基于ADSP－BF518的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計*

劉春陽，隋　新，李濟順，，韓紅彪，馬喜強

(1.河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南洛陽471003; 2.河南省機械設(shè)計與傳動系統(tǒng)重點實驗室，河南洛陽471003)

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基于ADSP－BF518的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計*

劉春陽1*，隋新2，李濟順1，2，韓紅彪1，馬喜強2

(1.河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南洛陽471003; 2.河南省機械設(shè)計與傳動系統(tǒng)重點實驗室，河南洛陽471003)

摘要:針對大型立磨、風力發(fā)電機、提升機等設(shè)備狀態(tài)參數(shù)較多、信號采集困難、數(shù)據(jù)處理要求高等特點，設(shè)計了以ADSPBF518芯片為核心的通用型設(shè)備狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，詳細闡述了硬件設(shè)計中DSP的設(shè)計、基于CPLD的功能拓展、ADC采樣和DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換、板間同步與網(wǎng)絡(luò)通訊接口等關(guān)鍵技術(shù)，借助網(wǎng)絡(luò)接口進行拓展，可組成狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，適用于單個或多個設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測與故障診斷。通過某風場的實際應(yīng)用，驗證了該系統(tǒng)的可靠性與有效性。

關(guān)鍵詞:狀態(tài)監(jiān)測;信號采集;網(wǎng)絡(luò)通信; ADSP

項目來源:河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(132300410447) ;河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(14B460028)

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種大型裝備如盾構(gòu)機、立磨機、風力發(fā)電機、礦井提升機等得到廣泛的應(yīng)用，由于這些設(shè)備價格高、維護成本高，又常常是工程生產(chǎn)推進的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其運行狀態(tài)各項參數(shù)的監(jiān)測管理成為保障設(shè)備安全正常運轉(zhuǎn)的有效途徑［1－3］。但由于大型設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)較多，對狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、處理速度要求較高，加上設(shè)備的工作條件復(fù)雜，工作運轉(zhuǎn)周期長，監(jiān)測節(jié)點多而分散等諸多因素，目前，市場上尚缺乏成熟可靠的大型設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)［4－5］。

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的普及和發(fā)展，不斷有高性能、低功耗的DSP應(yīng)用到信號采集和處理系統(tǒng)當中［6］。目前，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多以TI的DSP作為處理核心［7－8］，盡管TI的DSP在市場占有率、算法支持等方面領(lǐng)先，但ADI公司的DSP在C語言編譯效率、編程難易程度、代碼密度等方面更具有優(yōu)勢［9－10］，在同級別處理器性能指標上和TI的DSP不相上下，對功耗的控制也具有一定優(yōu)勢。因此，本文設(shè)計了一種以ADSP－BF518處理器為核心的通用型多通道數(shù)據(jù)采集裝置GCMD(General Condition Monitoring Device)，可以安裝到設(shè)備的關(guān)鍵節(jié)點，連接不同類型傳感器及前端調(diào)理電路，就可以實現(xiàn)對機器設(shè)備的振動、轉(zhuǎn)速、溫度、濕度、壓力等參數(shù)進行采集，實現(xiàn)參數(shù)采集、處理、存儲、傳輸、反饋控制等功能，具有處理速度快、采樣速率可調(diào)、接口簡單、擴展方便等特點，通過網(wǎng)絡(luò)通信接口可以組成分布式狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，配合上位機軟件對機器設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)測。借助DSP的強大數(shù)據(jù)處理能力，對采集的各項信號數(shù)據(jù)進行分析處理，便于了解機器設(shè)備的運行狀態(tài)，預(yù)測設(shè)備需要采取維護措施的時間，幫助判斷設(shè)備故障原因，提高設(shè)備運行的效率和可靠性。

1　系統(tǒng)設(shè)計

由于風力發(fā)電機、立磨機、礦井提升機等大型設(shè)備內(nèi)部包含有多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)需要采集的狀態(tài)參數(shù)包括振動、轉(zhuǎn)速、溫度、濕度、電壓、電流、壓力等多個信號，因此單臺GCMD作為信號采集和處理的單元，既要可以實現(xiàn)對多個狀態(tài)參數(shù)的同步采集，又需要能夠方便的和其他GCMD設(shè)備組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同工作，滿足監(jiān)測系統(tǒng)對信息采集與處理的要求。因此本設(shè)計采用了單個GCMD作為監(jiān)測節(jié)點，利用Internet/Intranet方式組成分布式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案，ADSP作為數(shù)據(jù)采集和處理的核心，通過遠程通信將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，完成對設(shè)備各個關(guān)鍵部件的有效監(jiān)控，可根據(jù)不同的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測需求，選擇合適的前端傳感器和調(diào)理電路，實現(xiàn)對不同設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，具有一定通用性和實用性。

