第１１期 李雨田等．基于ＤＳＰ的数据处理器的设计与实现 基于ＤＳＰ的数据处理器的设计与实现 李雨田 刘婧一 宋洪武 孙 旭“ 崔 涛 （国网吉林省电力有限公司ａ．电力科学研究院；ｂ．长春供电公司） 摘要利用ＤＳＰ的内部资源和外设接１：７，设计基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２、ＡＤ转换芯片ＡＤ７６５６和网络芯片 Ｗ５１００的数据处理器，给出了系统硬件结构设计、芯片之间接１７：电路设计和软件实现方法。实现了对工 业现场电压信号和电流信号的实时同步采样，同时对采集到的数据进行相关处理，并利用网络接口将数 据发送到ＰＣ机进行显示和分析。 关键词 数据处理ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＡＤ７６５６ Ｗ５１００硬件结构 电路设计 软件实现 中图分类号ＴＨ８６５ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０００－３９３２（２０１７）１１—１０６５－０５ 在工业测控系统中，对设备运行状态信号进 内的上位机，进行进一步的分析与显示，确定机组 行精确快速采集、监测和记录，是进行工业自动控 的运行状态。 制，以及故障类型和位置分析的基础 。 １ 硬件部分 数字信号处理器（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ， ＤＳＰ）具有强大的控制和信号处理能力，广泛应用 １．１ 整体结构 于通信、工业测控等相关领域。ＡＤ７６５６是一种高 为了准确分析风力发电机组的运行状态，要 速、低功耗、６通道同步采样的１６位模数转换器， 求现场采集的数据要具有同步性，但是 每个输入端都有一个跟踪保持放大器，实现该通 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２内部的ＡＤＣ模块只包含两个采样 道的采样与转换功能，非常适用于多路同步数据 保持器，所以最多只能实现两通道的同步采样。 为此采用ＡＤ７６５６作为外部ＡＤ，实现所有通道的 采集系统 ’ 。Ｗ５１００是一款多功能的单片网络 同步采样。由于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２本身不具有网络 接口芯片，内部集成有１０／１００Ｍｂ以太网控制器， 接口，虽然可以通过ＳＰＩ和ＣＡＮ模块发送数据， 主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌 但是当数据量非常大时发送数据所用时间较长， 入式系统。Ｗ５１００内部集成了全硬件的ＴＣＰ／ＩＰ 不能满足整个系统的工作要求，因此采用Ｗ５１Ｏ０ 协议栈、以太网介质传输层（ＭＡＣ）和物理层 外扩网络接口，实现数据的网络发送，减少发送数 （ＰＨＹ） 。使用Ｗ５１００只需进行简单的端口 据所用时间。 （Ｓｏｃｋｅｔ）编程。Ｗ５１００提供了３种与ＭＣＵ间的 接口：直接并行总线、间接并行总线和ＳＰＩ总线， 笔者设计的数据处理器主要针对现场模拟量 可以方便地实现与ＭＣＵ问的数据传输。同时 信号的采集。为了更好地适应实际需求，分别设 计０～５Ｖ电压信号和４～２０ｍＡ电流信号的外部 Ｗ５１００与ＭＣＵ接口非常简单，就像访问外部存 接口。现场信号经过调理电路处理后进人 储器一样。 ＡＤ７６５６进行ＡＤ转换，然后将转换后的值送人 笔者设计的数据处理器，主要应用于风力发 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２。在ＤＳＰ内对采样数据进行相关处 电机组的状态监测，实时采集现场的振动信号、电 理后，通过Ｗ５１００扩展网络接口将数据发送到 压信号及电流信号等，并对它们进行相关的处理 ＰＣ机上进行显示和分析，从而构成完整的数据采 与分析，然后将数据通过光纤网络传输到主控室 集系统。系统硬件原理框图如图１所示。 作者简介：李雨田（１９８９－），工程师，从事电能计量装置的现场校验工作，１ｉｙｕｔｉａｎ８２９＠１６３．ｃｏｍ。 １０６６ 化工自动化及仪表 第４４卷 引脚相连，将该引脚设置为通用Ｉ／０ ＩＳｌ 然后用该 引脚输出端电平的变化实现对ＡＤ转换的控制； ＢＵＳＹ引脚与ＸＩＮＴ２引脚相连，利用转换完成后 ＢＵＳＹ信号的变化进入ＸＩＮＴ２实现中断，并在中 断内部读取数据；片选信号端与ＧＰＩＯＢＯ相连，一 直保持为低电平，确保数据正常读取；复位端与 ＧＰＩＯＢ１相连，在每次上电后，通过对ＧＰＩＯＢ１脚 输出电平的控制，对ＡＤ７６５６进行复位操作。 １．