（控制理论与控制工程专业论文）锅炉水噪声采集装置研究.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 锅炉一般工作于高温、高压、强腐蚀等恶劣环境，其自身工作特点决定着 设备易受到损害，炉壁破裂酿成的事故破坏性极大。然而，针对锅炉的安全检 查、实时监测技术却滞后于锅炉的发展。相关的检查、监测一般是在锅炉组装 或停机时进行，过于频繁的停机检测会造成不必要的损失和麻烦，疏于检测又 难于发现锅炉的隐患，尤其是凭经验来判断的方法，不能及时、客观地评估锅 炉的安全状况，准确率低且缺乏必要的理论判断依据。 针对目前锅炉实时监测设备匮乏状况，能够实时监测锅炉运行状态、预测 故障并给出维修及相关理论指导的锅炉监测智能专家系统将备受用户青睐。 本文论述的锅炉水噪声采集装置属于锅炉监测智能专家系统的一部分，其 机理在于炉壁在有裂痕或无裂痕所产生的水噪声所包含的频率成分不同的原 理，通过对采集的水噪声进行频谱分析，就可判断锅炉自身的状况。本文着重 致力于该系统的底层硬件部分的设计，根据系统的需求，采用目前嵌入式系统 设计中非常流行的高性价比a r m + d s p 双核处理器架构的系统设计方案，前端 传感器采集水噪声信号，经滤波、放大电路后，进入音频编解码器进行a d 并 转换成p c m 码格式的数据；p c m 格式的数据通过m c b s p 接口传送到协处理器 d s p ，d s p 根据实际需求，进行h 丌或者m p 3 编码压缩处理；主处理器读取 d s p 处理完毕的数据，根据要求现场显示或者远距离传送至上位机。编解码器 和协处理器通过m c b s p 进行主从式数据传输，主处理器通过1 2 c 总线对其进行 模式配置；主、协处理器通信采用h p i 接口通信方式，增强了主控制器的控制 能力也充分发挥了协处理器的高速处理数据的优势。软件平台采用l i n u x 操作系 统，进行模块式程序开发便于升级和维护。数据处理理论主要涉及高压缩比、 非常适合网络传输的m p 3 编码压缩算法和用于频谱分析的f f t 。结合实际运行 环境，将可靠性设计贯穿于整个系统设计中，使系统能够达到实用的目的。 锅炉水噪声采集处理装置能够采集极弱的水噪声模拟信号，并将其转化为 数字电信号，根据实际需要现场进行频谱分析或者编码压缩上传上位机再分析。 本采集装置为锅炉智能专家系统的实现提供了良好的硬、软件系统解决方案。 关键词：锅炉水噪声，主处理器，协处理器，频谱分析，压缩编码 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b o i l e rw o r k si nh a r s he n v i r o n m e n t ，s u c ha sh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g l lp r e s s u r e ， s t r o n gc o r r o s i o n ，a n ds oo n b e c a u s eo ft h i s ，e q u i p m e n t sa r ev u l n e r a b l et od a m a g e ， a n dt h ea c c i d e n td e s t r u c t i v e n e s sw h i c ht h ef i r ew a l l sb r e a k a g eb r e e d si se n o r m o u s h o w e v e r , s a f e t yi n s p e c t i o na n dr e a l t i m em o n i t o r i n g t e c h n o l o g yl a gi nb o i l e r s d e v e l o p m e n t u s u a l l y , t h ei n s p e c t i o na n dm o n i t o ra r ec a r r i e do nw h e nb o i l e ra r e a s s e m b l e do rd u r i n gd o w n t i m e t o oo f t e ni n s p e c t i o nw o u l dc a u s eu n n e c e s s a r yl o s s e s a n dt r o u b l e s ，b u ti ft h ei n s p e c t i o nn o tf r e q u e n t l y , t h a tw i l lc r e a t ed i f f i c u l t yw i t h d i s c o v e r sb o i l e r sh i d d e nd a n g e r i np a r t i c u l a r , t h ew a y i u d g i n gb ye x p e r i e n c ec a nn o t a s s e s st h es e c u r i t ys i t u a t i o no fb o i l e r so b j e c t i v e l ya n di nt i m e t h i sm e t h o d sr a t eo f a c c u