基于DSP的嵌入式電子信號(hào)故障檢測(cè)技術(shù)

劉剛 曹文

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)電子信號(hào)故障檢測(cè)技術(shù)存在檢測(cè)通道采樣數(shù)據(jù)精度低、數(shù)據(jù)完整度差，信號(hào)故障檢測(cè)能力差的缺陷，提出基于DSP嵌入式電子信號(hào)故障檢測(cè)技術(shù)。采用TMS320C1X定點(diǎn)DSP芯片結(jié)合FPGA構(gòu)建雙CPU結(jié)構(gòu)DSP+FPGA，用于采集電子信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的快速完整采集；將采集到的電子信號(hào)通過嵌入式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)模/數(shù)變換處理，利用AD7656模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)格式，再利用小波算法實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的檢測(cè)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分離模塊將故障數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)分離處理，實(shí)現(xiàn)電子信號(hào)故障檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法獲取的通道采樣數(shù)據(jù)精度高，信號(hào)故障檢測(cè)能力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： DSP； 嵌入式電子信號(hào)； 數(shù)據(jù)采集； 采樣頻率； 信號(hào)檢測(cè)； 小波算法

中圖分類號(hào)： TN99?34； TP274+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）16?0176?03

Abstract： In allusion to the defects of low precision of detection channel sampling data， poor data integrity， and poor signal fault detection capability existing in the traditional electronic signal fault detection technology， an embedded electronic signal fault detection technology based on DSP is proposed. The double CPU structure of DSP+FPGA is constructed by adopting the fixed?point DSP chip TMS320C1X and combining with the FPGA， so as to collect electronic signals and realize the rapid and complete acquisition of multi?channel signals. The A/D conversion processing is realized for the collected electronic signals in the embedded data conversion module. The AD7656 A/D conversion chip is used to convert signals into the data format. The wavelet algorithm is used to realize fault data detection. The data separation module is designed to separate fault data from normal data， and realize fault detection of electronic signals. The experimental results show that the proposed method can obtain high?precision channel sampling data， and has a strong signal fault detection capability.

Keywords： DSP； embedded electronic signal； data acquisition； sampling frequency； signal detection； wavelet algorithm

信號(hào)檢測(cè)技術(shù)在電子技術(shù)領(lǐng)域和通信領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。信號(hào)檢測(cè)技術(shù)中的數(shù)據(jù)采集、測(cè)量功能和初始信號(hào)傳感功能推進(jìn)了電子技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)故障提取功能推進(jìn)了通信技術(shù)的進(jìn)步。因此尋求一種有效的電子信號(hào)檢測(cè)技術(shù)成為了相關(guān)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題[1]。針對(duì)傳統(tǒng)基于空間復(fù)用的電子信號(hào)故障檢測(cè)技術(shù)存在檢測(cè)通道采樣數(shù)據(jù)精度低、信號(hào)故障檢測(cè)能力差的缺陷，提出基于DSP嵌入式電子信號(hào)故障檢測(cè)技術(shù)。所提方法獲取的測(cè)試通道采樣數(shù)據(jù)精度高，在變更采樣率、選擇通道方面具有方便性，且能夠提供個(gè)性化的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理定制服務(wù)。對(duì)于信號(hào)故障檢測(cè)能夠獲取精準(zhǔn)的信號(hào)故障發(fā)生時(shí)間與結(jié)束時(shí)間[2]，基于DSP嵌入式電子信號(hào)故障檢測(cè)技術(shù)與同等技術(shù)相比存在眾多優(yōu)勢(shì)。

1 基于DSP的嵌入式電子信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

1.1 設(shè)計(jì)方案及主要構(gòu)成

基于DSP的嵌入式電子信號(hào)故障檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)分離模塊組成。

數(shù)據(jù)采集模塊是由TMS320C1X定點(diǎn)DSP芯片結(jié)合FPGA構(gòu)建的DSP+FPGA雙CPU結(jié)構(gòu)，建立兩個(gè)通道對(duì)電子信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)采集，實(shí)現(xiàn)快速完整的多通道電子信號(hào)采集；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊采用AD7656模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)采集到的電子信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行模/數(shù)變換處理，以實(shí)現(xiàn)電子信號(hào)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一；利用小波算法實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的檢測(cè)；數(shù)據(jù)分離模塊主要是通過DSP控制電路對(duì)轉(zhuǎn)換的電子信號(hào)數(shù)據(jù)中的故障信號(hào)分離出來，實(shí)現(xiàn)電子信號(hào)故障處理。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電子信號(hào)故障檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)采集僅基于FPGA進(jìn)行操作，檢測(cè)范圍小，電子信號(hào)完整度差，且時(shí)效性不高。本文設(shè)計(jì)的嵌入式電子信號(hào)采集方法，將DSP和FPGA兩種方法進(jìn)行融合，在數(shù)據(jù)采集模塊中，采用了雙端口RAM器件CY7C028，利用TMS320C1X定點(diǎn)DSP芯片結(jié)合FPGA構(gòu)建雙CPU結(jié)構(gòu)DSP+FPGA，用于采集電子信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的快速完整采集[3]。數(shù)據(jù)采集模塊如圖1所示。