３ Ｗ５１００与ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的接口设计 本设计中采用直接并行总线的连接方式，即 将Ｗ５１００和ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２相互对应的数据和地 图１ 系统硬件原理框图 址总线直接连接在一起。在该方式下电路设计较 为简单，类似于ＤＳＰ的外扩ＲＡＭ，只是增加了几 １．２ ＡＤ７６５６与ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的接口设计 条控制线，对Ｗ５１００的操作与读写ＲＡＭ是一样 的，操作简便。Ｗ５１００与ＤＳＰ的连接如图３所 示。 ＴＭ￥３２０Ｆ２８ｌ２ ，ＸＺＣＳ２ ，ＸＷＥ ，ＸＲＤ ＡＤ７６５６提供高速并行接口和高速串行接口， 其中并行接口还分为字工作模式和字节工作模 式。本设计中采用高速并行接口与ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 连接。ＡＤ７６５６与ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的连接如图２所 示。 ＴＭ￥３２０Ｆ２８ｌ２ ＧＰ１０ＢＯ ＧＰ１０Ｂ１ ＧＰ１０Ｂ２ ／ＸＲＤ ＸＩＮＴ２ ＡＤ７６５６ ／ＣＳ ／ＲＥＳＴ Ｃ０ＮＶＳＴ ，ＲＤ ＢＵＳＹ Ｗ５１００ ／ＣＳ ／ＷＲ ，ＲＤ ＸＩＮＴ１ ＧＰＩＯＢ３ ，ＩＮＴ ，ＲＥＳＴ ＸＡ【１４．．０】 ＸＤ［７．．０］ ＡＤＤＲ【１４．．０】 ＤＡＴＡ［７．．０】 ＸＡ［１５．．Ｏ】 ＡＤＤＲ［１５—０】 图３ Ｗ５１００与ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２连接 图２ ＡＤ７６５６与ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２连接 １．４系统调理电路 由于现场数据信号会包含较多的噪声，为此 为了实现６路ＡＤ通道同步采样，将ＣＯＮＶＳＴ 的Ａ、Ｂ、Ｃ３个引脚连在一起，与ＤＳＰ的ＧＰＩＯＢ２ 需对采集到的数据先进行相关的处理，如滤波处 理和幅值调制，电压信号调理电路如图４所示。 Ｔ Ｚｌ４ ３Ｖ 图４ 电压信号调理电路 第１１期 李雨田等．基于ＤＳＰ的数据处理器的设计与实现 虽然电流信号的抗干扰能力强，但是ＡＤ７６５６ 只能够对电压信号进行采样和转换，因此需要通 过调理电路对电流信号进行处理，转换成对应的 电压信号，电流信号调理电路如图５所示。 图５ 电流信号调理电路 ２ 软件部分 过Ｔ１定时器周期中断来控制ＡＤ７６５６的启动转 换信号，从而根据周期中断的时间确定采样频率； 在转换信号启动后，等待转换完成后ＢＵＳＹ信号 电平的变化，从而进入ＸＩＮＴ２中断，在中断内读 取转换数据，完成一次采样。然后重复以上操作， 直到完成所有数据的采样，并进行相关的数据处 理。然后准备数据的发送，首先对Ｗ５１００进行初 始化，配置相应的ＩＰ地址、子网掩码及网关地址 ２．１ 软件工作流程 系统程序的设计实现，主要是针对 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２进行软件编程。系统工作流程如图 ６所示。 等信息；然后对所用端口初始化，配置对应的端口 号和工作模式；侦听上位机的连接请求，一旦建立 连接进入ＸＩＮＴ１中断，完成数据的发送和接收； 当完成数据的传输后，再次进入中断断开连接，然 后重复上述操作，实现数据的传输 。 ２．２ ＸＩＮＴＦ外部接口 外部接口ＸＩＮＴＦ主要用来对ＤＳＰ进行相关 功能的扩展，如ＳＲＡＭ、ＡＤＣ模块等。本设计中， 外扩的ＲＡＭ、ＡＤ７６５６和Ｗ５１００都属于其扩展模 块，因此都需映射到对应的ＸＩＮＴＦ区域内，其中 ＡＤ７６５６对应Ｚｏｎｅ０、Ｗ５１００对应Ｚｏｎｅ２、外扩 ＲＡＭ对应Ｚｏｎｅ６。由于外扩的模块通常与ＤＳＰ 本身的处理速度不同，因此需要配置相应寄存器 实现与慢速外部存储器的接Ｅｌ：配置ＸＩＮＴＣＦ２控 制对应的工作时钟等；配置ＸＴＩＭＩＮＧ０／２／６决定 对应的建立、激活及跟踪周期等；配置ＸＢＡＮＫ为 对应的区域添加等待周期 。 图６ 工作流程 ２．３ ＡＤ７６５６ ２．３．１ ＡＤ７６５６的启动采样程序 首先对ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２进行系统初始化，其中 包括系统主频和相关时钟的确定、ＧＰＩＯ口的初始 化、中断向量表的分配和中断的初始化。然后通 根据数据手册可知，ＣＯＮＶＳＴ的Ａ、Ｂ、Ｃ引脚 在上升沿信号触发时，启动ＡＤＣ转换。