原创 基于TMS320VC5402的手持式振动测试仪设计

摘 要：本文介绍一种基于TI公司的TMS320VC5402芯片的手持式振动测试系统的软硬件设计方法。本系统能对振动信号进行采集以及处理，并对处理的结果进行液晶显示。本系统最大的特点是其体积非常小。所以，本系统最适合在野外工作。

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关键字：机械测试；DSP；TMS320VC5402； FLASH存储器；DSP引导装载

现有的振动测试分析仪, 由于速度慢、体积大、精度不高,越来越不适合对野外工作的系统进行振动测试的需求，这就要求有一种手持式测试分析仪。这种仪器必须遵循的原则是：高速，小型、手持、低功耗（使用干电池供电）、精度高,而且可随身带出检查。

近几年,DSP技术逐渐在在我国取得了越来越广泛的应用，同时，DSP技术仪器的高性能、高可靠性也使得社会高速发展。将DSP应用于振动测试分析仪，不仅满足振动测试分析仪发展的要求：高速，小型、手持、低功耗（使用干电池供电）、精度高,可随身带出检查；另外更为重要的是，在价格上，也大大的降低了。对于这样一个性价比非常高的产品，我相信肯定会受到市场的青睐。所以，开发这样一套具有特色并且实用的振动测试系统，无论是在经济上，还是技术上，都具有积极的现实意义。下面将介绍系统的软硬件设计的方法。

1. 系统硬件设计

根据系统要达到的功能，设计合适的系统结构，使得在系统代价最小的前提下得到整个系统性能最优，至关重要。系统所要达到的要求如下：（１）干电池供电（低功耗≤５V）；（２）高精度（AD转换位数≥14位）；（３）振动和转速信号的输入；（４）人机界面；（５）与PC机通信。

DSP芯片采用的是哈佛结构，这使的处理器的性能大大提高；并且，它有独立的数据总线和程序总线，从而允许同时访问程序空间和数据空间，这为高速并行操作提供了方便。这些特点对于信号的处理，特别是进行FFT计算是大有裨益的。根据系统的设计要求，本系统选择了TI公司性价比较高的定点DSP芯片——TMS320VC5402作为MCU。图1是根据以上要求设计的系统硬件结构图。整个硬件系统包括三个部分：一是数据采集系统；二是DSP处理系统；三是数据通信和人机接口。下面将分别介绍这三个部分的硬件设计：

1.1数据采集系统设计

众所周知,设备运行的工况状态是由所采集的数据来反映的，所以，数据采集是工况测试的前提和基础。本数据采集系统主要包括两个模块：振动信号采集模块和转速信号采集模块。

振动信号采集模块主要实现振动信号的采集以及对这些信号进行处理的功能。本模块主要由一片运算放大器和一片模数转换芯片构成。其中模数转换器是用TI公司高速模数转换芯片AD7865。AD7865有四个采样通道，能同时对四个测点进行数据采集；采样数据长度14位；采样时间是0.35μs，转换时间2.4μs。这块芯片集数据采样／保持，转换于一体，采用单5V供电方式，使用比较方便，性价比高。

图1 系统硬件结构图

转速信号采集模块主要是针对旋转机械的。它为旋转机械振动提供相位基准，同时为确定采样频率，控制同步采样提供了方便。本模块电路主要由比较器集成电路LM393和非门集成块SN74LS14构成。图2是转速测量电路图。

图2 转速测量电路

1.2 DSP处理系统设计

DSP处理系统主要是完成对采集数据进行处理，数据的存储以及与外围设备协调工作的功能。它由一片TMS320VC5402，一片XC95144；两片高速RAM（IS61LV12816），一片并口FLASH（SST39VF400A），一片串口FLASH（AT45DB081），和晶振等电子元件构成。TMS320VC5402用来对采集过来的数据进行处理，并协调其外围设备工作。XC95144是Xilinx公司的产品，通过编程来实现译码电路以及接口电路等。高速RAM用作程序／数据存储器，其存取时间为15ns，所以这就需要TMS320VC5402插入一个周期的软件延时，它用来作为系统的RAM。并口FLASH用作系统的ROM，其存取时间为70ns，所以需要TMS320VC5402插入七个周期的软件延时，它是用来存储系统程序。串口FLASH用来存储采集过来的原始数据。图3是DSP系统中存储器译码电路图，它是通过Xilinx公司的CPLD来实现的。

