基于雙DSP及VI技術(shù)的無(wú)線(xiàn)測控系統設計

0 引言

現代化的測控系統中，對可靠性、測量精度、速度以及系統設計的微型化和輕型化的要求愈來(lái)愈高，傳統的模擬式測量?jì)x表已很難滿(mǎn)足這些要求，必須實(shí)現參數采集系統以及整個(gè)系統的數字化和智能化。隨著(zhù)計算機技術(shù)和虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)技術(shù)的發(fā)展，用戶(hù)只能使用制造商提供的儀器功能的傳統觀(guān)念正在改變?；赪eb的虛擬儀器就是虛擬儀器技術(shù)的延伸與擴展。把DSP技術(shù)應用到虛擬儀器中將彌補虛擬儀器與傳統硬件儀器在實(shí)時(shí)性與精確性方面的差距。

同時(shí)，為了提高測控系統的可靠性和數據處理速度及效率，將雙DSP引入測控系統，提出并行FFT算法，并對其運算效率進(jìn)行了分析。

在有線(xiàn)通信系統中，不論是基于RS 232/RS 485，還是基于現場(chǎng)總線(xiàn)結構，其潛在的缺陷是必須進(jìn)行布線(xiàn)工作和通信線(xiàn)路的維護，通信線(xiàn)路容易損壞工程周期的增長(cháng)，而且在電磁干擾(EMI)嚴重的工業(yè)環(huán)境中，將會(huì )不可避免地造成傳輸數據的丟失和錯誤。在此種情況下，采取通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路進(jìn)行通信的系統，因其高頻部分超出了EMI的頻率范圍，故能有效地解決上述難題。

將基于Web的VI技術(shù)與DSP測試及無(wú)線(xiàn)通信理論和ODBC數據庫技術(shù)相結合的新型測控系統在工業(yè)測控領(lǐng)域必將有著(zhù)強大的生命力，對其關(guān)鍵技術(shù)的研究具有重要的意義。

1 系統構成

如圖1所示，雙DSP作為下位機實(shí)現雙余度A/D采樣轉換，并可提高數據處理效率。通過(guò)RS 485通信接口標準以無(wú)線(xiàn)通信方式與上位機進(jìn)行通信，上位機基于VI技術(shù)和可編程數據庫SQL Server技術(shù)，實(shí)現信號的進(jìn)一步分析處理或故障診斷、控制功能等，并可進(jìn)一步擴展測控系統，將虛擬儀器技術(shù)和面向Internet的Web技術(shù)有機結合起來(lái)，可以滿(mǎn)足監測系統的互聯(lián)和資源共享的需求。

2 系統硬件測試關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統關(guān)鍵硬件電路設計

系統下位機中的一個(gè)DSP用于實(shí)現A/D采樣，其無(wú)線(xiàn)通信的硬件電路如圖2所示。微處理器TMS320LF2407A芯片用于完成現場(chǎng)多傳感器信號采集及A/D轉換、數據的初步處理及與上位機通信的功能。MAX485芯片完成TTL電平向RS 485電平的轉換，而后送到無(wú)線(xiàn)數傳設備SRWF-1進(jìn)行調制發(fā)射。上位機通信電路圖如圖3所示，通過(guò)SRWF-1可直接與RS 232串口連接，根據約定協(xié)議接收及發(fā)送數據。

2.2 DSP的A/D及SCI接口無(wú)線(xiàn)通信設計關(guān)鍵技術(shù)

在無(wú)線(xiàn)通信設計中，考慮現場(chǎng)一般的工業(yè)接口標準及要求和RS 485特點(diǎn)，采取基于RS 485無(wú)線(xiàn)通信的方案。

因DSP的SCI端口輸出的是TTL電平，與RS 485電平不匹配，因此選擇MAX485芯片將DSP的TTL電平轉換為RS 485電平。MAX485是用于RS485

通信的低功耗收發(fā)器。如圖2所示，其引腳1，2，3，4分別為RO，，DE，DI。R0為接收器輸出;為接收器輸出使能;DE為驅動(dòng)器輸出使能;DI為驅動(dòng)器輸入。DI和RO分別接DSP的SCITXD和SCIRXD引腳，通過(guò)DSP的I/O端口來(lái)使能RO和DI。無(wú)線(xiàn)通信模塊選擇SRWF-1可提供ISM頻段的工作頻率，無(wú)需申請頻點(diǎn)，且基于FSK調制，采用高效無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，標準配置可提供8個(gè)信道。提供2個(gè)串口，3種接口方式，支持有無(wú)校驗兩種數據結構。

在軟件設計時(shí)的初始化及主程序中，需對SRWF-1的SLEEP，RESET和MAX485的和DE引腳進(jìn)行相應配置，控制引腳電平，消除系統中發(fā)送部分存在的總線(xiàn)懸浮現象，控制數傳模塊的工作狀態(tài)。

3 系統軟件設計關(guān)鍵技術(shù)