由于这３ 个引脚都连接在ＧＰＩＯＢ２上，因此可以通过控制 化工自动化及仪表 第４４卷 ＧＰＩＯＢ２ Ｌ】输出电平的变化来启动采样。程序代 码如下： Ｇｐｉｏ１）ａｔａＲｅｇｓ．ＧＰＢＣＬＥＡＲ．ｂｉｔ．（，ＰＩＯＢ２＝ｌ： ＤＥＩ ＡＹＵＳ（２）； 种连接方式，本设计采用服务器模式，等待接收上 位机的连接请求，然后建立连接传输数据。对于 Ｗ５１００，在编程中，只需对使用的端口进行简单设 置与编程 叮。由于采用直接许行总线方式与 ＤＳＰ进行连接，因此对于Ｗ５１００相关寄存器的操 作，可以直接通过总线进行读写。如对Ｗ５１００进 行软件复位，程序代码如下： ｕｎｓｉｇｎｅ，ｄ ｃｈａｒ ｐｔｒ； ＧｐｉｏＤａｔａＲｅｇｓ．ＧＰＢＳＥ＿ｒ．ｂｉｌ．ＧＰＩＯＢ２＝１： ２．３．２ ＡＤ７６５６的数据读取程序 所有通道转换完成后，ＢＵＳＹ引脚由高电平 变为低电平，程序进入ＸＩＮＴ２中断，枉中断内渎 取转换数据，完成一次数据的采样干¨渎取。为了 准确读取采样数据，首先要在ＣＭＤ文件中分配外 部存储地址，然后在主函数文件内声明对应的数 据空间，最后进入中断函数内读取数据。程序代 码如下： ＃ｄｅｆｉｆｌＰ ＺＯＮＥ０ （ｉｎｔ ）ＯｘＯ０２０００ ｐｔｒ＝（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ）Ｗ５１Ｏ０一ＭＯＤＥ； ｐｔｒ＝ＭＯＤＥＲＳＴ； 根据数据手册，学习相关寄存器的功能与用 法，然后通过以上方式配置对应寄仔器，完成 Ｗ５ｌ（）０初始化、端口初始化、侦听和数据发送与 接收子程序的编程，从而实现数据的网络发送。 ２．５数据的 示和分析 将数据处理器通过光纤网络 上位机相连， ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜６；ｉ＋＋） ＡＤ『ｉ］＝ ＺＯＮＥ０： ２．４ Ｗ５ｌ００ 将数据传输剑其分析界面，以供进一步的分析与 处理。该分析和显示界面（ ７）足 于ＬａｂＶＩＥＷ Ｗ５ｌ００采用 ＦＣＰ通信方式，是一种以连接为 基础的通 。ＴＣ１ 有帔务器模式和客户端模式两 软件开发实现的，不仅可以记录数据的ｊＩＬ体数值 和时域波形，还可以进行卡口关的频域分析。 图７ 数据显示和分析界面 ３ 结束语 基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２、ＡＤ７６５６和Ｗ５１００芯片， 速度和稳定性。该系统已经应用于某风力发电机 组状态监测系统中，实践证明，具有较好的稳定性 和可靠性。 参 考 文 献 ［１］ 郭涛，张英祥，陈峰．基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的数据采集 设计＿ｒ一套数据处理器，实现ｒ对风力发电现场 电压信号和电流信号的同步采样，以及通过网络 接口利用ＴＣＰ／ＩＰ协议实现了数据传输。在保证 数据采样同步性的同时，大幅提高了数据传输的 第１１期 李雨田等．基于ＤＳＰ的数据处理器的设计与实现 ｌ０６９ 监测系统设计［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１０，（１）： 太网数据通信系统中的应用［Ｊ］．工业控制计算机， １４４～１４６． ２００８，２１（８）：２０—２１． ［２］ 陈立万，黄青龙，刘万里．基于ＦＰＧＡ的数据采集监 ［５］ 关宗安，仲丛久，张芝贤，等．基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 测系统设计［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版）， ＤＳＰ的网络通信系统设计［Ｊ］．电子技术应用， ２０１１，３４（３）：３５９～３６２． ２００９，３５（３）：９４—９６． ［３］ 蒋建军，徐群．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２与模数转换器ＡＤ７６５６ ［６］ 宁改娣，杨拴科．ＤＳＰ控制器原理及应用［Ｍ］．北 的接１：３设计［Ｊ］．科技信息（学术研究），２００７，２０ 京：科学出版社，２００２． （６）：２３～２４． ０５－０３，修回Ｅｔ期：２０１７－０９－０５） ［４］ 邹依依，郭灿新，黄成军，等．Ｗ５１００在ＤＳＰ远程以 （收稿日期：２０１７－Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄａｔａ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ＬＩ Ｙｕ－ｔｉａｎ ，ＬＩＵ Ｊｉｎｇ—ｙｉ ，ＳＯＮＧ Ｈｏｎｇ—ＷＵ ，ＳＵＮ Ｘｕ ，ＣＵＩ Ｔａｏ （８．