列车无线振动测试仪中DSP与AD的接口设计

李 玲, 李德维

（1. 四川邮电职业技术学院， 四川成都 610067； 2. 中国测试技术研究院， 四川成都 610021）

0 引言

列车在运行中，总是伴随着振动的产生，振动信号中蕴含了丰富的列车运行状态信息，因此列车振动监测能及时客观地反映列车的运行状态。列车无线振动测试仪利用高速DSP和高性能振动传感器实时采集列车振动信号，在线处理数据并将得到的列车的平稳性及舒适度指标利用蓝牙无线传输到上位机。该测试仪能够准确、快速、方便、在线得到列车运行过程中的多项振动性能指标，为保障行车安全提供有效的依据。列车无线振动测试仪中振动数据采集系统是保证准确、有效地得到各项列车振动性能指标的基础，只有保证采集到的振动数据准确可靠，后期的数据分析处理以及各项指标的计算才是有意义的。

本文设计了一种基于TMS320F2812 DSP和AD73360的数据采集系统，该系统能够高速、实时采集列车振动信号，并进行在线分析，为列车的危险预报、故障诊断、性能指标分析等提供有效的依据。

1 硬件设计

AD73360是AD公司推出的6通道16位可编程A/D转换器。其主要特点是具有6个16位的采用∑-△原理的AD转换器，每个通道均采取同步采样以确保通道之问不存在时间延迟。每个A/D转换通道由程控放大器、高速采样的A/D调制器、抽取数字滤波器组成。放大器增益、采样率、抗混叠数字滤波器的截止频率均可编程设置[1]。AD73360的SPORT是16位的同步串行口，通过6条通信线实现数据的双向同步通信。

TMS320F2812是TI公司推出的32位定点DSP芯片，工作频率在150MHz，尤其是适用于有大批量数据处理的测控场合。TMS320F2812的McBSP(多通道缓冲串行口)是种同步串行接口，支持多种通信方式和SPI方式可以比较灵活地进行配置，使用方便。尤其可贵的是用2个16级、32位的FIFO代替DMA(直接存储器存储)方式，使得其与以往的DSP芯片相比，在与AD73360进行数据传输过程中可节省大量时间以用于内部数据处理[2]。

TMS320F2812 DSP和AD73360的硬件接口如图1所示。AD73360的输入时钟从MCLK引脚输入，分频后产生DMCLK(内部主时钟)，由DMCLK再进行分频形成串口时钟信号SCLK（分频系数由软件设置），输出至DSP。AD73360的2个帧同步信号接成帧同步返回环方式，即输出的帧同步SDOFS作为输入帧同步SDIFS，同时连接DSP的接收和发送帧同步引脚，作为McBSP收/发数据的帧同步信号。AD73360的串行数据输入/输出引脚分别与McBSP的发送/接收引脚相连。AD73360的串口使能和复位引脚与DSP的通用I/O口GPIOA3相连，用于使能及复位AD。

图1 AD73360与DSP的硬件接口图

2 软件设计

考虑到应用系统软件的可移植性和可读性，DSP软件采用C语言进行编写，使用TI公司的CCS编程环境。程序设计分为主程序和中断服务子程序。主程序主要负责DSP、McBSP、McBSP FIFO和AD73360的初始化和相关配置。中断服务子程序则完成数据的采集、处理和传输。

2.1 McBSP串口配置

McBSP串口的配置是通过向串口控制寄存器写入控制字来实现的。

McbspRegs.SPCR2.all=0x0;

McbspRegs.SPCR1.all=0x0;

McbspRegs.RCR2.all=0x0;

McbspRegs.RCR1.all=0x0;

McbspRegs.XCR2.all=0x40;//发送控制寄存器,发送字长为16位，单相位帧，每帧1个码字

McbspRegs.XCR1.all=0x40;

McbspRegs.MCR2.all=0x0;

McbspRegs.MCR1.all=0x0;

McbspRegs.PCR1.all=0x0;

McbspRegs.SPCR1.bit.RJUST=00;

McbspRegs.RCR2.bit.RCOMPAND=00;//接收无压缩扩展模式，首先传输数据高位

McbspRegs.RCR2.bit.RDATDLY=01;//接收数据延时1位

McbspRegs.XCR2.bit.XCOMPAND=00;//发送无压缩扩展模式，首先传输数据高位

McbspRegs.XCR2.bit.XDATDLY=01;//发送数据延时1位

McbspRegs.RCR1.bit.RWDLEN1=2; //接收字长16位

McbspRegs.XCR1.bit.XWDLEN1=2;//发送字长16位

McbspRegs.SPCR2.bit.XRST=1;//发送使能

McbspRegs.SPCR1.bit.RRST=1;//接收使能。

2.2 McBSP FIFO配置

McbspRegs.MFFTX.all=0x0;