r a c yi sl o wa n di tl a c k so ft h en e c e s s a r yt h e o r e t i c a lb a s i sf o rj u d g r n e n t a tp r e s e n t ，r e a l t i m em o n i t o rt e c h n o l o g yo fb o i l e ri sq u i t ed e f i c i e n t d e s i g n i n g a ni n t e l l i g e n te x p e r td i a g n o s t i cs y s t e mf o rr e m o t em o n i t o r i n go ft h eb o i l e ri s n e c e s s a r y i tn e e d sr e a l t i m em o n i t o r i n go ft h eo p e r a t i o no fb o i l e r s ，t op r e d i c tf a i l u r e ， a n dg i v e sr e l e v a n tg u i d a n c ef o rm a i n t e n a n c ea n do p e r a t i o n r e s e a r c hs h o w st h a t ，w i t ht h ew a l l so ft h ef u r n a c ec r a c ko rn o tc r a c k ，f u r n a c e f r e q u e n c yn o i s eo ft h ew a t e rc o n t a i n e di nt h ec o m p o s i t i o na r ea l s od i f f e r e n t a c c o r d i n gt ot h i s w ed e s i g n e da ni n t e l l i g e n te x p e r td i a g n o s t i cs y s t e m t h i sp a p e r w i l lf o c u so nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fr o c k - b o t t o mh a r d w a r es y s t e m ，t h a ti s ，t h e r e s e a r c ho nb o i l e r sw a t e rn o i s eg a t h e r i n ge q u i p m e n t a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d t h i s s y s t e mu s ec o s t e f f e c t i v ea r m + d s p d u a l c o r ep r o c e s s o ra r c h i t e c t u r ew h i c hi sv e r y p o p u l a ri nc u r r e n td e s i g no fe m b e d d e ds y s t e m s w eu s ef r o n t - e n ds e n s o r st oc o l l e c t w a t e rn o i s es i g n a l a f t e rt h es i g n a lf i l t e r i n ga n da m p l i f i c a t i o nc i r c u i t ，w eu s ea u d i o c o d e ct ot r a n s f o r ma da n dc o n v e r ts i g n a lt od a t ao fp c mf o r m a t ，w h i c hw i l lb es e n t t ot h ec o p r o c e s s o rd s pt h r o u g ht h ei n t e r f a c em c b s p d s pi su s e df o rf f ro rm p 3 e n c o d i n ga c c o r d i n gt o a c t u a ld e m a n d t h em a i np r o c e s s o rr e a d sd a t aw h i c hi s p r o c e s s e db yd s p a n ds h o w so rs e n t st ot h er e m o t ep c c o d e c sa n dc o p r o c e s s o r sa r e u s e df o rm a s t e r - s l a v ed a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g hm c b s p a n dc o n f i g u r em o d et h r o u g h l cb u s t h e m a i np r o c e s s o ra n dc o p r o c e s