基于DSP和USB技術(shù)的數(shù)字采集系統(tǒng)給水泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）作為控制器，而采用USB（通用串行總線）和上位機(jī)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(shì)。
　　1.1 數(shù)字信號(hào)處理器DSP
　　DSP芯片，又稱為數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適用于進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的微處理器，采用它能滿足系統(tǒng)計(jì)算量大的要求。它的主要特點(diǎn)是：（1）它內(nèi)部采用的是程序空間和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，允許同時(shí)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(gè)極其周期內(nèi)可以多次訪問(wèn)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(yùn)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(gè)處理單元，它們可以在一個(gè)指令周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行運(yùn)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(hào)處理應(yīng)用的需要;（6）指令周期短，如TMS320F240 的指令周期可達(dá)50ns;（7）硬件配置強(qiáng)，接口功能強(qiáng)，片內(nèi)具有串行口、主機(jī)接口、DMA控制器、鎖相環(huán)時(shí)鐘產(chǎn)生器和在片仿真測(cè)試訪問(wèn)口等。DSP芯片的這些特點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域得到越來(lái)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(biāo)準(zhǔn)。USB接口是一個(gè)快速的、雙向的、同步的、低成本的、動(dòng)態(tài)的串行連接接口，支持主機(jī)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(guò)主機(jī)調(diào)度和基于令牌的協(xié)議共享USB帶寬。USB 的主要優(yōu)點(diǎn)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(duì)其進(jìn)行自動(dòng)配置;（3）能夠采用總線供電;（4）易于擴(kuò)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(cuò)性強(qiáng)，USB協(xié)議規(guī)定了對(duì)各種可能遇到的錯(cuò)誤的處理和恢復(fù)機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，同時(shí)，對(duì)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(shí)現(xiàn)成本低，USB對(duì)系統(tǒng)與PC的集成進(jìn)行了優(yōu)化，適合于開(kāi)發(fā)低成本的外設(shè)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，USB的應(yīng)用范圍很廣。
　　下面本文將介紹一個(gè)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(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)需要對(duì)給水泵運(yùn)行過(guò)程中的過(guò)程量和機(jī)械量進(jìn)行采集，需要對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，下面分別介紹系統(tǒng)的工作原理、總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。
　　2 系統(tǒng)工作原理和總體設(shè)計(jì)
　　給水泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要完成各路機(jī)械量和過(guò)程量的采集，并對(duì)各振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行階比譜分析，計(jì)算振動(dòng)幅度的平均值，并將采集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果上傳PC機(jī)，為在線檢修系統(tǒng)的專家系統(tǒng)提供給水泵的運(yùn)行狀態(tài)信息;同時(shí)就地簡(jiǎn)單顯示給水泵的狀態(tài)信息，并提供給水泵振動(dòng)幅值越限和軸向位移越限報(bào)警。系統(tǒng)的特點(diǎn)是計(jì)算量大，通信數(shù)據(jù)量大，而且給水泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀必須提供實(shí)時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，這就對(duì)實(shí)時(shí)性提出了較高的要求。根據(jù)系統(tǒng)的這些特點(diǎn)我們采用DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）+USB（通用串行接口）的方案來(lái)滿足系統(tǒng)的需求。給水泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP處理器、SRAM、LCD、鍵盤(pán)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(jì)框圖如圖1所示。
　　
　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　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(jì)、通信模塊的設(shè)計(jì)、人機(jī)接口模塊的設(shè)計(jì)、調(diào)理電路的設(shè)計(jì)和電源模塊的設(shè)計(jì)。
　　DSP小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、時(shí)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(qiáng)大的外設(shè)功能，能為基于控制的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供高性價(jià)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(jī)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(dāng)系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)不多時(shí)也可用于儀表向PC機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，這樣可以簡(jiǎn)化PC機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。下面分別對(duì)這兩個(gè)接口進(jìn)行介紹。