摘 要：本文介紹了基于TMS320VC33 DSP" title="DSP">DSP芯片的應(yīng)變力測試" title="應(yīng)變力測試">應(yīng)變力測試系統(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)還對測試系統(tǒng)進(jìn)行了信號(hào)完整性分析,。

關(guān)鍵詞：測試系統(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)變力測試系統(tǒng)是設(shè)計(jì)列車運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測平臺(tái)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),，本文用DSP芯片開發(fā)的測試系統(tǒng)正是針對這一需要,。

測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

        測試系統(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)還用來確定系統(tǒng)應(yīng)用程序的位置,。DSP根據(jù)此系統(tǒng)來裝載應(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4個(gè)中斷管腳的狀態(tài)，根據(jù)BootLoader程序定位表來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)考慮的主要問題是：如何采用EP2ROM+高速RAM的配置方式來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)子系統(tǒng),。

        EP2ROM用來存放測試系統(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來實(shí)現(xiàn),。

        對于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)變力測試系統(tǒng)中,，為了把TMS320VC33對采樣信號(hào)的處理結(jié)果通過串口傳送到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)過電平轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)中采用MAX232A來完成這一功能,。

可編程邏輯器件—譯碼模塊

        測試系統(tǒng)中的譯碼模塊主要用來實(shí)現(xiàn)DSP對片外存儲(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,。對于本測試系統(tǒng)而言,，編碼方式主要考慮的是TMS320VC33的接口能力問題。TMS320VC33的地址空間總?cè)萘繛?6M,，采用統(tǒng)一編址也不會(huì)對存儲(chǔ)器容量造成太大的威脅,。另外，TMS320VC33沒有專門的I/O指令和I/O端口總線,，因而測試系統(tǒng)中采用的是統(tǒng)一編碼方式,，并用ABLE語言

        設(shè)計(jì)譯碼電路。

測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        測試軟件算法的優(yōu)劣直接關(guān)系著整個(gè)測試系統(tǒng)的性能,。本測試系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示,。

        測試程序首先進(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,，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，處理結(jié)果通過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

        本文提出并設(shè)計(jì)的以DSP為核心的列車應(yīng)變力測試系統(tǒng)，有效地解決了實(shí)際工程應(yīng)用中的技術(shù)問題,，并就測試系統(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