基于DSP的列車應(yīng)變力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文介紹了基于TMS320VC33 DSP芯片的應(yīng)變力測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出了結(jié)構(gòu)原理框圖，并圍繞DSP設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)的中斷、復(fù)位子系統(tǒng)、存儲(chǔ)子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)。同時(shí)還對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了信號(hào)完整性分析。
關(guān)鍵詞：測(cè)試系統(tǒng)；DSP；應(yīng)變力；信號(hào)完整性

車輪與軌道間的作用力是評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行品質(zhì)的重要因素，能否準(zhǔn)確及時(shí)地獲取輪軌間的作用力直接影響著車輛脫軌系數(shù)等參數(shù)的計(jì)算。應(yīng)變力測(cè)試系統(tǒng)是設(shè)計(jì)列車運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文用DSP芯片開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)正是針對(duì)這一需要。

測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
測(cè)試系統(tǒng)以高速、高精度的DSP為核心，構(gòu)成了包括模擬信號(hào)預(yù)處理、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)信號(hào)測(cè)試處理系統(tǒng)。其原理框圖如圖1所示。
應(yīng)變傳感器輸出的模擬信號(hào)，經(jīng)RC濾波網(wǎng)絡(luò)初步濾去信號(hào)中的高頻成分，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。RC濾波網(wǎng)絡(luò)、A/D轉(zhuǎn)換構(gòu)成了測(cè)試系統(tǒng)的前向通道。
中央處理單元以TMS320VC33為主體，該DSP是一款高精度、大容量、寬功率范圍的浮點(diǎn)處理器，具有高度的并行化，以及DMA協(xié)處理器通道。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還在系統(tǒng)中設(shè)置了1個(gè)64K×32位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和512K×8位的程序存儲(chǔ)器，與DSP共同構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。
可編程邏輯(CPLD)是測(cè)試系統(tǒng)的硬件控制核心。其主要任務(wù)是控制A/D轉(zhuǎn)換、產(chǎn)生存儲(chǔ)系統(tǒng)的片選信號(hào)。
中斷、復(fù)位子系統(tǒng)不僅起到系統(tǒng)復(fù)位的作用，同時(shí)還用來(lái)確定系統(tǒng)應(yīng)用程序的位置。DSP根據(jù)此系統(tǒng)來(lái)裝載應(yīng)用程序并運(yùn)行。
中斷、復(fù)位
子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在本測(cè)試系統(tǒng)中，DSP需要單獨(dú)地組成一個(gè)系統(tǒng)，因而把TMS320VC33設(shè)置為微計(jì)算機(jī)模式，此時(shí)TMS320VC33具有程序引導(dǎo)功能。當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位時(shí)，TMS320VC33監(jiān)測(cè)4個(gè)中斷管腳的狀態(tài)，根據(jù)BootLoader程序定位表來(lái)確定用戶程序的地址，然后運(yùn)行自身的BootLoader程序把用戶程序下載到指定地址空間。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)BootLoader的復(fù)位電路如圖2所示。
時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)
TMS320VC33的時(shí)鐘，既可由外部提供，也可由板上的振蕩器來(lái)提供，但外部時(shí)鐘的精確度高、穩(wěn)定性好、使用方便，因而本設(shè)計(jì)中使用了12MHz的外部時(shí)鐘CLKMD0 CLKMD1=11的時(shí)鐘模式，經(jīng)內(nèi)部5倍頻后，產(chǎn)生60MHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘。
總線驅(qū)動(dòng)
由于DSP的地址總線和數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)能力有限，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，需要用總線驅(qū)動(dòng)對(duì)其負(fù)載能力進(jìn)行擴(kuò)展，以保證系統(tǒng)能穩(wěn)定工作。本設(shè)計(jì)選用了TI公司的寬總線16位雙向總線驅(qū)動(dòng)器SN74LVTH16245，它具有很高的集成度和性能。
存儲(chǔ)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)考慮的主要問(wèn)題是：如何采用EP2ROM+高速RAM的配置方式來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)子系統(tǒng)。
EP2ROM用來(lái)存放測(cè)試系統(tǒng)的程序和初始化數(shù)據(jù)，系統(tǒng)加電運(yùn)行時(shí)，TMS320VC33自動(dòng)將程序和初始化數(shù)據(jù)從低速EP2ROM裝載到高速RAM中。裝載完畢后，程序在高速RAM中全速運(yùn)行。系統(tǒng)中存儲(chǔ)器裝載程序和初始化數(shù)據(jù)的EP2ROM起始地址為400000h。同時(shí)系統(tǒng)中還擴(kuò)展了64K高速RAM，起始地址為100000h。此外，片選信號(hào)由系統(tǒng)中CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于TMS320VC33與EP2ROM的接口，系統(tǒng)采用一片AM29F040 (512K×8)實(shí)現(xiàn)了8位數(shù)據(jù)寬度的程序引導(dǎo)。EP2ROM占用的地址空間為400000h~47FFFFh。讀EP2ROM時(shí)插入的等待周期由軟件來(lái)控制。
TMS320VC33實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)都存放在快速RAM中，因此快速RAM與TMS320VC33必須實(shí)現(xiàn)零等待接口。根據(jù)時(shí)序要求，當(dāng)TMS320VC33工作于60MHz時(shí)鐘時(shí)，快速RAM的存取速度必須小于13ns。本測(cè)試系統(tǒng)采用的快速RAM是IS61LV6416-8T，存取速度為8ns。由于這種快速RAM的數(shù)據(jù)寬度是16位，而TMS320VC33的數(shù)據(jù)寬度是32位，因此必須采用兩片構(gòu)成32位數(shù)據(jù)寬度，并令寫使能信號(hào)與經(jīng)過(guò)譯碼的寫信號(hào)相連，輸出使能信號(hào)與譯碼后的讀信號(hào)相連。測(cè)試系統(tǒng)中的快速RAM占用的地址空間為0x100000~0x110000。
通信子系統(tǒng)
在應(yīng)變力測(cè)試系統(tǒng)中，為了把TMS320VC33對(duì)采樣信號(hào)的處理結(jié)果通過(guò)串口傳送到PC機(jī)顯示或作進(jìn)一步處理，設(shè)計(jì)中采用TI 公司的TL16C550擴(kuò)展異步通信芯片將DSP與PC機(jī)相連，以完成測(cè)試系統(tǒng)與PC機(jī)之間的通信。
在TL16C550與TMS320VC33的串行通信中，雖然可以通過(guò)查詢的方式工作，但這樣會(huì)降低系統(tǒng)的性能。本設(shè)計(jì)通過(guò)TMS320VC33的RXRDY和TXRDY引腳引入外部中斷，從而使系統(tǒng)工作在中斷方式，保證了TMS320VC33與PC機(jī)的高速通信。
此外，本測(cè)試系統(tǒng)利用TL16C550的串行通信接口與上位PC機(jī)完成信息的交換。此時(shí)由于RS-232電路電平與TTL電平不同，因此必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)中采用MAX232A來(lái)完成這一功能。
可編程邏輯器件—譯碼模塊
測(cè)試系統(tǒng)中的譯碼模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)片外存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備進(jìn)行管理以及根據(jù)DSP提供的地址信號(hào)，給外部存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備分配不同的地址空間。對(duì)于本測(cè)試系統(tǒng)而言，編碼方式主要考慮的是TMS320VC33的接口能力問(wèn)題。TMS320VC33的地址空間總?cè)萘繛?6M，采用統(tǒng)一編址也不會(huì)對(duì)存儲(chǔ)器容量造成太大的威脅。另外，TMS320VC33沒(méi)有專門的I/O指令和I/O端口總線，因而測(cè)試系統(tǒng)中采用的是統(tǒng)一編碼方式，并用ABLE語(yǔ)言設(shè)計(jì)譯碼電路。

