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基于DSP和USB技术的数字采集系统给水泵运行状态监测系统
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2017-11-03
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采用DSP（数字信号处理器）作为控制器，而采用USB（通用串行总线）和上位机相连接将是数据采集处理系统的一种可能的发展趋势。
1.1 数字信号处理器DSP
DSP芯片，又称为数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号处理的微处理器，采用它能满足系统计算量大的要求。它的主要特点是：（1）它内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛结构，允许同时取指令和取操作数;（2）芯片内多采用分离的总线结构，这样可保证一个极其周期内可以多次访问程序空间和数据空间;（3）采用流水线结构，在程序运行中取指、译码、取操作数和执行阶段是重叠的;（4）芯片内部一般都包括多个处理单元，它们可以在一个指令周期内同时进行运算;（5）DSP数字系统中设置了一些特殊的DSP指令，能更好地满足数字信号处理应用的需要;（6）指令周期短，如TMS320F240 的指令周期可达50ns;（7）硬件配置强，接口功能强，片内具有串行口、主机接口、DMA控制器、锁相环时钟产生器和在片仿真测试访问口等。DSP芯片的这些特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。
1.2 通用串行总线USB
USB（通用串行总线）协议是一些PC大厂商为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。USB接口是一个快速的、双向的、同步的、低成本的、动态的串行连接接口，支持主机和并发存取外设之间的数据交换。所连的外设通过主机调度和基于令牌的协议共享USB带宽。USB 的主要优点有：（1）速度快;（2）设备配置和安装容易。所有的USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置;（3）能够采用总线供电;（4）易于扩展; （5）使用灵活，USB共有4种传输模式：控制传输、同步传输、中断传输、块传输，以适用不同的设备的需要;（5）容错性强，USB协议规定了对各种可能遇到的错误的处理和恢复机制，保证了数据传输的正确性，同时，对设备的热拔插处理迅速且不影响系统的正常工作;（6）实现成本低，USB对系统与PC的集成进行了优化，适合于开发低成本的外设。由于这些优点，USB的应用范围很广。
下面本文将介绍一个具体的基于DSP和USB技术的数字采集与处理系统给水泵运行状态监测系统。本系统需要对给水泵运行过程中的过程量和机械量进行采集，需要对振动信号进行处理，下面分别介绍系统的工作原理、总体设计、硬件设计和软件设计。
2 系统工作原理和总体设计
给水泵运行状态监测系统主要完成各路机械量和过程量的采集，并对各振动信号进行阶比谱分析，计算振动幅度的平均值，并将采集数据和分析结果上传PC机，为在线检修系统的专家系统提供给水泵的运行状态信息;同时就地简单显示给水泵的状态信息，并提供给水泵振动幅值越限和轴向位移越限报警。系统的特点是计算量大，通信数据量大，而且给水泵运行状态监测仪必须提供实时的状态数据，这就对实时性提出了较高的要求。根据系统的这些特点我们采用DSP（数字信号处理器）+USB（通用串行接口）的方案来满足系统的需求。给水泵状态监测系统由信号调理电路、A/D转换器、DSP处理器、SRAM、LCD、键盘以及基于PLD的接口和逻辑控制电路组成。系统的总体设计框图如图1所示。
3 系统硬件设计
系统硬件部分的主要内容包括DSP最小系统的设计、通信模块的设计、人机接口模块的设计、调理电路的设计和电源模块的设计。
DSP小系统包括复位电路、时钟电路、SRAM接口、Flash memory接口和逻辑控制电路等。这里的DSP控制器选用的是TMS320F240，它具有强大的外设功能，能为基于控制的应用设计提供高性价比的解决方案。
本系统采用了两种通信接口，分别为USB和RS232接口。USB接口用于仪表向PC机上传数据。RS232接口主要用于调试和用于与慢速外设接口，当系统上传的数据不多时也可用于仪表向PC机传输数据，这样可以简化PC机软件的设计。下面分别对这两个接口进行介绍。
1.1 数字信号处理器DSP
DSP芯片，又称为数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号处理的微处理器，采用它能满足系统计算量大的要求。它的主要特点是：（1）它内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛结构，允许同时取指令和取操作数;（2）芯片内多采用分离的总线结构，这样可保证一个极其周期内可以多次访问程序空间和数据空间;（3）采用流水线结构，在程序运行中取指、译码、取操作数和执行阶段是重叠的;（4）芯片内部一般都包括多个处理单元，它们可以在一个指令周期内同时进行运算;（5）DSP数字系统中设置了一些特殊的DSP指令，能更好地满足数字信号处理应用的需要;（6）指令周期短，如TMS320F240 的指令周期可达50ns;（7）硬件配置强，接口功能强，片内具有串行口、主机接口、DMA控制器、锁相环时钟产生器和在片仿真测试访问口等。DSP芯片的这些特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。
1.2 通用串行总线USB
USB（通用串行总线）协议是一些PC大厂商为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。USB接口是一个快速的、双向的、同步的、低成本的、动态的串行连接接口，支持主机和并发存取外设之间的数据交换。所连的外设通过主机调度和基于令牌的协议共享USB带宽。USB 的主要优点有：（1）速度快;（2）设备配置和安装容易。所有的USB设备支持热拔插，系统对其进行自动配置;（3）能够采用总线供电;（4）易于扩展; （5）使用灵活，USB共有4种传输模式：控制传输、同步传输、中断传输、块传输，以适用不同的设备的需要;（5）容错性强，USB协议规定了对各种可能遇到的错误的处理和恢复机制，保证了数据传输的正确性，同时，对设备的热拔插处理迅速且不影响系统的正常工作;（6）实现成本低，USB对系统与PC的集成进行了优化，适合于开发低成本的外设。由于这些优点，USB的应用范围很广。
下面本文将介绍一个具体的基于DSP和USB技术的数字采集与处理系统给水泵运行状态监测系统。本系统需要对给水泵运行过程中的过程量和机械量进行采集，需要对振动信号进行处理，下面分别介绍系统的工作原理、总体设计、硬件设计和软件设计。
2 系统工作原理和总体设计
给水泵运行状态监测系统主要完成各路机械量和过程量的采集，并对各振动信号进行阶比谱分析，计算振动幅度的平均值，并将采集数据和分析结果上传PC机，为在线检修系统的专家系统提供给水泵的运行状态信息;同时就地简单显示给水泵的状态信息，并提供给水泵振动幅值越限和轴向位移越限报警。系统的特点是计算量大，通信数据量大，而且给水泵运行状态监测仪必须提供实时的状态数据，这就对实时性提出了较高的要求。根据系统的这些特点我们采用DSP（数字信号处理器）+USB（通用串行接口）的方案来满足系统的需求。给水泵状态监测系统由信号调理电路、A/D转换器、DSP处理器、SRAM、LCD、键盘以及基于PLD的接口和逻辑控制电路组成。系统的总体设计框图如图1所示。
3 系统硬件设计
系统硬件部分的主要内容包括DSP最小系统的设计、通信模块的设计、人机接口模块的设计、调理电路的设计和电源模块的设计。
DSP小系统包括复位电路、时钟电路、SRAM接口、Flash memory接口和逻辑控制电路等。这里的DSP控制器选用的是TMS320F240，它具有强大的外设功能，能为基于控制的应用设计提供高性价比的解决方案。
本系统采用了两种通信接口，分别为USB和RS232接口。USB接口用于仪表向PC机上传数据。RS232接口主要用于调试和用于与慢速外设接口，当系统上传的数据不多时也可用于仪表向PC机传输数据，这样可以简化PC机软件的设计。下面分别对这两个接口进行介绍。
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