基于DSP的实时振动检测单元设计

基于DSP的实时振动检测单元设计王一摘要：为了更好地检测船舶上的振动，本文利用以太网和TMS320F2812DSP构建了实时振动检测系统。着重介绍了振动检测单元的硬件实现，基于有限冲激响应(FIR)数字滤波与快速傅立叶变换(FFT)的实时数据处理过程，以及基于用户数据报协议（UDP）的数据传输过程。本系统通用性好，可靠性高，实时性强。关键词：振动；TMS320F2812;快速傅立叶变换(FFT);有限冲激响应(FIR)数字滤波;用户数据报协议（UDP）引言噪声振动在船舶上已经引起了重视，对噪声的研究不仅可以使人们方便地根据其振动的频谱特性来诊断船舶的机械动力设备运行特性，还能保护船舶上工作人员的健康。同时，船舶机械动力设备的运行情况复杂，需要实时并且同时测试设备不同部分的振动，以便更好的反应设备在不同时刻的运行状况。为此，我们搭建了基于UDP协议的分布式测控网络，设计了基于TMS320F2812振动检测单元。1.系统的网络结构本系统采用“主控计算机－交换机－交换机－振动检测单元”的分层网络结构，如图1所示。在船舶内相关位置安装振动加速度传感器，检测船舶内的振动情况和耐压壳外的白噪声情况；振动检测单元主要用来处理和传输传感器的输出信号；主控计算机通过UDP协议和各个振动检测单元进行通信。在主控计算机和程控交换机、程控交换机和振动检测单元之间通过以太网传输数据。为使系统的成本和速度兼顾，振动检测单元和交换机之间的传输介质选用屏蔽网线，而计算机和交换机之间以及交换机和交换机之间则采用光纤。2．振动检测单元的设计2.1振动检测单元原理框图及硬件实现振动检测单元的结构如图2所示，8个振动加速度传感器组成一个节点单元。传感器输出的模拟信号先经程控放大，然后进入放大及处理单元，在这里对信号进行抗混叠滤波以限制带宽，并对信号幅值调整使之适应TMS320F2812的A/D输入范围，接着是8路A/D转换，每次A/D转换后马上进行FIR数字滤波，每采集16384x8个点后，进行FFT变换，求出相应的频域值，最后将这些数据经过一定变换，由TMS320F2812进行UDP打包封装，经过以太网芯片RTL8019AS送到主控计算机。本设计中，程控放大模块AD526可对信号进行1，2，4，8，16倍放大，主要用来控制量程。放大和处理模块由LM324四运放实现，包括抗混叠滤波，信号的调整和放大。图１系统网络结构············主控计算机交换机交换机1交换机2交换机4振动检测单元1单元8振动检测单元25单元32······TMS320F2812是TI公司最新推出的32位定点DSP[1]，利用它的XINF（外部数据接口）模块与CPLD一起实现对RAM和RTL8019AS的访问和控制；使用它的GPIO（通用I/O口）模块控制AD526的倍数选择端口；通过它的16通道A/D转换模块可获得单通道最快25MHz的A/D转换速率。RTL8019AS是10M以太网接口控制芯片，包括MAC和PHY两部分，它与DSP一起完成UDP数据发送接收功能。RAM模块使用了CY7C1041V33，它是256K16位SRAM，用来存放FIR处理后的A/D转换数据，同时作为FFT处理缓冲区。CPLD采用EPM7032AE，实现RAM和RTL8019AS的片选译码，RTL8019AS的中断管理等。2.2振动检测单元的DSP软件设计振动检测单元是系统的核心，直接影响到系统工作的质量和检测的结果，而振动检测单元又以TMS320F2812DSP的振动信号数据处理为核心。对信号进行数据处理，主要用到有限冲激响应（FIR）数字滤波、快速傅立叶变换（FFT）和基于UDP协议的数据传输。本系统中，要实现频率检测范围0~10,000Hz，最小频率分辨率2Hz；由于DSP的A/D采集速率是106级，而待处理信号最高频率10K，故可认为8路模拟信号相当于同时采集。2.2.1有限冲激相应（FIR）数字滤波的实现[2]对于时域中的输入信号x(t)，和传递函数h(t)经过卷积变换后，得到响应函数y(t)；经过抽样后，式（1）变换为差分方程式（2），N表示阶数，阶数越高，也就相当于h(t)的抽样点越多，h(n)和h(t)的近似程度越好，则滤波过渡带越窄，幅度响应也更理想。y（t）=h（t）*x（t）……(1)，)()()(10knxkhnyNk……(2)由于h(n)函数的对称性，即h(0)=h(N)，h(1)=h(N-1)，…，所以对于每个响应点y(n)，做N/2次乘法和N-1次加法。