1.1GCMD硬件設(shè)計

圖1是基于ADI公司ADSP－BF518處理器的GCMD硬件設(shè)計框圖。硬件系統(tǒng)以BF518為核心，采用CPLD擴展ADSP的接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、傳輸、反饋控制等功能。

圖1　GCMD硬件設(shè)計框圖

1.1.1ADSP核心

圖1中的ADSP－BF518是Blackfin系列DSP的代表性芯片，是一種新型的16位定點數(shù)字信號處理器，具有高性能、低功耗的特點，運算處理能力強大且能實現(xiàn)CPU的多任務(wù)管理，內(nèi)部集成有高速串行通信接口、含LWIP協(xié)議棧的以太網(wǎng)MAC、實時時鐘、可移除存儲設(shè)備接口等豐富資源。BF518內(nèi)核時鐘最高可以達到400 MHz，具有最多40個可用的GPIO口，適合于工業(yè)控制、多媒體處理、便攜式設(shè)備應(yīng)用，具有非常高的靈活性和擴展性。GCMD在DSP的外圍還配置了FLASH、SDRAM、Micro-SD等存儲器件，可制成便攜式測量裝置，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的離線分析。

1.1.2CPLD的功能拓展

硬件設(shè)計采用ADSP處理核心板+CPLD功能擴展板的分體式設(shè)計方案，二者通過插針硬性連接，采用自定義總線進行通信，實現(xiàn)ADSP核心對A/D模塊、D/A模塊、I/O接口、轉(zhuǎn)速測量模塊的控制，并由CPLD控制數(shù)據(jù)采集時的同步邏輯和事件響應(yīng)。CPLD選用的是EPM7128S，宏單元數(shù)量滿足系統(tǒng)需求，引腳兼容5V和3.3V邏輯電平，便于和工業(yè)設(shè)備信號對接。功能板可根據(jù)采集信號的特點進行修改，便于系統(tǒng)的升級和功能的擴展，提高了GCMD的靈活性和實用性。

1.1.3ADC模塊

作為信號采集不可或缺的重要組成部分，GCMD擴展板中的A/D轉(zhuǎn)換模塊以ADS8568芯片為采樣核心，單個芯片具16位的分辨率，最多可實現(xiàn)8通道同時采樣，輸入電壓范圍設(shè)為±10 V，工作溫度范圍為－40℃～+125℃。

圖2為A/D轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計原理圖。傳感器采集的振動、溫度、壓力等信號經(jīng)過前端調(diào)理后，送入ADS8568進行轉(zhuǎn)換處理。A/D轉(zhuǎn)換完成后，BUSY信號的下降沿觸發(fā)ADSP的I/O口中斷，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進行讀取和存儲。由于ADS8568的特點，其完成轉(zhuǎn)換的時間最長為1.7 μs，每次轉(zhuǎn)換后需要讀取8個通道的數(shù)據(jù)，因此讀寫操作的時間會影響到采樣頻率，在BF518的SCLK工作在100MHz的情況下，讀寫操作的時序設(shè)置為最短，其實際并行輸出的最大轉(zhuǎn)換速率為250 kHz左右。采樣脈沖的頻率由計數(shù)器對20.48 MHz的時鐘信號分頻后由ADSP進行調(diào)節(jié)，在0.1 Hz～200 kHz范圍內(nèi)可調(diào)，以適應(yīng)不同傳感器的采樣需求。采樣脈沖也可以由外部信號通過外部觸發(fā)接口提供。

圖2　ADC模塊的設(shè)計電路圖

1.1.4板間同步與網(wǎng)絡(luò)通訊

當需要監(jiān)測的參數(shù)較多時，可以采用多個GCMD協(xié)同采樣，這時就需要板間的同步控制。GCMD通過高速串行通信接口實現(xiàn)多套采集裝置間的采樣同步觸發(fā)，使其具有轉(zhuǎn)速測量、同步跟蹤等功能，確保了多通道數(shù)據(jù)采集的同步性。

