基于TMS320F2812的多路信號采集與控制設計

李曉楠，馮國勝，彭朝亮，季浩浩，張小榮

(1.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；2.長城汽車股份有限公司 哈弗技術中心技術管理部，河北 保定 071000)

基于TMS320F2812的多路信號采集與控制設計

李曉楠1，馮國勝1，彭朝亮1，季浩浩2，張小榮1

(1.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；2.長城汽車股份有限公司 哈弗技術中心技術管理部，河北 保定 071000)

基于TMS320F2812開發板，通過模/數轉換器ADC將模擬采集信號轉換為數字量傳輸到開發板中進行處理計算，并通過SCI串口通信將數據傳輸到PC機上，使用LabVIEW編制了多路信號的顯示界面和發送數據界面。通過在LabVIEW界面中輸入控制變量，實現了對某路輸出電壓的控制，為后續的利用LabVIEW界面輸入控制變量進而直接控制電機奠定了基礎。

信號采集；串口通信；TMS320F2812；LabVIEW

信號采集是系統狀態監測必不可少的環節，而系統的狀態參數往往是多個，如汽車上的信號包含了電壓、電流、發動機轉速、節氣門開度等。通過對系統的各路信號進行采集從而實時監測系統的運行狀態，進而對監測結果作出判斷并處理[1]。實驗采用了合眾電子研發的TMS320F2812開發板，將模擬信號轉換為數字量處理，最終通過LabVIEW實時進行監測，使采集結果更加直觀。此外，考慮到DSP開發板控制外部設備運轉時，經常會涉及到手動更改程序或者更改外部電路負載來控制變量的輸入，給實際操作帶來了很大不便，于是模擬了通過在LabVIEW中添加發送界面來直接控制外部設備的運行。

1 系統的整體設計及原理

1.1 ADC模/數轉換原理

本系統信號采集部分主要涉及到了DSPF2812的模/數轉換器ADC模塊，ADC采集模塊為12位，16個采樣通道，分別為ADCINA0～ADCINA7和ADCINB0～ADCINB7。由于ADC在進行數模轉換時遵循線性關系，3 V的模擬量對應著數字量為0xFFF0,轉換為十進制為65 520；0 V的模擬量轉換后的數字量為0。由圖1的ADC線性轉換關系可得以下關系式：

ADResult=(VoltInput-ADCLO)/3.0×65 520

(1)

式中：ADResult為結果寄存器值，VoltInput為電壓輸入值，ADCLO為參考電壓默認值0 V。

將結果寄存器值ADResult向右移4位，這樣低四位將被占用，高四位將空閑出來等待下一個數據的傳入。此時3 V的電壓值將對應數字量為0x0FFF，轉換為十進制是4 095；同樣0 V的電壓值轉換后的數字量仍為0[2]。根據圖2的線性轉換關系可以推算出另一個換算公式：

(ADResult>>4)=(VoltInput-ADCLO)/3.0×4 095

(2)

分析以上兩個公式可知，只要把握其線性關系及其原理，就可以在需要時對其進行移位調整，最終結果是一樣的。

1.2 系統的總體設計

此次設計使用ADCINA0～ADCINA2三路通道進行信號采集，采用的方式為級聯式順序采樣模式，通過采集開發板的三路電壓信號，將采集到的電壓信號通過RS232串口線傳回PC機，并通過LabVIEW界面顯示。此外，在LabVIEW界面中設計了發送緩沖區作為控制模塊，通過在發送緩沖區輸入數值來控制某一路電壓輸出值的大小。整體設計如圖3所示。

2 查詢方式測試串口通信SCI

2.1 TMS320F2812程序設計

查詢方式傳輸通信，就是通過判斷發送緩沖器和接收緩沖器的就緒標志位TXRDY和RXRDY是否已經被置位進而完成操作。發送數據流程如圖4所示，當發送緩沖器SCITXBUF把數據發送給移位寄存器TXSHF后，SCITXBUF清空，TXRDY置1，表示可以發送新的數據；同樣當接收移位寄存器RXSHF把接收到的數據傳給接收緩沖器SCIRXBUF后，RXRDY置1，表示可以讀取新數據[3]。通過查詢二者的置位情況，CPU才能夠執行下一個命令。

