基于TMS30VC5402微處理器實(shí)現(xiàn)加速度式波浪傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、引言

海浪觀測是海洋調(diào)查的一項(xiàng)重要內(nèi)容，采用裝有加速度式波浪傳感器的波浪浮標(biāo)是一種有效的海浪測量方式。當(dāng)裝有波浪傳感器的浮標(biāo)隨波面起伏運(yùn)動(dòng)時(shí)，浮標(biāo)內(nèi)傳感器輸出反映波面升沉加速度變化的信號，對其進(jìn)行二次積分處理，即可得到與波面起伏高度變化成比例的信號，再對此信號進(jìn)行處理，得到波高及波周期數(shù)據(jù)。加速度信號積分采用模擬積分電路，也可采用數(shù)值積分方式。通常波浪周期為2～30 s，模擬積分電路采用積分電容值則較大，這使得傳感器體積比較大，而且模擬線路易受外界溫度、濕度等因素影響，不便于調(diào)試，而采用數(shù)值積分方式則能有效克服這些問題。

數(shù)值積分要進(jìn)行大量乘加運(yùn)算，DSP是一種適用于數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，可用于實(shí)現(xiàn)各種實(shí)時(shí)快速的數(shù)字信號處理算法。TMS320C54x系列 DSP是TI公司為實(shí)現(xiàn)低功耗、高速實(shí)時(shí)信號處理而設(shè)計(jì)的16位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，具有高度的操作靈活性和運(yùn)行速度，適用于嵌入式應(yīng)用需要。因此，該設(shè)計(jì)選用TMS30VC5402型DSP作為數(shù)據(jù)處理器。

2、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

圖1為加速度式波浪傳感器的系統(tǒng)組成框圖，該框圖包括加速度傳感器、抗混疊濾波器、A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、通訊接口、電源系統(tǒng)等部分。

加速度傳感器是波浪傳感器的核心部件，這里選用Freescale半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MMA1260EG型加速度傳感器。該器件是一款低成本、小尺寸、硅電容式微機(jī)械加速度傳感器，采用信號調(diào)理、溫度補(bǔ)償和自檢等技術(shù)。該器件已進(jìn)行零g補(bǔ)償和雙極低通濾波等處理，從而簡化了外嗣電路設(shè)計(jì)。MMA1260EG 的工作電壓為5 V，測量范圍為Z軸±1．5 g，靈敏度為1 200 mV／g。圖2為MMA1260EG的應(yīng)用電路。

常規(guī)波浪周期在2～30 s范圍內(nèi)，在A/D轉(zhuǎn)換器采集間連接一低通濾波器作為抗混疊濾波器，以去除高頻信號干擾。A／D轉(zhuǎn)換器選用TI公司的TLV2544。TLV2544是一款高性能、低功耗、高速、12位4通道串行CMOS A／D轉(zhuǎn)換器，采用單電源工作，電壓范圍為2．7～5．5 V。該器件可為用戶提供3個(gè)輸入端和1個(gè)三態(tài)輸出端的串行端口，為微處理器SPI串行端口提供方便的4線接口。

數(shù)字信號處理器TMS320VC5402提供高速、雙向、多通道帶緩沖串行端口McBSP，可與串行A／D轉(zhuǎn)換器直接連接。每個(gè)BSP口工作在SPI方式和I／O方式。在SPI方式下，BSP口便于與遵循SPITM協(xié)議的串行設(shè)備相連。TMS320VC5402與TLV2544接口時(shí)，該器件作為SPI主設(shè)備向TLV2544提供串行時(shí)鐘、命令和片選信號，實(shí)現(xiàn)無縫連接，無需附加邏輯電路，其連接電路如罔3所示。