1.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

由于不同采集通道采集的電子信號(hào)形式不同，需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換[4]，以保證數(shù)據(jù)分離模塊能夠?qū)ζ溥M(jìn)行處理。本文采用模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656，其具備處理高達(dá)4.5 MHz的輸入頻率，能夠快速對(duì)采集的電子信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理[5]；該芯片存在可以調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)處理范圍，主要因?yàn)槠鋬?nèi)部含有2.5 V的基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)緩沖器[6]，因此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊能夠?qū)⒉煌盘?hào)采集通道采集的樣本信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖2詳細(xì)描述了AD7656芯片的電路圖。

1.4 基于小波算法的電子信號(hào)故障檢測(cè)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型將不同采集通道采集的電子信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換統(tǒng)一后，利用小波算法對(duì)其進(jìn)行故障檢測(cè)。傳統(tǒng)方法一般采用補(bǔ)零法對(duì)程序及數(shù)據(jù)進(jìn)行故障檢測(cè)與分離，但由于補(bǔ)零法是在輸入列的末端實(shí)施補(bǔ)零，容易造成輸入序列界限的間斷。本文將小波算法應(yīng)用于電子信號(hào)故障檢測(cè)中，在C5000 DSP芯片中進(jìn)行小波算法編程。該芯片應(yīng)用的哈佛結(jié)構(gòu)具備分離程序與數(shù)據(jù)的功能，配備專屬硬件乘法器以及匯編指令集。該結(jié)構(gòu)通過累加操作、重復(fù)操作、循環(huán)尋址等功能適應(yīng)小波算法的運(yùn)行[7]。小波算法的有效運(yùn)轉(zhuǎn)依賴于上述資源的強(qiáng)大功能[8]。采用小波算法實(shí)現(xiàn)電子信號(hào)故障的檢測(cè)，具體內(nèi)容如圖3所示。

1.5 數(shù)據(jù)分離模塊設(shè)計(jì)

利用數(shù)據(jù)分離模塊將檢測(cè)出的故障信號(hào)分離出來，并傳輸至主機(jī)，使工作人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障[9?10]?；贒SP的嵌入式電子信號(hào)故障檢測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分離模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 采樣精度實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文方法在獲取采樣通道數(shù)據(jù)精度方面存在優(yōu)勢(shì)。設(shè)置不同的檢測(cè)板配備8個(gè)AD7656芯片，所以每個(gè)采樣板都可以在統(tǒng)一時(shí)間內(nèi)獲取到48個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)。具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：采用5 V的模擬信號(hào)采集范圍；使用深度為50的采樣通道；100 kHz PGA的采樣頻率上限。圖5對(duì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

發(fā)送命令的十六進(jìn)制參數(shù)進(jìn)行中：前2個(gè)數(shù)據(jù)表示控制指令的數(shù)據(jù)頭；采樣頻率的指令代碼用第3個(gè)數(shù)據(jù)描述；該板塊的ID數(shù)據(jù)信息用第4個(gè)數(shù)據(jù)描述；第5個(gè)參數(shù)表示采樣頻率的參數(shù)設(shè)置，且1～100 kHz的采樣頻率對(duì)應(yīng)0×01～0×64；接著16個(gè)數(shù)據(jù)表示采樣通道的工作狀態(tài)，處于工作狀態(tài)時(shí)用高電平表示，反之，用低電平表示。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采取24個(gè)采樣通道在同一時(shí)間段內(nèi)對(duì)相同的±5 V的正弦波實(shí)施加載操作，將本文方法獲取的采樣數(shù)據(jù)制成圖形，詳細(xì)內(nèi)容如圖6a）所示。分析該圖可得，本文方法獲取的通道采樣數(shù)據(jù)內(nèi)容能夠精確到小數(shù)點(diǎn)4位數(shù)甚至更多，表明本文方法對(duì)于信號(hào)采樣的一致性相當(dāng)高。采用本文方法對(duì)誤差率5%的電磁感應(yīng)線圈的電壓實(shí)施測(cè)試實(shí)驗(yàn)，圖6b）為獲取的實(shí)驗(yàn)波形圖，從中可以看出，本文方法獲取的結(jié)果與信號(hào)初始的誤差率基本一致。

2.2 檢測(cè)故障信號(hào)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文方法在信號(hào)故障檢測(cè)以及故障時(shí)間點(diǎn)的判斷方面存在優(yōu)勢(shì)，采用本文方法基于C54x匯編語言進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。圖7給出本文方法的8次信號(hào)故障檢測(cè)結(jié)果。圖7中的原始信號(hào)分別包含了一個(gè)正常信號(hào)和一個(gè)故障信號(hào)。在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)上對(duì)這些信號(hào)實(shí)施故障操作，采用本文方法實(shí)施信號(hào)故障檢測(cè)并進(jìn)行處理研究。

3 結(jié) 論

本文提出的基于DSP嵌入式電子信號(hào)檢測(cè)技術(shù)獲取的測(cè)試通道采樣數(shù)據(jù)精度高，在變更采樣率、選擇通道方面靈活便捷，且能夠提供個(gè)性化的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理定制服務(wù)，對(duì)于信號(hào)故障檢測(cè)能夠獲取精準(zhǔn)的信號(hào)故障發(fā)生時(shí)間與結(jié)束時(shí)間。

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