2.2 LabVIEW界面及后面板設計

將RS232與PC機連接后，自動識別COM串口。LabVIEW前后面板設計如圖5、圖6所示，添加VISA串口通信協議，并設置其數據格式；在While循環中嵌套條件結構用于判斷是否發送數據；在條件結構中嵌套一個4層順序結構，第0層為寫入緩沖區，第1層設置等待200 ms，第2層為讀取緩沖區，第3層添加了三個局部變量，分別設置寫入緩沖區、讀取緩沖區和數據通信；同時在順序結構中又嵌套了一個條件結構，用于判斷寫入與讀取的是否一致；若寫入與讀取數據一致，則顯示通信正常，否則通信異常[5]。

在LabVIEW前面板中選擇COM3串口，將波特率改為19 200，分別運行CCStudio v3.3中的程序與LabVIEW程序。通過在寫入緩沖區寫入ADRESULT65520，點擊發送按鈕。在接收緩沖區中收到同樣的字符，且數據通信顯示通信正常。在CCStudio v3.3主程序中通過Watch Window觀察數據結果寄存器Sci-VarRx的ASCII碼值i從0～12分別為65、68、82、69、83、85、76、84、54、53、53、50 、48，剛好對應著ADRESULT65520十三個字符的ASCII碼值，表示SCI傳輸信號正常。其中觀察到的0～6位ASCII碼值如圖7所示。

3 三路信號采集與控制設計

3.1 TMS320F2812三路數據傳輸編程

本文對ADCINA0～ADCINA2三個通道進行電壓信號采集，選擇級聯模式的順序采樣方式。SEQ1與SEQ2級聯成 16狀態的序列發生器SEQ，最大轉換通道寄存器的值MAXCONV1設置為2[6]，ADCINA0～ADCINA2三路通道轉換結果分別對應著adc[0]～adc[2]三個結果寄存器的值。

DSP需要接收LabVIEW傳輸過來的數據，于是定義了兩個無符號整型變量a、b。其中a為控制模擬電壓輸出的倍數，對應于LabVIEW界面的寫入緩沖區窗口，其輸入范圍為0～9十個整數。當a值等于0時，控制輸出電壓為0 V，當a等于9時，即控制輸出電壓為初始值的9倍。b值為用于儲存最終輸出電壓值的結果寄存器，其范圍值在0～3 V之間。在while循環下，a讀取接收緩沖寄存器的值，該值由在LabVIEW界面寫入緩沖區輸入并發送，由于a讀取完后儲存的數值為ASCII碼值，需要將a值減去0所對應的ASCII碼值48后，再與第一路的結果寄存器值adc[0]相乘。將此運算結果傳輸給結果寄存器b，最后發送緩沖器讀取b的值，并通過LabVIEW顯示輸出電壓值。

ADC采集時是12位的，而串行通信SCI在進行收發時是8位的，所以在將ADC采集到的數據通過SCI發送時，將高8位和低4位分組進行發送。即先將ADC采集到的12位數據位向右移8位，傳輸到發送緩沖寄存器中，再將剩余的4位一并發送，最后在LabVIEW中進行數據重組。由于在發送過程中涉及到了數據的拆分與重組，計算機無法識別接收到的數據是高8位還是低4位，導致最后結果的不確定性。于是在發送數據時添加了ABCD標志位，用于判斷讀取數據的初始位置，即當計算機接收到十六進制數ABCD時，便從其下一位開始讀取數據，這樣就解決了讀取數據的不確定性問題。SCI接收與發送的主程序如下：

while(SciaRegs.SCIRXST.bit.RXRDY == 1)

a= SciaRegs.SCIRXBUF.all;

b=(a-48)*adc[0];

while(SciaRegs.SCICTL2.bit.TXEMPTY==0){};

SciaRegs.SCITXBUF=0xAB;

while(SciaRegs.SCICTL2.bit.TXEMPTY==0){};

SciaRegs.SCITXBUF=0xCD;

……

3.2 三路數據傳輸LabVIEW設計

在LabVIEW界面加入了發送數據窗口，設計了0～9十個檔位，分別對應了將第三路的輸出電壓值擴大到最初值的0～9倍。而第一、二路輸出的電壓值作為對比保持不變。此應用可以通過LabVIEW界面控制輸出電壓值進而對外部設備運行狀態進行控制。