系統軟件設計的關(guān)鍵技術(shù)包括對下位機DSP的A/D采樣和無(wú)線(xiàn)串口通信協(xié)議的制定;虛擬儀器與SQL Server數據庫的接口設計和基于Web的虛擬儀器的實(shí)現。

3.1 通信協(xié)議

在無(wú)線(xiàn)發(fā)送和接收通信中，通信協(xié)議是上下位機進(jìn)行準確通信的有效保證。在DSP實(shí)現的雙余度下位機和上位機通信中，如何根據下位機所設置波特率設定數據幀傳輸格式，上位機如何識別信息來(lái)源，如何控制雙DSP及根據A/D轉換精度如何正確傳輸數據，這些是要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

雙DSP采用并行工作模式，定義一DSP的ID為00，另一DSP的ID為01，定義每個(gè)DSP的通道ID為0000～1111，又由于TMS320LF2407系列DSP的A/D轉換精度為10位，因此定義通信協(xié)議如下：

每個(gè)A/D轉換的采樣數據由兩個(gè)數據幀發(fā)送，這樣具有ID號的數據被上位機接收后即可判別數據來(lái)自于哪個(gè)DSP的哪個(gè)通道。同樣，上位機控制DSP的控制信號也通過(guò)ID號反饋到下位機中需要控制的DSP。

3.2 DSP軟件設計

DSP2407包括串行通信(SCI)模塊，支持CPU與其他使用標準格式的異步外設之間數據通信。SCI模塊有兩個(gè)外部引腳，即發(fā)送數據引腳SCITXD和接收數據引腳SCIRXD。通過(guò)一個(gè)16位的波特率選擇寄存器(SCIHBAUD和SCILBAUD)可設置串口通信波特率。

SCI異步波特率=SYSCLK/[(BRR+1)×8]，DSP系統時(shí)鐘為20 MHz，若希望設置波特率為9 600 b/s，則BRR=20×106/(9 600×8)-1=259 ≈103H，所以SClHBAUD與SCILBAUD寄存器分別寫(xiě)入01H與03H。

基于DSP功能模塊化的特點(diǎn)，其程序中有關(guān)串行通信的是：初始化設置時(shí)鐘源模塊，得到所需的CPU-CLK和SYSCLK;設置SCI模塊，初始化各SCI控制寄存器;編寫(xiě)串行通信中斷服務(wù)子程序，即可完成DSP與PC之間的串行通信。其中，時(shí)鐘源設置和SCI控制寄存器設置都在主程序的初始化部分完成。SCI中斷服務(wù)子程序流程圖如圖4所示。

3.3 上位機軟件設計

3.3.1 LabVIEW與數據庫接口的設計

以數據庫為中心，構建基于數據庫的虛擬儀器系統已成為現代測試測量系統的發(fā)展趨勢。

SQL工具包是利用開(kāi)放數據庫互連(Open Database Connectivity，ODBC)接口訪(fǎng)問(wèn)數據庫的。0DBC是微軟公司開(kāi)放服務(wù)結構(Windows Open Services Architecture，WOSA)中有關(guān)數據庫的一個(gè)組成部分，它建立了一組規范，并提供了一組對數據庫訪(fǎng)問(wèn)的標準應用程序編程接口(Application Program Interface，API)函數，這些API函數利用SQL語(yǔ)言來(lái)完成其大部分任務(wù)。利用SQL工具包中的動(dòng)態(tài)SQL語(yǔ)句執行工具，實(shí)現了數據庫的訪(fǎng)問(wèn)。用LabVIEW實(shí)現數據庫的訪(fǎng)問(wèn)一般包括7個(gè)環(huán)節，如數據庫聯(lián)接、SQL準備、參數個(gè)數獲取、參數類(lèi)型設置、SQL語(yǔ)句執行、執行完畢、斷開(kāi)聯(lián)接。圖5示出將一個(gè)浮點(diǎn)數據插入數據庫的功能程序，說(shuō)明了LabVIEW中開(kāi)發(fā)SQL Server數據庫的方法。

3.3.2 基于Web的虛擬儀器軟件技術(shù)

一般解決方法是在客戶(hù)端的瀏覽器上運行某種插件，如ActiveX或Java的Applet，利用網(wǎng)上傳輸過(guò)來(lái)的現場(chǎng)數據重現現場(chǎng)的虛擬儀器，這種方法將需要大量的網(wǎng)絡(luò )編程工作量。為此，采用NI的DataSocket技術(shù)解決網(wǎng)絡(luò )編程問(wèn)題。DataSocket建立在TCP/IP協(xié)議的基礎之上，可以通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )向多個(gè)遠端的終端同時(shí)廣播現場(chǎng)數據。

National Instruments DataSocket包括兩個(gè)組件DataSocket Server Manager和DataSocket Server。利用DS(DataSocket Server)技術(shù)傳輸數據則必須在發(fā)布數據的機器上打開(kāi)DataSocket Server，發(fā)布數據的程序通過(guò)它進(jìn)行數據傳輸，輸入數據的程序找到它接收數據。