s o r su s eh p ii n t e r f a c em e a n so f c o m m u n i c a t i o n w h i c he n h a n c e st h ea b i l i t yo ft h em a i nc o n t r o l l e r , a n dg i v e sf u l lp l a y t ot h ec o - p r o c e s s o r sh i g h s p e e dd a t ap r o c e s s i n g w eu s eo p e n s o u r c el i n u x o p e r a t i n gs y s t e mf o r s o f t w a r ep l a t f o r m d a t a p r o c e s s i n gm a i n l yi n v o l v e s h i g h c o m p r e s s i o nr a t i o ，m p 3e n c o d i n ga l g o r i t h mw h i c h i ss u i t a b l ef o rn e t w o r k t r a n s m i s s i o n ，a n df f tw h i c hf o rs p e c t r u ma n a l y s i s r e l i a b i l i t yd e s i g nr u n st h r o u g h t h es y s t e md e s i g n ，w h i c hm a k e st h es y s t e mp r a c t i c a l t h i se q u i p m e n tc a nc o l l e c tw e a ka n a l o gs i g n a lo fw a t e rn o i s e a n dt r a n s l a t ei t i n t od i g i t a ls i g n a l w h i c hc a nb es e n tt or e m o t ep cf o rs p e c t r u ma n a l y s i s t h j s e q u i p m e n tp r o v i d e sag o o dh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e ms o l u t i o nf o ri n t e l l i g e n t e x p e r td i a g n o s t i cs y s t e m k e yw o r d s ：w a t e rn o i s e ，m a i np r o c e s s o r , c o p r o c e s s o r , s p e c t r u ma n a l y s i s ， c o m p r e s s i o na n dc o d i n g l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：羔杰鱼 吉期塑盔肜 研究生( 签名) ：盘杰鱼 日期塑盔肜 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生c 签孙边良一新c 签孙咱盗一日期_ 啦b 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 选题背景与意义 第1 章绪论 锅炉一般长期工作于诸如发电厂、暖气站、工业供气等特殊的环境中，设 备易受损、老化，故障率高，危害极大，而锅炉受热面的状况决定着锅炉的安 全工作与否。锅炉受热面是指把燃烧产物与水汽工质隔开的金属壁面。受热面 把燃烧产物的热量传给水汽工质并承受水汽工质的压力，既受热又受压，工作 条件极其恶劣，是完成锅炉工作职能的基本结构。锅炉受热面按水汽不同的加 热作用，可分为水冷壁、过热器、再热器、省煤器，简称为锅炉的四管受热面。 四管受热面在运行中一侧是燃料燃烧所产生的高温烟气，一侧是高温高压的水 和蒸汽，材料的使用环境相当恶劣，造成受热面使用寿命降低，四管受热面爆 破泄露现象频繁出现，因而经常引起事故。锅炉的可靠性统计数据【1 1 表明：锅炉 四管的爆漏是锅炉可靠性的薄弱环节。 自2 0 世纪8 0 年代开始，北美地区开始对影响发电机组中锅炉可靠性的主 要因素开始较完整的统计和分析。其中锅炉受热面的炉管泄露一直是北美地区 有统计的3 0 年来排名第一的设备问题。过去1 0 年发生路管泄漏共3 0 0 0 0 次， 每次停机维修损失巨大【2 1 。上海电网2 0 0 6 年度8 台3 0 0 m w 机组累计非计划停 运7 7 次，约占3 1 4 1 h ，其中由锅炉故障引起的有4 0 次，约占2 7 0 5 h ，分别占停 运次数的5 2 与停运时间的8 6 。四管泄露导致非计划停运3 4 次，约占2 5 0 3 h ， 分别占锅炉非计划停运的次数的8 5 和时间的7 6 t 3 1 。减少受热面爆漏次数，降 低锅炉强迫停运时间，抑制故障的发生，是提高锅炉运行可靠性和经济性的关 键因素。锅炉受热面的可靠性是衡量锅炉产品质量的重要指标，是锅炉产品市 场竞争的焦点。