LabVIEW后面板程序如圖8所示，在while循環嵌套了一個條件結構，用于控制信號采集的開始與停止，在此條件結構中又嵌套了一個三層順序結構，分別為VISA寫入程序，等待20 ms，數據接收程序[7]。其中VISA寫入程序對應于前面板的寫入緩沖區，用于輸入控制模擬電壓放大的倍數；數據接收程序則對應輸出的波形圖。在將接收到的數據高8位與低4位進行重組時，需要先將數據向右移8位再與剩余值組合，于是將高8位乘以28后再按照ADC數/模轉換公式運算，將數字量轉換為模擬量并通過波形圖顯示。

4 實驗測試分析

本系統為三路信號采集與控制設計，測試結果如圖9所示。其中信號輸出1與信號輸出2為實際測得電壓值常量，分別為0.33 V和1.75 V。信號輸出3為可控輸出電壓值，其初始值與信號輸出1相同，為0.33 V。通過在界面中的寫入緩沖區依次輸入0～9十個數字，并分別點擊確定按鈕，可以觀察到信號輸出3中，電壓值由初始值的0.33V產生階梯性跳變。一共產生了0～9十層階梯數，每個數字代表著輸出電壓值變為初始值得N倍，當輸入數值為0時，電壓值為0 V，當輸入值為9時，信號輸出3值為2.89 V，正好為初始值0.33 V的9倍。

5 結論

基于TMS320F2812的多路信號采集與控制設計可同時對多路信號進行采集與分析，通過與LabVIEW的結合，使采集到的數據更加直觀，方便，準確。此外，在信號采集的基礎上添加了控制過程，通過LabVIEW界面輸入數值，可以實現對某路輸出電壓的控制，為后續的通過控制輸出電壓方式驅動外圍電路，進而控制外部設備的運行狀態奠定了基礎。免去了通過修改程序或是更改外部電路負載來控制變量的不便，減小了工作量，在實際工程中有較好的應用前景。

[1] 韓豐田．TMS320F281xDSP原理及應用技術[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2] 顧衛鋼．手把手教你學DSP-基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[3] 劉瑞濤,容海亮,張華.基于單片機的多路信號采集系統設計[J].數字技術與應用,2013,31(2):138-139.

[4] 王彬,王靈莉,王旭柱.基于LabVIEW與USB2.0的DSP數據采集與處理系統[J].微型機與應用,2013,32(6):32-34.

[5] 段永杰,趙河明,劉振強,等.基于DSP的多通道無線數據采集方法研究[J].水電能源科學,2010,28(6):109-111.

[6] 郭偉,潘仲明,杜金榜,等.多通道高速實時數據采集與處理平臺的設計[J].計算機測量與控制,2009,17(8):1644-1647.

[7] 張雪華,萬舟,吳建德.基于LabVIEW與DSP串口通信的數據采集系統設計[J].云南大學學報(自然科學版),2009,72(S2):106-111.

Designof Multi-Channel Signal Acquisition and Control
Based on TMS320F2812

LI Xiao-nan1, FENG Guo-sheng1, PENG Chao-liang1, JI Hao-hao2, ZHANG Xiao-rong1

(1.Department of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei, China; 2.Department of HAVAL Technology Center, Great Wall Motor Co., LTD, Baoding 071000, Hebei, China)

The TMS320F2812 development board was used to convert analog signals to digital value through the A/D converter ADC, and transmit data to PC through the SCI serial communication. Besides, the software LabVIEW was used to compile the multipath signal display and send data interface. It realized controlling a channel output voltage through inputting controlled variable in the LabVIEW interface, which laid a foundation for controlling the motor speed directly through LabVIEW interface.

signal acquisition; serial communication; TMS320F2812; LabVIEW

河北省自然科學基金項目(混合動力客車能量控制策略研究)：Z2014210050;石家莊市科研計劃項目(混合動力客車能量控制系統開發)：161080401A；河北省研究生創新項目(公鐵兩用通用化回轉底盤的設計與模型制作)：yc2016003

2016-05-18

李曉楠(1990-)，男，河北石家莊人，在讀碩士研究生，主要從事車輛電子控制研究，郵箱284289502@qq.com。

TP274

A

1008-9446(2016)06-0039-06