1.3数据通信与人机接口设计

由于本系统不像嵌入式系统，把DSP用户系统嵌入到工业计算机或个人机中工作，所以，这就需要考虑DSP与其它系统通信的接口电路以及人机接口。数据通信部分主要考虑两种通信手段：一种是串口；一种是USB口。串口电路由通用的串口芯片MAX232来实现的。USB接口是由Philips公司的PDIUSBD12芯片来实现。由于该芯片对USB协议进行了封装，因此，USB硬件接口实现起来相对比较简单，而不需要考虑非常复杂的USB协议。

图3 DSP系统存储器译码电路

对于人接口界面主要是两个方面：一个是显示部分；一个是键盘部分。显示部分采用的是大连东方显示器材有限公司的EDM320240A液晶显示模块。由于测试仪的主频是100MHz的，而此显示模块的读写时间最快要120<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" />，所以通过DSP的软件延时是不能解决问题的，这就需要DSP系统添加硬件延时电路。本仪器的键盘部分是通过VHDL编程实现的。图4是键盘实现的结构图。

图4 键盘接口电路结构图

2系统软件设计

本系统软件所要完成的任务主要是：（1）DSP从16位并行存储器中下载系统运行程序（2）各种信号的实时采样，包括振动信号和转速信号。（3）计算振动信号的常用特征值，包括均值、峰峰值、RMS值、峭度系数、特征频率处的幅值和相位。(4) 与PC机的通信，包括数据采集、处理所需信息的通信、采样数据和计算结果的通信。图5是本系统软件实现的原理框图。基于上述要求，系统主要包括以下几个模块:

1）基于DSP 的16位并行存储器引导装载模块。它的主要功能是将用户的程序段和中断向量表装载到目标地址。本系统有三种存储器硬件：高速RAM，并口EPROM FLASH和串口FLASH。系统应用程序在加电前全部保存在并口EPROM FLASH里面，由于的存取速度很慢,所以，在加电后，需要一段程序把系统应用程序从并口EPROM FLASH中移植到高速RAM里，这段程序就是系统引导装载程序。系统在加电前，TMS320VC5402设置为微处理器模式（MP=1），因此，加电后，TMS320VC5402首先执行0xF800处的中断向量表起始处的跳转指令，该跳转指令跳到本系统引导程序段，并实现代码移植操作。代码移植结束以后，再次跳转到被移植后的用户程序（即数据采集程序）段处并执行。

2）基于DSP的振动数据的采集与处理模块，分为振动数据采集与处理的参数设置、振动信号的采集、转速信号的采集以及对采集信号的处理三个子模块。振动数据采集与处理的参数设置子模块主要包括传感器与测点参数设置、采样参数设置和谱分析的参数设置等。振动信号的采集子模块主要任务是协调和控制模拟信号采样电路的正常工作。转速信号的采集子模块除了完成转速的测量外，还要确定采样频率，以保证振动信号的整周期采样。采集信号的处理子模块主要是对大量与故障无关的原始数据进行特征量的提取。即以各种信号处理方法为工具，把原始检测信号转换为能表达工况状态的特征量，计算结果供专业人员进行故障判断。

图5 系统软件流程图

3）DSP与PC机的数据通信模块。本系统提供了两种与PC机通信的手段：串口和USB口。它的主要目的是为了能与PC机之间进行数据交换。

因为本系统使用的是液晶显示模块，所以对于液晶显示控制器的操作工作就相对简单点。但是,由于系统是基于DSP的显示，而且是在没有任何现成的操作系统下面工作的，所以,这就需要完全靠自己来编制基于DSP的显示函数库。

3结论

本仪器是利用DSP的高速、高精度和强大的信号处理性能等特点而设计的一种系统。以DSP为核心的基于TMS320VC5402的手持式振动测试仪可对工作中的系统部件进行振动测试，同时对测试的结果进行处理并将处理后的结果及时的在LCD上显示出来，以便工作人员作出明智的选择。本系统由于其体积非常小，功能多样，携带方便，测量快捷，安全可靠以及友好的操作界面深受现场欢迎。