当N=100，FIR数字滤波程序使用约50次乘法和100次加法，当DSP运行在120MHz时，1次FIR数字滤波处理至多需2us，8路传感器信号A/D转换时间不超过1us，即单次8路A/D转换和8次FIR数字滤波处理共需约3us。本系统中，FIR数字滤波采样率32,768次/s，滤波截止频率12kHz，完全满足需要。图3输入原始信号波形图4输出滤波信号波形放大及处理程控放大程控放大放大及处理RTL8019ASRAMCPLDCB第1路传感器第8路传感器图2振动检测单元原理框图DBABTMS320F2812A/D模块XINTF模块GPIO模块……中断图5FFT变换后频域图形本设计采用TI提供的C28XFIR数字滤波支持程序，主要包括FIR数字滤波程序的初始化，阶数及滤波参数设置，FIR数字滤波计算等。具体见参考文献[3]。图3和图4分别表示输入的原始波形和经过FIR处理后的波形。2.2.2快速傅立叶变换（FFT）的实现傅立叶变换是一种时域到频域的变换。本设计采用TI提供的C28XFFT支持程序。主要包括FFT的初始化、输入数据的位反转变换、FFT计算、FFT分割运算和FFT变换后幅度值运算。具体见参考文献[4]。本系统中，由于采样频率为32,768hz，为了实现2hz的分辨率，采样点至少16384个。在做32位FFT运算时，要16,384*2+4=32,772个16bit存储单元，而TMS320F2812只有18K内部RAM，故必须在外扩RAM中运行FFT，这样，速度上受到一定限制。如果设置DSP外部数据线接口的建立、激活、保持时间分别为1、1、1时，在DSP运行在120MHz是，外部数据吞吐速率为40MHz。处理1024点的FFT变换，需要约80,000个时钟周期[4]，根据比例关系处理16,384点FFT需要约1.8M个时钟周期。因此，在40M时，每秒可运行22个16,384点FFT。这样，加上16,384点数据采样时间0.5秒，运行8个16384点FFT需要不超过0.5秒，完全满足2秒一轮转换的要求。设图4为待处理信号，则其FFT变换后的频域图形如图5所示。由图5可以看出，由于输入信号没有直流分量，故在f=0处变换值为0，整个图形只出现一个尖峰，说明信号频谱比较单一，也间接说明FIR数字滤波的效果。2.2.3UDP数据传输的实现由于INTERNET的普及，TCP/IP协议已成为事实上的网络通信标准。UDP协议是TCP/IP协议的一个子集[5]，因为其实时性较好，所以广泛应用于如流媒体等实时数据传输。我们将传输前的数据按照自己的协议加密或者打包校验，数据传输的可靠性大大增加。3．软件流程图DSP软件采用C和汇编混合编程。中断模块用汇编语言编写，可使程序效率高，FFT和FIR数字滤波运算主体是用汇编语言编写的，可从TI公司网站[6]下载。4．结束语1）放大和处理部分：当放大倍数（是AD526和LM324放大倍数的乘积）取400时，而A/D能处理的最大信号为3V，因此，可以检测到最小为3.75mv的输入信号。2）软件部分：32,768hz的采样频率，16,384点FFT，实现最小分辨率2Hz。达到设计要求。在DSP采用120M时钟频率时，则最快每秒运行22个16,384点的FFT，UDP传输速率可达到高于4Mbps，完全满足实时传输要求，并为以后扩展打下良好的基础。3）由于振动检测单元采用的是单路固定量程测量模式，不能自动识别传感器输入电压。下一步，可以增加自动识别传感器输入电压功能，则系统的适应性会更好。本系统已稳定的运用于船舶上，可靠性好，并且易于扩展，有很强适应性。初始化DSP初始化网络开中断AD转换8次FIR转换16384次8次FFT变换数据处理封装ARP请求主机应答UDP数据发送图6软件流程图转换完成否否是否转换完成参考文献1．TMS320F2810,TMS320F2812DigitalSignalProcessors,TexasInstrumentsIncorporated,2003.72．郑君里等，信号和系统下），高等教育出版社20003．FilterLibraryModuleuser’sGuideC28xFoundationSoftwareDOCUMENT：SPRC0824．FFTLibraryModuleuser’sGuideC28xFoundationSoftwareDOCUMENT：SPRC0815．TCP-IP详解卷1，机械工业出版社6．