因此迫切需要对锅炉受热面的状态建立可靠的监测方法，在锅 炉使用中给予正确、合理的指导，抑制故障的发生，从而预防部件损坏和事故 的扩大。 锅炉受热面故障的前兆就是有裂纹。锅炉运行时，水在锅炉内变成饱和蒸 汽和水的汽水混合物，与锅炉受热面内侧擘撞击，呈激烈的振动状态，产生水 噪声。经研究表明，在炉壁受热而无裂纹时，水噪声的频谱密度基本在8 0 0 1 0 k h z 武汉理1 = = 人学硕士学位论文 的频域范围内均匀分布；如果有裂纹其相应的水噪声在在某频段( 例如l k h z ) 频谱密度较大。因此，通过判断水噪声( 声音鉴别或频谱分析) ，就可有效地监 测锅炉受热面的状态。 因此深入开展对锅炉水噪声采集处理装置的研究，进而根据耳听或频谱分 析来预测故障，合理的制定、安排检修策略，对锅炉运行的安全经济性具有十 分重要的意义。 1 2 相关技术的现状与发展趋势 声音信号由许多频率不同的信号组成，频率小于2 0 h z 的声音信号称为亚音 信号，或称为次音信号，频率在2 0 2 0 k h z 的声音信号称为音频信号，高于2 0 k 的信号称为超音频信号【4 1 。显然本系统中的锅炉水噪声属于音频信号的范畴。因 此锅炉水噪声采集处理装置实质就是基于锅炉水噪声的音频采集处理系统。传 统的，音频采集处理系统通常有基于p c 机、专用集成电路a s i c 和通用d s p s 等三种架构【5 l 。 1 2 1 基于p c 机的音频采集处理系统 该系统主要包括音频传感器、声音采集卡以及p c 机三部分组成。声音采集 卡插在p c 机主板的p c i 插槽上，麦克风通过音频电缆线和声音采集卡相连。计 算机是音频信号处理的核心，它控制着声音的输入和输出设备。得到原始声音 以后对它们进行处理，以期待得到我们需要的声音格式。最后是利用p c 机强大 的软、硬件资源和高速的处理能力对声音进行处理。 p c 机强大的资源优势是其它系统所不能比拟的，但是高功耗、系统体积过 于庞大、速度慢是其弊病，这种系统不太适合工业现场或者航空航天等环境应 用。因此多用于音视频采集处理系统初期的算法研究和仿真阶段。 1 2 2 基于a s i c 的音视频采集处理系统 通常根据任务的不同，一个典型的专用音频采集处理系统可以划分为以下 几步：音频的采集( 解码) 、声音格式的转化、音频的输出( 编码) 。在设计整 个系统的时候，芯片设计是最重要的环节。在具体设计的时候一旦算法选定， 2 武汉理j 二人学硕士学位论文 就会固化在a s i c 中。 利用a s i c 实现音频采集处理系统能够得到很高的处理速度，而且算法固 化，系统比较稳定，但是有设计成本高、开发时间长、算法不灵活等缺点。因 此在实际的音频采集处理系统设计中应用甚少。 1 2 3 基于d s p 的音频采集处理系统 d s p 从一出现就以其低成本、高速的运算处理能力、丰富灵活的系统设计 在实时数字信号处理领域得到了广泛的应用。在音频采集处理系统中，根据应 用场合的不同和实际目的的不同，系统的组成结构一般也有不同，但基本环节 大体相同，如图1 - 1 所示。 输套f 抗混叠 _ 涎波器 加 转换器 d s p 芯片 d a 转换器 悠雠 滤波器i 图1 1d s p 音频采集装置的基本环节 系统分为音频信号的采集和d s p 处理子系统两大部分，包括音频信号输入 及滤波放大设备、音频编解码器( a d ) 、d s p 部分等。其中音频解码器专门用 于音频信号的采集，可编程的解码器芯片可以实现需要的大小和格式。这样可 以充分利用d s p 高速处理的优势，让d s p 集中精力进行音频数据的运算。d s p 是音频处理的核心，在采集得到音频数据后就可以开始对它们进行处理，进而 得到需要的格式。 上节介绍的三种系统各有特点，p c 机处理速度很快，而且有着功能强大的 操作系统的支持，各种应用软件也非常多，但缺点是价格高，体积庞大，功耗 太大：a s i c 解决了价格、体积、功耗的问题，但是缺少进行各种处理算法的灵 活性；而d s p 系统就较好的平衡了价格、体积、功耗和灵活性。首先数字信号 处理器最显著的特点就是高速处理能力，目前处理速度最高的d s p 芯片的处理 能力高达每秒1 g 次浮点运算，另外片内有硬件乘法器、移位器、多个总线、d m a 控制器等，现在的新型d s p s 甚至在片内集成1 2 c 控制器，方便对外围音视频信 号采集器件的控制。并设计了很多专门用于数字信号处理的指令，这些设计都 大大的提高了运算速度。因此，采用d s p 芯片实现的音频信号采集处理系统是 最有发展前途的方法之一。 当日仃，d s p 芯片以其强大的运算能力在通信、电子、图像处理等各个领域 武汉理| t 大学硕十学位论文 得到了广泛的应用。使用d s p 的系统可以按处理器使用的数目分为单处理器系 统和多处理器系统，图1 - 1 即是单处理器系统。 单d s p 系统尽管结构简单，但系统的功能将不可避免地有所限制。由于d s p 的控制功能不是非常强大，在应用中往往不得不把d s p 作为目标系统专门负责 复杂的运算，而另外使用一个主机( p c 机或是单片机) 对整个系统的运行实行 控制。所以，在使用d s p 的多处理器系统中，主机( 单片机、p c 机、另一个 d s p 芯片) 与目标系统d s p 的数据交换就成为应用系统设计中必须考虑的重要 问题。 w e b 技术和多媒体技术的发展成为新一代嵌入式实时监控系统的重要特性。 