摘  要： 介紹了以美國(guó)德州儀器公司（TI）C2000系列DSP—TMSF320F28335（簡(jiǎn)稱F28335）為核心的風(fēng)力發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程檢測(cè)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了F28335豐富的外設(shè)模塊和專(zhuān)用以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS實(shí)現(xiàn)了包括模擬信號(hào),、數(shù)字信號(hào),、頻率信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，并且具有串口,、CAN總線,、以太網(wǎng)3種通信功能。該系統(tǒng)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波和快速傅里葉變換（FFT）,得出信號(hào)的時(shí)域和頻域數(shù)據(jù),，利用小波分析,、Hilbert-Huang變換等算法對(duì)時(shí)、頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和分析,，得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息,，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線監(jiān)控與故障識(shí)別。
關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程監(jiān)控,；RTL8019AS,；TMSF320F28335

    風(fēng)力發(fā)電作為一種綠色能源，因其無(wú)污染,、可再生,、方便而受到人們的重視且得到了迅猛的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力放電場(chǎng)的關(guān)鍵設(shè)備,，受惡劣的工作環(huán)境,、復(fù)雜的受力情況等的影響，其故障診斷也越來(lái)越重要,。
    本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種采用美國(guó)德州儀器公司(TI)的32位浮點(diǎn)芯片TMSF320F28335(簡(jiǎn)稱F28335)為總控芯片,，并具很強(qiáng)的遠(yuǎn)程檢測(cè)和分析性能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)檢測(cè)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠脫離主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行,，充分利用了F28335豐富的外設(shè)模塊以及采用專(zhuān)用以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS實(shí)現(xiàn)多種通信功能,。以太網(wǎng)控制器RTL-
8019AS具有8/16位總線模式,，集成了IEEE802.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)訪問(wèn)控制子層(MAC)和物理層的性能，能夠簡(jiǎn)單地解答即插即用NE2000兼容適配器[1],。F28335具有150 MHz的高速處理能力,，具備32位浮點(diǎn)處理單元，有豐富的外設(shè)資源,，包括串行外設(shè)接口SPI,、串口通信接口SCI、CAN總線控制器,、ADC轉(zhuǎn)換,、捕捉單元CAP、多通道緩沖串行口McBSP,，6個(gè)DMA通道支持ADC,、McBSP和 EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出,，其中有6路為T(mén)I特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM),。相對(duì)于其他定點(diǎn)DSP芯片，使用浮點(diǎn)運(yùn)算芯片可以更加快速地編寫(xiě)控制算法而無(wú)需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力,。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)充分利用了F28335的外設(shè)模塊以及外圍接口電路搭建硬件,。外圍接口電路主要包括模擬量輸入接口電路、數(shù)字量輸入輸出接口電路,、SCI通信電路,、CAN通信電路和以RTL8019AS為核心的以太網(wǎng)通信電路，系統(tǒng)框架如圖1所示,。

    系統(tǒng)首先對(duì)模擬量輸入進(jìn)行預(yù)處理。將電壓范圍調(diào)節(jié)到DSP可接受的范圍后進(jìn)入系統(tǒng),，在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波,、快速傅里葉變換等，最后通過(guò)多種通信方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。
2 主程序結(jié)構(gòu)框架
    本系統(tǒng)采用的通信方式為發(fā)送采用發(fā)送模式,，接收采用中斷模式。模擬量的采集則通過(guò)定時(shí)器設(shè)置采樣時(shí)間間隔,，當(dāng)定時(shí)器中的值等于0時(shí),，通過(guò)中斷對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并進(jìn)行存儲(chǔ)，之后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征量提取,，并對(duì)其進(jìn)行分析,，經(jīng)由通信方式傳送給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別，系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示,。

3 模擬量的采集
    F28335有一個(gè)12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,，該模塊有16個(gè)通道,，可配置為2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器A和B,。兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊也可以級(jí)聯(lián)構(gòu)成一個(gè)16通道模塊,。兩個(gè)8通道模塊能夠自動(dòng)排序，每個(gè)模塊可以通過(guò)多路選擇器（MUX）選擇8通道中的任何一個(gè)通道,。在級(jí)聯(lián)模式下,，自動(dòng)排序器將變成16通道。對(duì)于每個(gè)通信通道而言,，一旦ADC轉(zhuǎn)換完成,，將會(huì)把轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到結(jié)果寄存器（ADCRESUILT）中。自動(dòng)排序器允許對(duì)同一個(gè)通道進(jìn)行多次采樣[2],。由于ADC模塊的模擬輸入電壓范圍是0～3 V,，因此原始信號(hào)必須經(jīng)過(guò)模擬量輸入接口電路將相應(yīng)的電壓值調(diào)整到允許范圍以內(nèi)[1]。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示,，電流轉(zhuǎn)換電路如圖4所示,。

