
2．1 转速信号采集的实现
根据工业现场中旋转机械的实际情况，数据采集卡采集的转速范围一般为30～18000r／min（周期范围为33ms～2s）。如此大的转速范围对定时器的计数脉冲和计数位数都提出了要求。若定时器计数脉冲过大，则分辨率降低；但是如果计数脉冲太小，则需要计数器的位数足够大。
现代工业生产中，生产规模不断扩大，朝着大型化、高速化、自动化和连续化的方向发展。因此对机械设备性能的要求也越来越高。很多大型石油、化工、石化、电力、钢铁等部门都采用了单机、满负荷、连续性的生产操作方式，其中的大型旋转机械就成为了现代化大规模生产中的关键设备。一旦出现停机故障，将导致全厂的停产，其经济损失是十分巨大的。同时还有可能招致重大的伤亡事故。由此，大型旋转机械的在线状态监测和故障诊断技术便应运而生。而如何获得大量而广泛的状态量（振动、力、位移、噪声、温度、压力和流量等）是其中的关键。本文介绍的基于TMS320F2812的多功能同步数据采集卡，利用卡上的DSP控制芯片不仅可以实现多种数据的采集，还可以对所采集的数据进行实时的信号处理，大大地提升了整个系统的性能。
1 TMS320F2812体系结构
TMS320F2812是TMS320C28X系列芯片中性能最好的一种，最高频率为150MHz，处理速度可达150MIPS，指令周期为6．67ns。
同TMS320C2000TM平台中前代产品相比，F2812的程序总线包括22位的地址总线和32位的数据总线，数据总线包括32位的地址总线和32位的数据总线。较之C24X／C240X的16位地址总线，F2812大幅提高了可寻址范围。同时，32位的数据总线可以实现单周期的32位指令。其片内的32×32位MAC具有处理64位数的能力，可用于处理高精度的数字运算，完全可以替代其它更贵的浮点数处理器。在振动信号的频谱分析中，这种优势就更为明显了。在中断响应方面，F2812自动保存上下文的功能加快了中断响应速度，用户可以在更短的时限内完成更多的异步事件，这在多路信号采集系统中大幅提高了系统的实时性。
在外设方面，F2812也有不少新特点。除了保留前代产品的4个16位通用定时器以外，F2812又增加了3个32位的定时器。可更方便地实现大范围转轴转速信号的采集，以及提供更为灵活的数据采样模式。F2812内部拥一个12位的增强型A／D转换器，其A／D转换速率高达80ns。而其中的两个独立的8路模拟开关给用户提供了同时采集不同种类信号的实现方法。在片内存储器方面，F2812包括128K字的FLASHMEMORY、1K字的0TPMEMORY和18K字的片上RAM和4K字的BOOT ROM。丰富的片上存储资源可满足用户处理大量数据的需求。在安全方面，F2812采用128位的密码来保护用户的程序。
2 数据采集卡的硬件实现
数据采集卡的硬件实现利用F2182的众多新特性，数据采集卡可以处理：16路异步或同步模拟信号、16路数字信号、6路转速信号。采用PCI接口与上位机相连。其系统结构如图1所示。
2．1 转速信号采集的实现
根据工业现场中旋转机械的实际情况，数据采集卡采集的转速范围一般为30～18000r／min（周期范围为33ms～2s）。如此大的转速范围对定时器的计数脉冲和计数位数都提出了要求。若定时器计数脉冲过大，则分辨率降低；但是如果计数脉冲太小，则需要计数器的位数足够大。
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