多媒体的j p e g ，m p e g 2 4 ，m p 3 等标准音视频数据格式及各种库函数都使用 3 2 位格式和3 2 位的编程软件，这对3 2 位的嵌入式微处理器的实时性提出更高 的要求。另一方面，基于a r m 核心处理器的嵌入式系统以其自身资源丰富、功 耗低、价格低廉、支持厂商众多的缘故，越来越多地应用在各种需要复杂控制 和通信功能的嵌入式系统中。内核源码开放的l i n u x 与a r m 体系处理器相结合， 可以发挥l i n u x 系统支持各种协议及存在多进程调度机制的优点，从而使开发周 期缩短，扩展性增强。 将a r m 和d s p 结合起来，构成a r m + d s p 双核嵌入式系统，以3 2 位a r m 为核心控制器，d s p 作为协处理器负责音频采集压缩，从而减轻a r m 核心c p u 的负担，使之更好地发挥网络传输和协调控制的功能，进一步提高系统的实时 性和稳定性。即：a r m 作为主控制器管理整个系统的工作进程，运行相关的应 用程序，可对多个任务进行调度，完成与外部d s p 系统或其他外设的通信。d s p 则主要完成音频数据的采集和信号处理，并将处理后的数据发送给a r m 供应用 程序调用。这样的设计可以大大提高系统的工作效率，满足网络监控系统的需 要，这也是当前嵌入式系统的典型设计方案。 1 3 主要研究内容及章节安排 本文将d s p 、a r m 技术引入到锅炉受热面裂缝监测系统设计中，将d s p 和a r m 技术结合，发挥d s p 的数字信号处理能力强的专长，作系统的协处理 器用来处理前端采集到的锅炉水噪声音频信号；利用a r m 出色的控制能力，良 好的人机交互性能和强大的网络功能，作为主控制器，用来协调d s p 的数据输 4 武汉理工大学硕士学位论文 入输出、存储、网络传输、人机交互等。在理论方案验证通过的基础上，完成 锅炉水噪声采集装置硬件设计、初始化及相关底层嵌入式软件设计，为最终开 发出一套实用的锅炉受热面裂缝监测系统构建一个良好的平台。基于a r m + d s p 架构的锅炉水噪声采集处理装置不仅能完成锅炉受热面裂纹的远程监测，而且 今后可以在其基础上加以图像处理技术，通过图像处理技术用来监测锅炉外壁 的裂缝，进而开发出集监测、评估、预测、控制于一体的智能专家系统。 具体内容包括： 通过理论分析，确定系统总体设计方案； 根据本系统的具体需求，选择适用的主、协处理器芯片； 构建系统硬件平台及其初始化； 系统底层软件设计； 相关信号处理算法研究： 对系统进行可靠性设计。 本文首先介绍了锅炉故障监测系统的现状和基于锅炉水噪声频谱来实现判 断锅炉受热面状况的理论分析，阐述了水噪声采集处理系统的总体设计思想。 进而对系统的硬件及其底层软件设计进行论述，并对系统采用的相关信号处理 算法进行研究。 本文共七章，具体组织架构如下： 第1 章，绪论，阐述了课题的背景意义，相关技术的现状和发展趋势，并 说明了本文的主要研究内容。 第2 章，对系统进行总体方案设计，提出了双处理器架构并论述了主、协 处理器h p i 通信方式的可行性，进行两处理器的任务划分；介绍相关处理器的 发展状态并对进行处理器选择等。 第3 章，进行系统硬件平台的具体设计，按模块完成各功能块以及功能块 之间的协同设计。完成各处理器最小系统设计，网络及人机交互设计；主要解 决双处理器共用单n a n df l a s h 存储器，传感器微信号放大、滤波问题，以及 双处理器接口协同通信的设计。 第4 章，进行系统的硬件初始化、底层软件设计，并对主、协处理器通信 等作了详细阐述。完成系统个模块的硬件初始化；解决了a r m 主处理器通过1 2 c 总线配置a i c 2 3 ，d s p 的h p i 自举以及a r m 的协调控制等技术难题。 第5 章，研究本系统音频信号处理所采用的算法，包括用来进行频谱分析 武汉理工大学硕士学位论文 的f i 丌，进行编码压缩的m p 3 算法等，分析其中的相关技术指标和关键数据， 为硬件设计提供了必要的理论依据。 第6 章，介绍系统可靠性设计的模型和必要性，并阐述了本系统设计中所 采取的具体措施，保障系统在实际的锅炉运行环境下可靠的运行。 第7 章，总结与展望。在总结全文的基础上，提出若干有待进一步深入研 究和探讨的问题，并对今后的研究工作提出一些建议。 6 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章系统总体设计方案 2 1 系统方案综述 锅炉水噪声采集处理装置要求能够实时的采集锅炉水噪声，根据用户需求 选择将炉内水噪声现场扬声器播放并显示音频频谱；或者通过网络远距离传输 至控制室上位机以实现远程监控；执行上述动作的同时，把锅炉水噪声音频数 据存储以备回放或查阅。如果判断出锅炉受热面出现裂纹则扬声器报警并根据 裂纹的等级做出相应的保护措施。 因此，系统需要水声传感器( 如硅微仿生矢量水声传感器，该传感器结构 包括高精度压阻式硅微换能单元结构和空芯光子晶体光纤柱体) 进行前端采集 水噪声信号并将其转换成电压信号，经过滤波、放大等电路，传输到a ，d 电路， a d 转换器将模拟音频信号转换为标准的p c m 格式的数字信号。根据需求，处 理器可以将p c m 数字信号直接进行f f t 变换，进行频谱分析并将频谱l c d 显 示，或者用相关编解码算法将p c m 格式的数据压缩，并通过以太网传输。 仅以完成功能而言，单个处理能力较强的处理器也可以实现设计。