    在ADC模塊中，ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字表示量為：
    
    外部輸入為20 Hz,、50 Hz,、100 Hz正弦波信號(hào)組成的混頻信號(hào)，采樣頻率設(shè)定為1 000 Hz,，模擬信號(hào)接口電路電平轉(zhuǎn)換采樣后的波形如圖5所示,。

4 FIR濾波器
    本系統(tǒng)濾波器使用Matlab中的FDATool(Filter Design ＆ Analysis Tool)設(shè)計(jì)。該工具是Matlab信號(hào)處理工具箱專(zhuān)用的濾波器設(shè)計(jì)與分析工具,。它通過(guò)指定濾波器的性能指標(biāo)來(lái)快速設(shè)計(jì)FIR或者IIR濾波器,。利用FDATool設(shè)定好參數(shù)生成濾波器，通過(guò)打開(kāi)Target→Generate C header菜單欄將濾波器系數(shù)保存在指定文件夾的頭文件fdacoefs.h中[3],。值得注意的是,，在生成頭文件的過(guò)程中選擇的數(shù)據(jù)格式應(yīng)該為單精度浮點(diǎn)型。把該頭文件添加到相應(yīng)的CCS工程文件中,，根據(jù)實(shí)際需要可以添加多個(gè)濾波器有效系數(shù)頭文件到工程文件中,，程序根據(jù)實(shí)際情況及采樣頻率選擇不同的濾波器[4]。圖6為原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)采樣頻率為1 000 Hz,、截止頻率分別為35 Hz和70 Hz的帶通濾波器后的輸出波形,。

5 FFT變換
    本系統(tǒng)采用的FFT變換以基2 FFT算法為理論依據(jù)編寫(xiě)，鑒于F28335的浮點(diǎn)運(yùn)算單元,，在編寫(xiě)程序時(shí)可以直接使用浮點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,，相對(duì)于定點(diǎn)DSP芯片可移植性更強(qiáng)[5]。圖7為原始采集信號(hào)經(jīng)FFT變換后的頻譜圖,，圖8是采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)截止頻率分別為35 Hz和70 Hz的帶通濾波器濾波后的波形頻域圖,。

    從圖中可以看出原始數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器后,，其中20 Hz和100 Hz頻率分量被濾除，只剩下50 Hz的頻率分量,。
6 通信傳輸

    經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后由F28335根據(jù)控制命令和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況將得出的結(jié)論經(jīng)由通信協(xié)議傳輸給上位機(jī),，上位機(jī)獲得數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，再次向DSP中寫(xiě)入控制命令字,。
    本文主要研究了基于DSP的風(fēng)力發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程分析監(jiān)控系統(tǒng),。充分利用F28335的片內(nèi)資源，能夠?qū)Χ嗦窋?shù)據(jù)進(jìn)行采集,，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，將處理數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)通信協(xié)議傳送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的遠(yuǎn)程檢測(cè)分析,。
參考文獻(xiàn)
[1] 黃訓(xùn)誠(chéng)．基于RTL8019AS的單片機(jī)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信[J]．微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),，2005，22(3)：228-230．
[2] 許曉艷,，潘宏俠．基于DSP的電機(jī)設(shè)備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]．計(jì)量與測(cè)量技術(shù),，2009，36(1)：12-15．
[3] 蘇奎峰,，呂強(qiáng),，鄧志東，等．TMS320X28XXX原理與開(kāi)發(fā)[M]．北京：電子工業(yè)出版社,，2009．
[4] 鄧婷．基于Matlab和DSP數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．科學(xué)技術(shù)與工程,，2011，11(19)：209-213．
[5] 陳亮,，楊吉斌,，張雄偉．信號(hào)處理算法的實(shí)時(shí)DSP實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005．