McbspRegs.MFFRX.all=0x0;

McbspRegs.MFFCT.all=0x0;

McbspRegs.MFFINT.all=0x0;

McbspRegs.MFFST.all=0x0;

McbspRegs.MFFRX.bit.RXFFIENA=1;//开RX中断

McbspRegs.MFFRX.bit.IL=3;//当FIFO中有3个字时产生中断

McbspRegs.MFFTX.bit.MFFENA=1;//开TX中断

McbspRegs.MFFRX.bit.INT_CLR=1;//清除中断标志位

McbspRegs.MFFTX.bit.XRESET=1;//发送使能

McbspRegs.MFFRX.bit.RRESET=1;//接收使能

2.3 AD73360的初始化

AD73360有8个可编程控制寄存器，向这8个控制寄存器写入8个相应的控制字，可方便地对ADC的增益、采样频率和通道数进行设置。

unsigned int sdata1[8]= {0x8130, 0x82E0, 0x8 388,0x8408,0x8500,0x86bf,0x8700,0x8001};//采样频率250Hz（MCLK=2.048MHz）,使能5V供电模,使能通道1、2、3，进入数据模式，准备发送采样数据。

GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA3=1;//RESET和SE赋高电平，AD73360串口使能，复位结束，串口进入编程模式，准备接收8个控制字

当写入最后一个控制字后，AD73360进入数据模式，开始转换数据。当AD73360转换完数据后，通过串口线向DSP依次发送1到6路的AD转换信号，DSP将接收到的数据放入FIFO中。当FIFO中接收的数据个数达到设定值时，产生中断，DSP进入中断服务程序，取出采样数据并进行处理。

3 实验结果

在实验室，用信号发生器产生1Hz正弦电压信号，利用TMS320F2812 DSP和AD73360组成的数据采集系统采集数据，采样频率250Hz，对一个完整周期采样得到如图2所示的采样波形，图3为图2的局部放大图。

从图2和图3可以看到，该数据采集系统，能够无失真地将1 Hz连续的正弦电压信号转换成均匀的离散采样点，实现了电信号的A/D转换。实验证明，通过调整写入AD73360的控制字，可以改变系统的采样频率，最高采样频率可达64kHz。

图2 1Hz正弦信号采样结果

图3 1Hz正弦信号采样局部放大图

利用该数采系统采集高速列车的振动信号，并结合列车振动平稳性和舒适性计算方法开发的列车无线振动测量仪已经用于CRH2型动车组车厢内振动情况的测试。实践证明，该数据采集系统能够准确、快速、方便地采集列车运行中的振动数据，为保障行车安全提供有效的依据。

4 结论

TMS320F2812 DSP和AD73360组成的数据采集系统用于列车振动测试，有以下优势：

(a)AD73360六通道同步采样，满足列车横向、纵向和垂向3方向振动信号采集的同时还留有余地，增加适合的传感器则可用剩下的3个通道采集列车的温度、湿度等数据，便于列车综合舒适度的计算。同时，AD73360还可级联使用，最多可级联8个，则最多可以同时提供48个A/D转换通道。

(b)DSP具有强大的运算处理能力，特别是数字信号处理能力。对后期数据的分析处理，得到准确、可靠的列车振动性能指标非常有利。

(c)DSP自带FIFO功能，使得中断方式读取数据时一次可读取多个数据，不必频繁地进入中断程序，节省的时间可用于大数据量的运算如FFT。

[1]潘焕成,赵卫东.新型A/D变换器AD73360及其应用[J].国外电子元器件,2002(4):53-55.

[2]陈是知.TMS320F2812原理与开发实践[M].北京:中国电力出版社,2009.

[3]杨磊.基于TMS320F2812的数据采集和处理的系统设计[J].电子测试,2011(09):50-53.

[4]孙国银.AD73360在电量测量系统中的应用[J].中国测试技术,2007,33(2):70-73.

[5]关星,王伟力.基于TMS320F2812多通道缓冲串口高速实时数据采集接口设计[J].自动化技术与应用,2007,26(1):125-128.

[6]刘转华,林建辉.列车乘坐舒适性与平稳性测试及评价[J].中国测试技术,2004(2):39-40.

[7]Analog Devices,Inc.AD73360 Six-Input Channel Analog Front End[R].Analog Devices,Inc.,2000.

[8]TI公司.TMS320F2812 Digital Signal Processor Data Manual [R].TI公司,2003.