但基于 a r m 核心处理器的嵌入式系统以其自身资源丰富、功耗低、价格低廉、支持厂 商众多的缘故，越来越多地应用在各种需要复杂控制和通信功能的嵌入式系统 中。内核源码开放的l i n u x 与a r m 体系处理器相结合，可以发挥l i n u x 系统支 持各种协议及存在多进程调度机制的优点，从而使开发周期缩短，扩展性增强。 作为数字处理专用电路，d s p 的数字信号处理能力十分强大，但对诸如任务管 理、通信、人机交互等功能的实现较为困难。如果将这三者结合起来，即由d s p 结合采样电路采集并处理信号，由a r m 处理器作为平台，运行l i n u x 操作系统， 将经过d s p 运算的结果发送给用户程序进行进一步处理，然后提供给图形化友 好的人机交互环境完成数据分析和网络传输等功能，就会最大限度的发挥三者 所长。综合考虑了上述各方面因素后，最终选用了a r m + d s p 的双处理器的设 计方案。 d s p 与a r m 之间快速正确可靠的通信是此构架的关键问题，根据双机通信 机制的不同有如下两种方案。 7 武汉理- t 大学硕七学位论文 2 2 系统设计方案比较 2 1 1 并行i o 接口方式 由于采用的a r m 和d s p 均为3 2 b i t ，则两处理器可以通过数据总线进行数 据交互，数据总线方式具有传送信息量大，速度高等优点。如果a r m 和d s p 的时钟频率都是一致的，接口就相对容易一些。但是，如果a r m 和d s p 的时 钟不是个，处理起来就相对困难许多，比较简单的一种方法是采用握手信号， 这种方法实现起来比较麻烦，还需要考虑通讯双方时钟的快慢。本系统中a r m 的系统频率2 0 3 m h z ，d s p 的系统频率为1 0 0 m h z ，频率不匹配。解决上述协同 工作问题有两种方法。 第种方法是采用一片容量较大的双端口r a m 作为协同接口模块1 6 1 。双端 口r a m 具有两套独立的数据、地址、控制总线，可以分别与a r m 和d s p 处理 器连接。通过这一片公共存取空间，a r m 和d s p 就可以进行音频数据的传输了。 第二种方法是采用f p g a 作为协同接口模块【7 1 。采用x i l i n x 公司的免费i p 库里的异步f i f o 块，用它来实现两模块之间的接口，就无需考虑通讯双方的时 钟差异了。该f i f o 模块是一个独立模块，可以作为x i l i n x 公司f p g a 产品中的 内部元件使用。该模块有很多握手信号，状态信号也是可选的，在生成该模块 的过程中可以根据需要选择这些项。a r m 与d s p 通过上述协同接口模块进行音 频信息传输的协同接口架构框图如图2 - 1 所示。 d s p 音频 1卜1 j a r m 实时监控 处理模块 、j厂叫 及通讯模块 双口r a m d s p 系统 1卜、 或f p g a l aa r m 系统 时序逻辑 厂叫 s d r a ms d r a m 协同模块 a r m 系统 时钟电源 l a e e p r o m 或 系统 厂叫 f l a s h 图2 - 1 系统接口架构框图 但是上述方案存在一个共同问题：控制时序比较复杂，易出错误，占用了 武汉理工大学硕士学位论文 大量的硬件资源，软件开销也比较大，增加中间器件不仅增加了成本，同时也 降低了可靠性。 2 1 2h p i 接口方式 通过d s p 的h p i 总线接口实现d s p 与a r m 的直接连接【剐。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 提供有h p i 接口，可专用于d s p 和主机之间的数据通信，d s p 与a r m 主处理 器通过d s p 的片内r a m 交换数据，d s p 的整个片内r a m 都可以作为h p i 的 数据存储器。a r m 主处理器对d s p 进行控制，是通过控制h p i 的几个寄存器来 实现的。因此d s p 在通过h p i 接口和主机通信的过程中完全没有硬件和软件开 销，而是由d s p 自身的硬件来协调冲突，从而不会打断d s p 正常程序的运行。 在h p i 通信方式下，d s p 的片内存储器对外界是完全透明的，可由主机通过访 问h p i 的地址和数据寄存器来完成对d s p 片内存储器的读写。采用h p i 总线通 信，速度快，可靠性高。本系统采取d s p 的h p i 接口和a r m 的并行数据总线 接口相连来作为数据传输通道从而实现两者的数据和指令交互。系统总体设计 框图如图2 2 所示。 音频传感 器信号f 信号预处 叫理电路 1 2 c 一囊卜 a r m 主处 理器 坠奎型旦j 亟圃 l c d 及键盘 声光报警及 保护系统 时钟及复位il 看门狗| i 存储器ll 电源ll 时钟| | 存储器il 电源 ir s 2 3 2 2 3 系统功能划分 图2 2 系统总体设计框图 本系统分为d s p 音频采集处理部分和a r m 实时控制应用部分两部分，这 两部分各自承担着不同的任务。d s p 与a r m 相比，d s p 在以下的几项上肯定占 有一定的优势： 9 武汉理工大学硕士学位论文 d s p 适合于数据处理，数据处理的指令效率较高； d s p 可以同时处理的事件较多，系统级成本有可能较低： d s p 的灵活性较好，大多数算法都可以软件实现。 