TMS320VC5402是TI公司生產(chǎn)的性價(jià)比極高的16 bit定點(diǎn)數(shù)字信號處理器（DSP），操作速率可達(dá)100 MI／s，內(nèi)部資源配置大大方便用戶構(gòu)造系統(tǒng)。TMS320VC5402配置有4 K×l6bit片內(nèi)屏蔽式ROM（F000h～FFFFh）和16 K×l6 bit雙存取的RAM（DARAM），其中4 K ROM中包含Bootloader程序。用戶自行設(shè)計(jì)時(shí)，如程序容量不超過16 K，可利用器件內(nèi)部資源。采用引導(dǎo)裝載方式，以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度和成本，加快設(shè)計(jì)進(jìn)程。DSP的硬件基本電路包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等。其中電源電路用雙電源供電，內(nèi)核電源CVDD采用1．8 V，I／O電源DVDD采用3．3 V。該電源電路由TPS73HD318實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖5為MAX706R實(shí)現(xiàn)的復(fù)位電路。而時(shí)鐘電路使用TMS320VC5402內(nèi)部振蕩器，在其X1和X2／CLKIN引腳之間接一個(gè)晶體，用于啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器。

通訊接口是通過SPI總線擴(kuò)展，選用Maxim公司的MAX3100。MAX3100內(nèi)置1個(gè)簡單的UART，帶SPI接口的波特率發(fā)生器和1個(gè)中斷發(fā)生器，通過“寫結(jié)構(gòu)寄存器”設(shè)定波特率、字長、校驗(yàn)、8字節(jié)接收FIFO，選擇通用UART或Ir-DA，控制關(guān)閉狀態(tài)和4個(gè)中斷任務(wù)。圖6為UART電路，圖中MAX3221為電平轉(zhuǎn)換器。

3、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用MATLAB-DSP系統(tǒng)級集成環(huán)境，即在MATLAB統(tǒng)一環(huán)境下完成概念設(shè)計(jì)、模擬／仿真、目標(biāo)代碼產(chǎn)生、運(yùn)行和調(diào)試。利用MATLAB-DSP系統(tǒng)級開發(fā)環(huán)境極大節(jié)省了消耗在編程和修正錯(cuò)誤方面的時(shí)間，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程。 MATLAB-DSP集成開發(fā)環(huán)境徹底改變以往的DSP設(shè)計(jì)方法。在此環(huán)境下可完成對目標(biāo)DSP的操作，包括訪問DSP的存儲(chǔ)器和寄存器等，利用 MATLAB的強(qiáng)大工具分析和可視化處理DSP存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，可直接把MATLAB程序生成DSP可執(zhí)行的目標(biāo)代碼。

通過A／D采集得到的加速度數(shù)據(jù)首先經(jīng)快速傅里葉變換變換為頻域數(shù)據(jù)，在頻域中二次積分后進(jìn)行2～30 s的濾波，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉反變換重新得到時(shí)域數(shù)據(jù)，經(jīng)標(biāo)度變換后，通過串口輸出數(shù)據(jù)，其處理流程如圖7所示。

頻域積分是一個(gè)非常有用的處理方法。頻域二次積分的數(shù)值計(jì)算公式為：

式中，分別為下限和上限截止頻率；X（k）為x（r）的傅里葉變換；△f為頻率分辨率。

4、 測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室使用波浪模擬標(biāo)定裝置標(biāo)定以TMS320VC5402為處理器的加速度式波浪傳感器，標(biāo)定后的傳感器波高測量范圍0～20 m、測量誤差±（0．3+5％×測量值）m及波浪周期測量范圍2～20 s、測量誤差±0．5 s，符合波浪浮標(biāo)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。以TMS320VC5402為處理器的加速度式波浪傳感器與使用模擬積分器的波浪傳感器進(jìn)行對比測試，圖8為裝有模擬積分波浪傳感器與數(shù)值積分波浪傳感器的波浪浮標(biāo)在海上試驗(yàn)時(shí)得到的一組數(shù)據(jù)，從波形上看，采用數(shù)值積分的加速度傳感器（實(shí)線）得到與原先使用模擬積分器的傳感器（虛線）較一致的數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試表明：采用TMS320VC5402實(shí)現(xiàn)的基于頻域積分算法的加速度式波浪傳感器的設(shè)計(jì)可行。

5、 結(jié)論

這種基于頻域數(shù)值積分的加速度式波浪傳感器調(diào)試簡單，穩(wěn)定性高，體積小，已將該加速度式波浪傳感器應(yīng)用于波浪浮標(biāo)中，替代先前的模擬積分式波浪傳感器，測量海浪的波高及波周期。

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