圖3　網(wǎng)絡(luò)接口的物理層電路設(shè)計

借助ADSP內(nèi)部的EMAC模塊、物理層協(xié)議芯片DP83848、集成網(wǎng)絡(luò)變壓器的HR911105A型RJ45接口完成了網(wǎng)絡(luò)通訊接口設(shè)計，物理層電路設(shè)計如圖3所示。集成的EMAC模塊，具有10 M/100 M網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)接口模式，利用自帶的LWIP協(xié)議棧，可在ADI公司提供的VDSP++開發(fā)環(huán)境中根據(jù)向?qū)苫贚WIP的工程，只需要簡單修改一下時鐘配置，就可以自動從路由器獲取IP地址。通過Socket編程就可以輕松實現(xiàn)通訊功能，這大大的縮短了網(wǎng)絡(luò)通信接口的設(shè)計和開發(fā)的周期。

1.1.5DAC模塊

考慮到設(shè)備的維護與管理中可能需要一些的控制功能，GCMD還設(shè)計了模擬量和數(shù)字量的反饋輸出通道。模擬量的反饋輸出利用低功耗的DAC7828實現(xiàn)，具有16位分辨率和8個輸出通道，數(shù)據(jù)采用并行輸入方式，輸出信號建立時間為15 μs，參考電壓為5 V時可以輸出最大±15 V范圍的電壓信號，并具有可編程的增益和偏移設(shè)置，便于調(diào)整輸出信號的幅值范圍和極性。

圖4為D/A轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計電路，外圍配置引腳RSTSEL和BTC決定了上電后DAC8728的工作狀態(tài)以及數(shù)字量的編碼格式。本設(shè)計中采用了互補二進制編碼的格式，0～7FFFh為正值，數(shù)值大小即為數(shù)據(jù)本身編碼值大小; 8000h～FFFFh為負值，數(shù)值大小為編碼值取反加1。通過選擇數(shù)據(jù)的格式，并設(shè)置偏置寄存器為0x2AAB，可以使得輸出通道輸出范圍為±10 V，滿足一般設(shè)備控制信號的要求。

圖4　DAC模塊設(shè)計

1.1.6I/O接口的擴展

為滿足測量裝置對數(shù)字元件的控制需求，經(jīng)CPLD擴展的I/O接口能夠同外部數(shù)字元件進行交互，并通過光電耦合器件對信號進行隔離，提高了I/O接口的抗干擾能力。數(shù)字量的輸出采用數(shù)據(jù)線賦值，CPLD地址譯碼后控制鎖存器輸出;輸入量通過光電耦合器件進行隔離和電平轉(zhuǎn)換后，由CPLD 向ADSP提起中斷請求，ADSP從CPLD中讀取輸入狀態(tài)。

1.1.7電源模塊設(shè)計

根據(jù)GCMD硬件設(shè)計的方案，系統(tǒng)采用5 V、± 15 V 3種電源供電的設(shè)計方案，5V為CPLD內(nèi)核、ADC、DAC供電，同時5V經(jīng)過LM1117芯片，轉(zhuǎn)換為3.3 V、1.3 V、2.5 V為ADSP供電?！?5 V為ADC、DAC供電，同時，+15 V經(jīng)過REF5050芯片轉(zhuǎn)換為5 V參考電壓，作為DAC的外部參考電壓使用。ADC采用內(nèi)部的2.5 V參考電壓工作。電源的監(jiān)測采用ADM708芯片監(jiān)測3.3 V信號，并產(chǎn)生復(fù)位信號。

圖5為制成的GCMD的核心板實物圖。

圖5　GCMD核心板布局圖

1.2GCMD嵌入式軟件開發(fā)

GCMD使用的是ADI公司的Visual DSP ++軟件，完成嵌入式程序的開發(fā)?？紤]到系統(tǒng)以后的功能升級，GCMD機載軟件采用基于VDK的多線程任務(wù)內(nèi)核開發(fā)，采用C/C++語言編寫，具有良好的可移植性。在所編制的多線程任務(wù)中，主線程負責從路由器獲取IP地址并維持網(wǎng)絡(luò)通信和電源管理，其他線程根據(jù)線程信號量，負責網(wǎng)絡(luò)報文解析、配置參數(shù)管理、ADC數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、DAC輸出管理、I/O硬件管理等功能。

基于VDK的多線程編程需要新建線程類型，并設(shè)置啟動線程，根據(jù)線程的功能設(shè)置優(yōu)先級，然后就可以編輯代碼實現(xiàn)具體的功能，并利用線程信號量進行線程間的同步協(xié)調(diào)。由于利用LWIP工程向?qū)Ы⒌墓こ檀a里已經(jīng)包含了對系統(tǒng)時鐘和存儲器接口的初始化，因此只需要根據(jù)系統(tǒng)的實際要求，修改合適的工作時鐘和讀寫操作時間，就可以獲取IP地址。