当然a r m 也有其优势可言，下面列举的几点可能是d s p 所不具备的： 支持r i s c 双指令集，支持操作系统能力强； 大量使用寄存器，指令执行速度快； 通用i o 口、标准口较多，适合控制。 通过比较能够看出，该系统的两部分结构能够很好的发挥a r m 与d s p 的 特长，利用它们各自的优势增强系统的性能。 2 2 1 主处理器部分功能 基于a r m 的实时控制应用部分的主要功能是：对d s p 音频采集处理部分 进行实时控制，包括初始化、数据读取、时序控制等；提供支持基于l i n u x 操作 系统的流媒体服务器的硬件平台；构造网络接口，用于数据远距离传输；提供 友好的人机交互界面，用于工作方式选择以及频谱的显示；控制声光报警系统 和锅炉自保动作控制系统等。 a r m 实时控制应用部分实际上是建立在操作系统上的一个人机交互界面和 外围控制器，它本身不参与音频采集和处理相关的算法实现，而只是协调d s p 将音频数据处理的结果保存、传输或者现场显示出来，以及完成人机交互，并 在恰当的时机触发外部控制器实现一定的对外控制功能。它可以通过网络接口 将重要数据传输出去。除此之外，还必须有一些接口用于程序调试和加载使用。 2 2 2 协处理器部分功能 水噪声经过水声传感器变换成微弱的电流信号，进过前置滤波放大电路进 行预处理后进入d 转换器，a ，d 转换器负责按设定的采样率、精度和增益将 模拟信号转化为p c m 数据格式的数字音频信号。数字音频信号由d s p 通过压缩 算法将音频数据压缩存储到片内r a m 中，存储区每满1 k ( 大小可通过软件更 改) 数据，d s p 向a r m 发一次中断，由a r m 通过h p i 接口读取数据。d s p 芯 片在完成数据处理功能的同时，还担负对电源和程序监控模块的协调等任务。 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 2 4 主处理器选型 2 4 1a r m 主处理器 在众多的嵌入式处理器中，a r m 微处理器【9 1 作为一种1 6 3 2 位的高性能、低 成本、低功耗的嵌入式r i s c 微处理器，逐渐受到人们的青睐。目前包括以下几 个系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 、x s c a l e 、s t r o n g a r m 。 其中a r m 7 、a r m 9 、a r m l 0 是几个通用处理器系列。到目前为止，a r m 微处 理器及技术的应用已经深入到各个领域： 工业控制领域。作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不 但占据了高端控制器的大部分市场份额，同时也逐渐向低端控制器应用领域扩 展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的微控制器提出了挑战。 无线通信领域。目前已有超过8 5 的无线通信设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性价比，在该领域的地位日益巩固。 网络应用。随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得 竞争优势。此外，a r m 在音频及视频处理上进行了优化，并获得广泛的支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战。 消费类电子产品。a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和 游戏机中得到了广泛应用。 成像和安全产品。现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用了a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 此外，a r m 微处理器及技术还应用到许多其它的领域，并会在将来取得更 广泛的应用。 a r m 用在工业控制器上，具有功耗低、性价比高、体积小、成本低、可靠 性高、人机界面友好、功能丰富、实时性强等特点，a r m 处理器目前已经成为 应用最为广泛的嵌入式处理器，约占据了3 2 位r i s c 微处理器的7 5 以上的市 场份额【1 0 1 。采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 体积小、功耗低、成本低、性能高； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 1 6 位器件，大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 武汉理工大学硕士学位论文 寻址方式灵活简单、执行效率高； 指令长度固定。 a r m 9 微处理器采用a r m 9 t d m i 内核，在高性能和低功耗特性方面提供最 佳的性能。本文采用应用较为广泛的s a m s u n g 公司基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 微处理器：$ 3 c 2 4 1 0 。该处理器具有低成本、低功耗、高性能、高集成 度、高扩展性等特点。 