基于DSP和USB技術(shù)的數(shù)字采集與處理系統(tǒng)給水泵運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

1 引言
　　采用DSP（數(shù)字信號處理器）作為控制器，而采用USB（通用串行總線）和上位機相連接將是數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的一種可能的發(fā)展趨勢。
　　1.1 數(shù)字信號處理器DSP
　　DSP芯片，又稱為數(shù)字信號處理器，是一種特別適用于進行實時數(shù)字信號處理的微處理器，采用它能滿足系統(tǒng)計算量大的要求。它的主要特點是：（1）它內(nèi)部采用的是程序空間和數(shù)據(jù)空間分開的哈佛結(jié)構(gòu)，允許同時取指令和取操作數(shù);（2）芯片內(nèi)多采用分離的總線結(jié)構(gòu)，這樣可保證一個極其周期內(nèi)可以多次訪問程序空間和數(shù)據(jù)空間;（3）采用流水線結(jié)構(gòu)，在程序運行中取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行階段是重疊的;（4）芯片內(nèi)部一般都包括多個處理單元，它們可以在一個指令周期內(nèi)同時進行運算;（5）DSP數(shù)字系統(tǒng)中設(shè)置了一些特殊的DSP指令，能更好地滿足數(shù)字信號處理應(yīng)用的需要;（6）指令周期短，如TMS320F240 的指令周期可達50ns;（7）硬件配置強，接口功能強，片內(nèi)具有串行口、主機接口、DMA控制器、鎖相環(huán)時鐘產(chǎn)生器和在片仿真測試訪問口等。DSP芯片的這些特點，使其在各個領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
　　1.2 通用串行總線USB
　　USB（通用串行總線）協(xié)議是一些PC大廠商為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽之間的矛盾而制定的一種串行通信標準。USB接口是一個快速的、雙向的、同步的、低成本的、動態(tài)的串行連接接口，支持主機和并發(fā)存取外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換。所連的外設(shè)通過主機調(diào)度和基于令牌的協(xié)議共享USB帶寬。USB 的主要優(yōu)點有：（1）速度快;（2）設(shè)備配置和安裝容易。所有的USB設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進行自動配置;（3）能夠采用總線供電;（4）易于擴展; （5）使用靈活，USB共有4種傳輸模式：控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、塊傳輸，以適用不同的設(shè)備的需要;（5）容錯性強，USB協(xié)議規(guī)定了對各種可能遇到的錯誤的處理和恢復(fù)機制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，同時，對設(shè)備的熱拔插處理迅速且不影響系統(tǒng)的正常工作;（6）實現(xiàn)成本低，USB對系統(tǒng)與PC的集成進行了優(yōu)化，適合于開發(fā)低成本的外設(shè)。由于這些優(yōu)點，USB的應(yīng)用范圍很廣。
　　下面本文將介紹一個具體的基于DSP和USB技術(shù)的數(shù)字采集與處理系統(tǒng)給水泵運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)需要對給水泵運行過程中的過程量和機械量進行采集，需要對振動信號進行處理，下面分別介紹系統(tǒng)的工作原理、總體設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。
　　2 系統(tǒng)工作原理和總體設(shè)計
　　給水泵運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要完成各路機械量和過程量的采集，并對各振動信號進行階比譜分析，計算振動幅度的平均值，并將采集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果上傳PC機，為在線檢修系統(tǒng)的專家系統(tǒng)提供給水泵的運行狀態(tài)信息;同時就地簡單顯示給水泵的狀態(tài)信息，并提供給水泵振動幅值越限和軸向位移越限報警。
　　系統(tǒng)的特點是計算量大，通信數(shù)據(jù)量大，而且給水泵運行狀態(tài)監(jiān)測儀必須提供實時的狀態(tài)數(shù)據(jù)，這就對實時性提出了較高的要求。根據(jù)系統(tǒng)的這些特點我們采用DSP（數(shù)字信號處理器）+USB（通用串行接口）的方案來滿足系統(tǒng)的需求。
　　給水泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP處理器、SRAM、LCD、鍵盤以及基于PLD的接口和邏輯控制電路組成。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。
　　
　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　系統(tǒng)硬件部分的主要內(nèi)容包括DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計、通信模塊的設(shè)計、人機接口模塊的設(shè)計、調(diào)理電路的設(shè)計和電源模塊的設(shè)計。
　　DSP小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、時鐘電路、SRAM接口、Flash memory接口和邏輯控制電路等。這里的DSP控制器選用的是TMS320F240，它具有強大的外設(shè)功能，能為基于控制的應(yīng)用設(shè)計提供高性價比的解決方案。
　　本系統(tǒng)采用了兩種通信接口，分別為USB和RS232接口。USB接口用于儀表向PC機上傳數(shù)據(jù)。RS232接口主要用于調(diào)試和用于與慢速外設(shè)接口，當系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)不多時也可用于儀表向PC機傳輸數(shù)據(jù)，這樣可以簡化PC機軟件的設(shè)計。下面分別對這兩個接口進行介紹。
　　3.1 RS232接口
　　DSP控制器TMS320F240內(nèi)含有一個全雙工的串行接口，通過編程可以很方便的實現(xiàn)RS232串行通信。通信標準采用RS-232C。這里采用 MAX232芯片完成電平轉(zhuǎn)換工作。MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單5V電源供電，雙RS232發(fā)送/接收器，它具有驅(qū)動能力，不需要外加任何驅(qū)動電路。采用MAX232的串行通信接口電路如圖2所示。