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ；ｂ．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｊｉｌｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｒｏｕｇｈ ｍａｋｉｎｇ ｕｓｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ （ＤＳＰ）ａｎｄ ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ａｎｄ ＡＤ７６５６ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｈｉｐｓ ａｎｄ Ｗ５１００ ｄａｔａ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｈｉｐ，ａ ｄａｔａ ｐｒｏ— ｃｅｓｓｏｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｉｔｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｍｏｎｇ ｃｈｉｐｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏ，ｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｆｉｅｌｄ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒ— ｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｈａｖｉｎｇ ｔｈｅ ｄａｔａ ｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ＰＣ ｆｏｒ ｄｉｓ— ｐｌａｙ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＤＳＰ，ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２，ＡＤ７６５６，Ｗ５１００，ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ， ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ 《化工自动化及仪表》征稿简则 １．专业范围 报道化工、石油化工、冶金、电力、医药、造纸、纺织等行业过程控制理论与应用、计算机技术及其应用、检测技术研究 与应用、控制装置设计及应用、仪器仪表技术开发与应用、企业技术改造经验等。 ２．报道内容 ◆综述与评论。博采众览，兼收并蓄，及时、准确、全面地反映国内外过程控制技术、检测技术、计算机技术及仪器仪 表技术的发展动态、趋势和水平。著文要求准确性和权威性，信息量大，能够较全面地阐明命题的过去、现状及发展。 ◆过程控制。报道现代控制理论的研究与应用，新型控制策略及控制技术的应用实例；先进控制系统及控制装置的 现场应用；国家重大科技攻关项目及成果。 ◆检测与仪表。报道国内外先进的检测技术、自动化仪器仪表技术的开发与应用。 ◆研究与应用。报道控制技术、检测技术、计算机技术、仪器仪表技术等的研发及其在工业生产中的应用。 ◆技改与创新。报道技术改造和技术成果，系统及仪表的日常检测与维修经验等，著文要求突出实用性。 ３．投稿要求 ◆文稿应简明扼要，突出重点，公式、数据准确。 ◆要求Ｅ．ｍａｉｌ投搞，一律为Ｗｏｒｄ文档（Ａ４幅面，单倍行距，通栏，五号字体），不受理复印稿或传真稿。 ◆每篇文章请附１５０～２００字中、英文摘要，４—６个中、英文关键词，作者所在单位的中、英文名称。 ◆若条件允许，每篇文章请附中图分类号（分类方法请参考《中国图书馆分类法》第四版）。 ◆图、表要有图题、表题，图中文字、符号、数字、图注需清楚，图、表中标注尽量用中文。 ◆公式另行居中书写，大／小写、上／下标标注清楚。 ◆为使您的稿件能够被及时处理，投稿时请务必提供每位作者的详细信息，包括邮编、联系地址、工作单位、电话等。 ４．稿件受理 ◆来稿收到后即以电子邮件方式给以回复，并分配稿件登记号，以便于查询。 ◆投稿后若有变动（如撤稿，作者通讯地址、联系方式改变等），请务必通知编辑部。 ◆审稿周期为１５个工作日。 ◆刊物出版后，向作者赠送两本当期刊物。
