基于DSP芯片和以太网控制器实现风力发电机检测分析系统的设计

风力发电作为一种绿色能源，因其无污染、可再生、方便而受到人们的重视且得到了迅猛的发展。风力发电机作为风力放电场的关键设备，受恶劣的工作环境、复杂的受力情况等的影响，其故障诊断也越来越重要。

本文设计并实现了一种采用美国德州仪器公司（TI）的 32 位浮点芯片 TMSF320F28335（简称 F28335）为总控芯片，并具很强的远程检测和分析性能的风力发电机检测分析系统。该系统能够脱离主机独立运行，充分利用了 F28335 丰富的外设模块以及采用专用以太网控制芯片 RTL8019AS 实现多种通信功能。以太网控制器RTL-8019AS 具有 8/16 位总线模式，集成了 IEEE802.3 协议标准的介质访问控制子层（MAC）和物理层的性能，能够简单地解答即插即用 NE2000 兼容适配器。F28335 具有 150 MHz 的高速处理能力，具备 32 位浮点处理单元，有丰富的外设资源，包括串行外设接口 SPI、串口通信接口 SCI、CAN 总线控制器、ADC 转换、捕捉单元 CAP、多通道缓冲串行口 McBSP，6 个 DMA 通道支持 ADC、McBSP 和 EMIF，有多达 18 路的 PWM 输出，其中有 6 路为 TI 特有的更高精度的 PWM 输出（HRPWM）。相对于其他定点DSP芯片，使用浮点运算芯片可以更加快速地编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力。

1 、系统硬件结构

本系统充分利用了 F28335 的外设模块以及外围接口电路搭建硬件。外围接口电路主要包括模拟量输入接口电路、数字量输入输出接口电路、SCI 通信电路、CAN 通信电路和以 RTL8019AS 为核心的以太网通信电路，系统框架如图 1 所示。

系统首先对模拟量输入进行预处理。将电压范围调节到 DSP 可接受的范围后进入系统，在系统内部实现数字滤波、快速傅里叶变换等，最后通过多种通信方式与上位机进行数据传输。

2 、主程序结构框架

本系统采用的通信方式为发送采用发送模式，接收采用中断模式。模拟量的采集则通过定时器设置采样时间间隔，当定时器中的值等于 0 时，通过中断对模拟信号进行采样并进行存储，之后对采集的数据进行特征量提取，并对其进行分析，经由通信方式传送给上位机实现故障识别，系统程序流程图如图 2 所示。

3 、模拟量的采集

F28335 有一个 12 位模 / 数转换模块，该模块有 16 个通道，可配置为 2 个独立的 8 通道模块，分别服务于事件管理器 A 和 B。两个独立的 8 通道模块也可以级联构成一个 16 通道模块。两个 8 通道模块能够自动排序，每个模块可以通过多路选择器（MUX）选择 8 通道中的任何一个通道。在级联模式下，自动排序器将变成 16 通道。对于每个通信通道而言，一旦 ADC 转换完成，将会把转换结果存储到结果寄存器（ADCRESUILT）中。自动排序器允许对同一个通道进行多次采样［2］。由于 ADC 模块的模拟输入电压范围是 0～3 V，因此原始信号必须经过模拟量输入接口电路将相应的电压值调整到允许范围以内。电压转换电路如图 3 所示，电流转换电路如图 4 所示。

在 ADC 模块中，ADC 的转换结果的数字表示量为：

外部输入为 20 Hz、50 Hz、100 Hz 正弦波信号组成的混频信号，采样频率设定为 1 000 Hz，模拟信号接口电路电平转换采样后的波形如图 5 所示。

4、 FIR 滤波器

本系统滤波器使用 Matlab 中的 FDATool（Filter Design ＆ Analysis Tool）设计。该工具是 Matlab 信号处理工具箱专用的滤波器设计与分析工具。它通过指定滤波器的性能指标来快速设计 FIR 或者 IIR 滤波器。利用 FDATool 设定好参数生成滤波器，通过打开 Target→Generate C header 菜单栏将滤波器系数保存在指定文件夹的头文件 fdacoefs.h 中［3］。值得注意的是，在生成头文件的过程中选择的数据格式应该为单精度浮点型。把该头文件添加到相应的 CCS 工程文件中，根据实际需要可以添加多个滤波器有效系数头文件到工程文件中，程序根据实际情况及采样频率选择不同的滤波器［4］。图 6 为原始数据经过采样频率为 1 000 Hz、截止频率分别为 35 Hz 和 70 Hz 的带通滤波器后的输出波形。

5 、FFT变换

本系统采用的 FFT 变换以基 2 FFT 算法为理论依据编写，鉴于 F28335 的浮点运算单元，在编写程序时可以直接使用浮点数据进行运算，相对于定点 DSP 芯片可移植性更强［5］。图 7 为原始采集信号经 FFT 变换后的频谱图，图 8 是采样信号经过截止频率分别为 35 Hz 和 70 Hz 的带通滤波器滤波后的波形频域图。

从图中可以看出原始数据信号经过带通滤波器后，其中 20 Hz 和 100 Hz 频率分量被滤除，只剩下 50 Hz 的频率分量。

经过相应的数据处理后由 F28335 根据控制命令和现场实际情况将得出的结论经由通信协议传输给上位机，上位机获得数据并对数据进行存储和显示，再次向 DSP 中写入控制命令字。

本文主要研究了基于 DSP 的风力发电机远程分析监控系统。充分利用 F28335 的片内资源，能够对多路数据进行采集，并对采集数据进行处理，将处理数据结果通过通信协议传送给上位机，实现了风力发电机的远程检测分析。