測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
測(cè)試軟件算法的優(yōu)劣直接關(guān)系著整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的性能。本測(cè)試系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。
測(cè)試程序首先進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的初始化工作。在完成系統(tǒng)初始化后，系統(tǒng)處于查詢狀態(tài)，查詢是否完成新的數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)采樣程序在中斷程序中完成。當(dāng)系統(tǒng)完成一次A/D轉(zhuǎn)換后，向TMS320VC33申請(qǐng)中斷，TMS320VC33響應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)程序中讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果并設(shè)置標(biāo)志：EXINT=1，通知主程序采樣完成。主程序在查詢到EXINT=1后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過(guò)TMS320VC33的并行口經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換送給PC機(jī)的串口，并把標(biāo)志EXINT設(shè)定為0，開始下一輪采樣等待。

信號(hào)完整性分析和
電磁兼容性設(shè)計(jì)
考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境比較惡劣，軌道線路的電磁干擾比較強(qiáng)，因此設(shè)計(jì)中要考慮信號(hào)完整性和電磁兼容性等問(wèn)題。
表1總結(jié)了高速數(shù)字電路中常見的信號(hào)完整性問(wèn)題與可能的原因和解決方法。
電源EMI是影響系統(tǒng)抗干擾能力的一個(gè)主要因素。簡(jiǎn)單的方法是在每一個(gè)芯片的供電引腳上并聯(lián)一個(gè)電容進(jìn)行電源濾波。影響系統(tǒng)抗干擾能力的另外一個(gè)因素是電路板上信號(hào)的走線質(zhì)量，應(yīng)盡量減少印制導(dǎo)線的電感量，導(dǎo)線盡量短而粗。同時(shí)要注意抑制印制板導(dǎo)線之間的串?dāng)_和避免高頻信號(hào)通過(guò)印制導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，此外，還要注意合理地安排電源地等。

結(jié)語(yǔ)
本文提出并設(shè)計(jì)的以DSP為核心的列車應(yīng)變力測(cè)試系統(tǒng)，有效地解決了實(shí)際工程應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題，并就測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)完整性分析和抗電磁干擾能力進(jìn)行了考慮。從而為數(shù)據(jù)采集與處理領(lǐng)域提供了一個(gè)良好的參考方案