DS函數與DS服務(wù)器的通訊采用自己的傳輸協(xié)議DSTP(DataSocket Transfer Protocol)。使用這個(gè)協(xié)議時(shí)用與WWW瀏覽器相似的統一資源定位符URL(Uniform Resotlrce Loeator)連接數據資源，這些數據資源可以是位于DS，HTTP和FTP服務(wù)器中的數據文件，或是本機的數據文件。

如對圖6所示曲線(xiàn)數據進(jìn)行傳輸，其DataSocketConnection設置如圖7所示。

運行服務(wù)器程序和客戶(hù)端程序可看到，隨著(zhù)服務(wù)器波形數據的變化，客戶(hù)端界面的波形數據也隨之變化。同樣地將客戶(hù)端的控制按鈕值賦予服務(wù)器的控制按鈕，則可以控制服務(wù)器采集工作的進(jìn)行。圖8即為圖6數據曲線(xiàn)在遠程瀏覽器上顯示的結果。

利用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)將分散在不同地理位置的虛擬測量分析儀器相聯(lián)系，使測量、分析數據在網(wǎng)絡(luò )內得以共享，減少了設備重復投資，提高了效率。重要的數據實(shí)行多機備份，提高了系統的可靠性。

4 雙DSP的FFT并行算法

在數字信號處理領(lǐng)域中，高效的時(shí)一頻域變換關(guān)鍵是快速傅里葉算法(FFT算法)。FFT算法是進(jìn)行高速卷積、數字濾波、相關(guān)處理、功率譜運算的核心算法，許多復雜算法都基于FFT算法。盡管現代的DSP處理器的核心運算單元支持單周期的乘加運算，可以快速實(shí)現FFT運算，但在許多實(shí)時(shí)性要求高，精度高，運算數據長(cháng)度長(cháng)的應用場(chǎng)合，單個(gè)DSP處理器己經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，因此根據需要提出采用兩個(gè)DSP進(jìn)行并行FFT運算。

一維離散時(shí)間序列的傅里葉變換為：

式中：yk，xk均屬長(cháng)度為N的復雜序列;

為旋轉因子。如果進(jìn)行直接運算，運算量為0(N2)，任務(wù)量非常繁重。

FFT算法大大減小了離散傅里葉變換的運算量，如基2FFT算法，運算分log2N=n步完成，每個(gè)運算步進(jìn)行N/2個(gè)蝶形運算，則運算量降低為O(nN/2)。

當在單個(gè)處理器上進(jìn)行FFT運算時(shí)，設每個(gè)蝶形運算的時(shí)間為tcomp，則N長(cháng)度FFT運算的時(shí)間為：

當在2個(gè)處理器上進(jìn)行并行FFT運算，采用循環(huán)分配方式把N個(gè)數據分配到這兩個(gè)處理器上，即先把2個(gè)數據依次分配給2個(gè)處理器;然后再將接下來(lái)的2個(gè)數據依次分配給2個(gè)處理器，…，依次下去，直至數據分配完畢為止，則第i個(gè)處理器上分配到的數據為2i處理器存放的數據x(i+2r)(r=O，1，…，N/2-1;i=0，1)。在這種分配模式下，前l(fā)og2(N/2)=n-m個(gè)運算僅要求局部數據，而后m個(gè)運算步要求訪(fǎng)問(wèn)遠程數據，共要進(jìn)行m次處理器間的數據通訊，且后m個(gè)運算步的通訊距離不一。每次數據互換的內容是一個(gè)處理器的偶數序數據與另一個(gè)處理器的奇數序數據進(jìn)行互換，數據通訊量為N/4。若處理器間具有雙向的全連接網(wǎng)絡(luò )，而且每個(gè)處理器上有足夠的存儲空間，允許后m個(gè)運算步的數據交換同時(shí)進(jìn)行。兩個(gè)處理器進(jìn)行直接數據傳輸時(shí)，傳輸單位數據所花費的時(shí)間為tcomp，每步數據交換要花費的時(shí)間為(N/4)tcomp。FFT并行運算的運行時(shí)間為：

5 結語(yǔ)

針對工業(yè)測控的現狀和需求，提出新型測控方案，并對其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究和開(kāi)發(fā)。采用雙DSP工作模式，實(shí)現雙余度數據采集及處理，提出雙DSF，并行FFT算法，并對其運算效率進(jìn)行了分析。利用RS 485無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現數據和控制信號的發(fā)送、接收。在上位機中用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺實(shí)現信號的接收與發(fā)送，在平臺之上開(kāi)發(fā)ODBC數據庫接口，還可進(jìn)一步建立專(zhuān)家知識庫，開(kāi)發(fā)故障診斷專(zhuān)家系統等。同時(shí)將虛擬儀器技術(shù)和面向Internet的Web技術(shù)有機結合起來(lái)，利用有效的網(wǎng)絡(luò )資源與技術(shù)，滿(mǎn)足監測系統的互聯(lián)和資源共享的需求。