2 4 2 主控制器$ 3 c 2 4 1 0 $ 3 c 2 4 1 0 t 1 1 1 采用了一种新的称为高级微控制器的总线结构( a m b a ) 。具有 五级流水线，指令执行效率更高；提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构；主频可达 2 0 3 m h z ；支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集；全性能的m m u ，支 持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统；支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。$ 3 c 2 4 1 0 包含了如下部件：独 立的1 6 k b 指令和1 6 k b 数据的哈佛结构缓存，用于虚拟内存管理的m m u 单元， l c d 控制器( s t n t f t ) ，非线性( n a n d ) f l a s h 引导单元，系统管理器( 包 括片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 通道的异步串行口( u a r t ) ，4 个通道的d m a ， 4 个通道的带脉宽调制( p w m ) 的定时器，输入输出端口，实时时钟单元( r t c ) ， 带有触摸屏接口的8 通道1 0 位a d 转换器，1 2 c 总线接口，1 2 5 总线接口，u s b 的主机( h o s t ) 单元，u s b 的设备( d e v i c e ) 接口，s d 卡和m m c ( m u l t i m e d i a c a r d ) 卡接口，2 通道s p i 接口和锁相环( p l l ) 时钟发生器，1 1 7 个g p i o ，2 4 个外部中断。 $ 3 c 2 4 1 0 的显著特性是它的c p u 核，该c p u 是由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 处理器。a r m 9 2 0 t 实现了m m u 、a m b a 总线和h a r v a r d 高 速缓冲体系结构，这一结构具有独立的1 6 k 指令c a c h e 和1 6 k 数据c a c h e 。 $ 3 c 2 4 1 0 通过提供全面的、通用的片上外设，使系统的全部成本降到最低，并且 不需要配置额外的部件。$ 3 c 2 4 1 0 共有七种工作模式：u s e r 、f i q 、i r q 、s u p e r v i s o r 、 a b o r t 、s y s t e m 和u n d e f i n e d ，可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常 处理改变。大部分应用程序工作在用户模式，当出现服务中断或异常等情况时 就会进非用户模式。$ 3 c 2 4 1 0 微处理器的内核供电是1 8 v ，外围电路供电是 3 3 v 。有4 种电源工作模式：诈常模式、慢速模式、休h 民模式、掉电模式。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 由上述可以看出这款芯片功能很强大，集成了各种常用的重要接口，如 u a r t 、s p i 、1 2 c 、s d 卡、u s b 接口、a d c 通道、l c d 和触摸屏接e l 等。应 用范围很广，适用于工业控制、信息家电、蜂窝电话、手持设备、移动终端等 领域【1 2 l 。本系统控制部分所采用的主控芯片需要有强大的控制功能并且拥有丰富 灵活的对外接口。所以主控制器采用$ 3 c 2 4 1 0 ，该芯片丰富的片上资源能够很好 的完成本系统的需求。 2 5 协处理器选型 2 5 1d s p 协处理器 数字信号处理是一门广泛应用于许多领域的新兴学科【1 3 】。随着计算机和信息 技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。d s p ，也称数 字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 的内部采用程序总线和 数据总线分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作提供 特殊的数字信号处理指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。d s p 的基本结构包括： 哈佛结构。哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储 空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每 个存储器独立编址，独立访问。 流水线操作。d s p 广泛采用流水线，以减少指令执行的时间，从而 增强了处理器的处理能力。 多总线结构。这样保证在一个机器周期内，可以同时访问数据和程 序存储空间。因此可以解决传统芯片的总线冲突问题，使系统的速 度和效率大大提高。 专用的硬件乘法器。乘法速度越快，d s p 的性能越高。由于具有专 用的应用乘