GCMD與上位機間的網(wǎng)絡(luò)通信采用的是cJSON報文格式，利用cJSON函數(shù)可以很方便的對數(shù)據(jù)進行打包，以及對接收的數(shù)據(jù)進行解析，提高了數(shù)據(jù)處理的效率，而且便于調(diào)試和分析。針對不同設(shè)備的監(jiān)測參數(shù)以及配置參數(shù)，可以通過軟件適配的方法，很方便的修改程序，使之服務(wù)于不同種類的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

2　實驗與應(yīng)用

2.1振動信號采集實驗

調(diào)試后的GCMD應(yīng)用于超微圓柱滾子動平衡檢測試驗中的微弱振動信號采集。利用GCMD采集的電機轉(zhuǎn)速信號如圖6(a)中的黑色方波所示，在其激勵下，超微圓柱滾子動不平衡量引起的振動響應(yīng)信號如圖6(a)中的紅色類正弦波所示。實驗中滾子質(zhì)量為4.4 g，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，GCMD采樣頻率為12.8 kHz，采樣點數(shù)4 096點。采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，計算得到滾子的動不平衡量引起的振動幅值約為0.5 μm。

利用GCMD搭建起來的動平衡測試系統(tǒng)，在滾子轉(zhuǎn)動頻率為10 Hz～120 Hz范圍內(nèi)，測量不同轉(zhuǎn)速下，超微圓柱滾子去除一定重量前后的振動情況，結(jié)果如圖6(b)所示。通過對測試結(jié)果的分析，可以建立動不平衡量引起的振動與激勵頻率的響應(yīng)關(guān)系，便于分析滾子動不平衡量對轉(zhuǎn)動的影響。

圖6　超微圓柱滾子動平衡振動響應(yīng)信號提取及分析

2.2GCMD在大型風場的應(yīng)用

利用GCMD組成的分布式狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有風場狀態(tài)監(jiān)測SCADA軟件相結(jié)合，形成了完整的風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于河南省某風場的實際風電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中。由于GCMD易安裝于風機的齒輪箱、葉片、主軸等關(guān)鍵部位，可有效采集和處理風機中關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)的振動、溫度、轉(zhuǎn)速等實時狀態(tài)參數(shù)信息。上位機SCADA軟件通過網(wǎng)絡(luò)通訊獲得采集數(shù)據(jù)，并將信號波形綜合顯示在界面上，供管理人員對風電設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)測，為風機故障的預(yù)測與診斷提供依據(jù)。圖7給出了風電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測上位機軟件界面。

3　結(jié)論

針對風力發(fā)電機、大型立磨、礦井提升機等設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)多、監(jiān)控難度大的特點，本文給出了一種基于數(shù)字信號處理技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)以ADSP－BF518為處理核心，具有運算能力強、處理速度快等優(yōu)點，可實現(xiàn)多通道的獨立采樣，并配有DAC、數(shù)字I/O、轉(zhuǎn)速測量接口等功能模塊，可通過網(wǎng)絡(luò)接口擴展為分布式狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于實際風場的設(shè)備監(jiān)測，驗證了該裝置的可靠性、有效性，為推廣風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測、降低風電企業(yè)運行與維護成本，具有推動和促進作用。需要說明的是，由于GCMD硬件架構(gòu)的開放性與可拓展性，該系統(tǒng)也適用于其他大型設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測的應(yīng)用，既可以使用單獨模塊進行數(shù)據(jù)采集，也可以將多個模塊組成分布式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，具有靈活多變、功能通用的特點，并具有廣闊的市場前景。

圖7　風電設(shè)備狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測上位機界面

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劉春陽(1982－)，男，滿族，河北人，博士，現(xiàn)在就職于河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，講師，主要從事精密測試技術(shù)、激光加工技術(shù)的研究，chunyangliu @ 126.com。

The Design of Automotive EPS System Based on MCU and Fuzzy Control

LIU Zengjun*
(Department of Electrical Engineering，Jilin Railway Technology College，Jilin Jilin 450011，China)

Abstract:The structure and hardware system of the EPS system is introduced.The EPS system is designed based on mcu XC2365，and the brushless DC motor is controled by XC2365.The control strategy is based on fuzzy controller.Simulation results，which conducted by Matlab software，show that the vehicle has a better performance and more robustness than tradition control strategy.Then the EPS system is mounted on the test vehicle，and the results of test also show that the system is good.

Key words:EPS; fuzzy control; simulation; mcu

中圖分類號:TP273.5

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0661－06

收稿日期:2014－06－26修改日期: 2014－07－21

doi:EEACC: 7210B; 1265F10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.039