基于DSP总线的振动传感器信号采集系统设计

摘要：以TMS320F2808控制的CAN模块为核心，设计了CAN总线节点模块，以实现对ICP振动传感器的振动信号进行实时检测和处理[1]。通过描述系统的硬件设计原理和软件框架流程，介绍系统的设计和实现方法。该系统能够满足传感器系统对实时性的要求，方便、易携，并且具有可重构性，能够实现不同的算法。

关键词：ICP振动传感器；数据采集；DSP

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）34- 7737-04

随着工业智能化的发展，多传感器系统得到了广泛的应用。为克服传统节点存在的一对一结构、可靠性差等缺点，越来越多的仪表采用现场总线设计。CAN总线作为多节点互联的现场总线之一，它以其独特的设计以及结构简单、实时性强、可靠性高等优点，逐步成为应用最广泛和最有前途的现场总线之一。

本文介绍了一种基于DSP的CAN总线信息采集及通信系统。随着数字信号处理技术与信息科学技术的融合，DSP凭借其较强的数字信号处理能力，强大的事件管理能力和嵌入式控制能力，广泛应用于工业自动化、智能化仪器仪表、电机控制系统等。设计该系统，选择DSP芯片是一个非常重要的环节，一般情况下，运算速度是DSP一个重要的性能指标，也是选择是考虑的主要因素。该文选用的是TMS320F2808。

1 系统设计

本文根据DSP最小系统及CAN通信模块，设计了硬件包括信号调理模块、A/D模块、CAN通信模块。信号调理模块是指对被测系统的加速度通过ICP加速度传感器后的模拟信号到达A/D采集之前进行的预处理，A/D转换模块把预处理后的模拟信号转换成数字信号，CAN通信模块把数字信号发送到上位机。上位机主要负责接受下位机CAN通信发送采集的数据，对数据存储、图形显示及对数据处理分析等功能。系统硬件结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 ICP加速度传感器恒流源供电电路设计

ICP传感器就是指内置了集成电路的压电传感器。与传统的传感器相比，ICP采用恒流源供电，供电电缆同时做为信号输出线[2]。ICP加速度传感器的正常工作输入工作电压应为18-33V，恒定电流应为4mA。[3]本文通过LM334芯片为ICP传感器提供一个4mA的恒流源，如图2所示。

通过加二极管来消除由于温度变化所引起的电流漂移，要设置的电流I是电流I1和I2的总和。

随着R1和R2之间的比例的确定，R1和R2的值就应该根据我们需要设置的电流来设置它们的值。计算T=25℃时设定电流的计算公司如下面所示，接下来的这个例子就是在二极管是上的压降是0.6V，这个电压相交的电阻值R1是67.7m（64mV+5.9%） R1/R2= 10 （从前面的算得知）

恒流源电路的计算：由ICP传感器的参数知道，ICP传感器正常工作是所需要的恒流源提供的典型电流的大小是4mA，所以我们要利用上面介绍的LM334的典型电路搭建一个为我们ICP传感器提供4mA电流的恒流源电路。选用带有一个二极管消除温度干扰的电路。计算公式为：

因为没有34Ω电阻的存在，虽然可以利用其他阻值的电阻搭建，不过显得太麻烦，我们选用33Ω的电路，计算一下得到的电流是4.06mA 误差很小，只有1%左右。所以R1=33Ω。

由 R2/R1=10得R2=330Ω。

电路图如图3所示：

2.2 数字信号调理电路

传感器输出的微弱信号经仪表放大器LM324进行信号是反相比例放大电路，原理图如下，输入信号Ui经输入端电阻R1送到反相输入端，而同相输入端通过电阻R2接“地”。反馈电阻Rf跨界在输入端和反相输入端之间[4]。

根据运算放大器工作在线性区时的两条分析依据可知：

2.3 DSP的电源设计

F2808芯片的一个特点就是采用内核电压和I/O电压分开的双电源供电方式，这有效的降低了芯片的功耗。因此在设计系统电路时，需要将+5V电源转换成+3.3V和+1.8V给DSP供电，这就需要设计一个专门的电压转换电路，电压转换电路如图5所示。

2.4 CAN通信硬件设计

TMS320F2808片内的eCAN控制器模块是TI公司新一代32高级CAN控制器，完全兼容CAN 2.0B协议[5]，支持数据帧和远程帧，数据收发采用邮箱模式，可对中断配置编程，能自动回复远程请求，有完备的错误诊断能力有自动重发功能，是一款性能很强，通用可靠的串行通信控制器。该文所选用的是SN65HVD232D芯片，硬件电路图如图6所示。

其中CANTX和CANRX接TMS320F2808的CAN管脚，CANH和CANL接外部的CAN总线，TMS320F2808 DSP内的CAM控制器必须通过CAN驱动芯片才能与外部的CAN控制器进行通信。

F2808处理后的数据需要传输出去，由于其芯片内嵌了增强型的CAN模块，可以很方便的连接到CAN总线上。CAN总线采用一根单一的网络总线，构成多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。

3 系统软件设计

对采集到的振动数据以时域处理的算法为理论，对上位机振动信号处理和CAN通信进行软件设计。

3.1 DSP 的软件流程

系统的软件开发是在CCS的环境下完成的，它包含一整套用于开发和调试嵌入式应用的工具。[6]利用Visual C++6.0在上位机上进行编程，完成振动信号处理软件的开发。系统软件主要包括初始化程序、数据采集程序、DSP处理程序及CAN通信程序。流程图如图7所示。

F2808上电后，首先进行系统初始化。外部信号经信号调理电路处理以后，被送入DSP采样输入端，通过软件控制启动DSP的A/D转换，读取各路采样信号值。TMS320F2808内置两个通道增强CAN总线控制器，HJ1000采用A通道CAN总线控制器作为传感器对外通讯接口。利用USB协议和CAN总线通信协议实现与CAN总线的通信，采集各传感器的信号，分析信号的特征。建立典型故障规则库，实现轴承状态监测和故障诊断算法。建立监测预报结果数据库，以保存传感器检测得到的轴承运行状态、各信号的特征及预测结果。其中操作者手动输入或修改预测结果即可根据各信号的特征对上述基于多源信息融合的轴承装配故障监测和故障诊断算法进行训练和优化，以提高系统的检测和预报的准确率。建立故障诊断专家数据库，系统监测到故障后。自动查找该故障的处理方式。

4 结束语

本文在故障诊断的基础上，设计了基于DSP的CAN总线通信及检测系统。系统的安全性和可靠性得到了很大的提高，并且适合于工业现场的多任务数据采集与控制。

参考文献：

[1] 胡静怡.基于TMS320F2812的CAN总线的温度监测节点设计[J].仪器仪表与检测技术，2009，28（4）：74-76.

[2] 曹康敏，. ICP压电传感器[J].传感器技术（Journal of Transducer Technology），1996（6）.

[3] 李银祥，胡军，姚向东.三端可调恒流源LM334及其应用[J].现代仪器，2002（1）.

[4] 秦曾煌，等.电工学[M].北京：高等教育出版社，2004：97-99.

[5] 邬宽明.CAN2.0B新控制器——SJA1000[J].工业控制计算机，1999（1）：55-58.

[6] 苏奎峰，吕强，常天庆.DSP原理及C语言程序开发[M].北京：北京航空航天大学，2008.