采用TMS32OF2812芯片實(shí)現(xiàn)多通道嵌入式振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

在現(xiàn)代艦船和空間飛行器上，低頻振動(dòng)是困擾人們的一大難題，如何快速消除振動(dòng)，降低危害，成為人們比較關(guān)注的問題。振動(dòng)抑制的方法主要有振動(dòng)被動(dòng)控制和振動(dòng)主動(dòng)控制，振動(dòng)被動(dòng)控制雖然不需要外界提供能量，容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)低頻振動(dòng)控制能力有限，對(duì)突發(fā)環(huán)境應(yīng)變能力差；而振動(dòng)主動(dòng)控制則有較大的靈活性，對(duì)低頻振動(dòng)抑制的效果尤其好，成為人們重點(diǎn)研究的方法。

本文針對(duì)某類結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了以TMS320f2812(以下簡(jiǎn)稱F2812)為核心，包含傳感器、調(diào)理電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、功率放大器和作動(dòng)器的多通道嵌入式振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先傳感器拾取振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換調(diào)理為0～3V的電壓信號(hào)，再經(jīng)濾波和限幅保護(hù)送至DSP內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模一數(shù)轉(zhuǎn)換。DSP根據(jù)采集的各路振動(dòng)信號(hào)，運(yùn)行控制算法輸出控制量，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換電路和功率放大器轉(zhuǎn)換成直接作用在被控對(duì)象上的力或力矩，抑制或消除對(duì)象振動(dòng)。為了減小D／A轉(zhuǎn)換階梯信號(hào)產(chǎn)生的高頻噪聲，又加入了平滑濾波處理。DSP通過JTAG口、仿真器與主機(jī)相連，進(jìn)行控制算法的編譯和載入，通過內(nèi)置SCI模塊與主機(jī)串行通信，向主機(jī)傳送振動(dòng)信號(hào)和控制量，以便對(duì)控制過程分析*價(jià)，對(duì)算法改進(jìn)完善。

1 硬件設(shè)計(jì)

F2812是一款適用于自動(dòng)控制的高性能芯片，具有32位定點(diǎn)處理器，150MHz時(shí)鐘頻率，18K×16位的SARAM和128K×16位的Flash存儲(chǔ)器，硬件實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，處理速度較快；另外具有一些適用于控制系統(tǒng)的內(nèi)設(shè)和接口，如16通道的12位A／D轉(zhuǎn)換器，外部存儲(chǔ)器并行接口，SCI串行通信接口和JTAG仿真器接口等，因此在本系統(tǒng)中也選用對(duì)電纜分布電容要求不高的電荷放大器作為前置放大器；作動(dòng)器可以是壓電器件，也可以是電磁作動(dòng)器件，根據(jù)對(duì)象的需求，需要配置相應(yīng)的功放。F2812本身不具有D／A轉(zhuǎn)換模塊，本文利用MAX547設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了F2812的D／A轉(zhuǎn)換電路，可以同時(shí)輸出8路模擬信號(hào)。

1．1 電荷放大器

常用的電荷放大器是一個(gè)具有直流反饋的反相積分電路，若要改善電路的低頻特性，需要增大直流反饋電阻的阻值，為此我們采用了T型網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)較大阻值。如圖2所示，Ral7、Ral8和Ral9組成T型網(wǎng)絡(luò)，等效電阻為：

通過調(diào)整Ral7、Ral8和Ral9的大小，可以獲得較大的阻值。但在調(diào)試的過程中，我們發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)量時(shí)間的延長(zhǎng)，輸出仍然會(huì)漂移至飽和，為此我們又利用一個(gè)一階同相積分環(huán)節(jié)取出輸出的直流分量，反饋至Ral9的一端，形成自跟隨網(wǎng)絡(luò)，如圖2左半部分所示。使用中積分電容要選擇漏電流比較小、溫漂小、性能比較穩(wěn)定的電容，放大器要選取高增益、高輸入阻抗、低偏置電流、低溫漂的運(yùn)算放大器，才能保證電荷放大器的性能。

1．2 濾波保護(hù)電路

在振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)際應(yīng)用中所關(guān)心的信號(hào)頻率一般在0．5～200Hz之間，為了濾除低頻漂移和不必要的高頻信號(hào)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)五階貝塞爾(Bessel)低通和一個(gè)一階高通組成的帶通濾波器，五階貝塞爾低通又分別由兩個(gè)二階低通和一個(gè)一階低通組成，它們的參數(shù)分別為：通帶增益1，截止頻率475Hz，Q值0．577；通帶增益1，截止頻率565Hz，Q值O．737；通帶增益1，截止頻率530Hz，一、二級(jí)二階低通由單位增益KRC電路實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)在進(jìn)入DSP的ADC之前應(yīng)采用加法比例電路調(diào)整到0～3V之間，低于0V或超出3V均有損壞DSP的危險(xiǎn)，為此我們又加了一個(gè)限幅保護(hù)電路，如圖3所示。

1．3 D／A轉(zhuǎn)換電路

本文采用MAX547為核心器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了F2812的D／A轉(zhuǎn)換電路。MAX547內(nèi)部包含8個(gè)13位的電壓輸出型D／A轉(zhuǎn)換器，每個(gè)DAC之前均有一個(gè)輸入鎖存器和DAC鎖存器，可以分別單獨(dú)選通，進(jìn)行8路D／A轉(zhuǎn)換。每?jī)陕稤AC共用一個(gè)參考電壓，共需要4個(gè)獨(dú)立外部參考電壓。MAX547接口信號(hào)有3位地址線，分別對(duì)8個(gè)通道編址選擇，有13位數(shù)據(jù)線，有片選／CS、寫入／WR、異步輸入／LD和清零／CLR等控制信號(hào)，控制信號(hào)均是電平觸發(fā)。這些接口信號(hào)均與TTL／CMOS電平匹配，故F2812可直接與MAX547相連而不需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX547是±5V雙電源供電，輸出電壓擺幅-4．5 V～4．5V。

當(dāng)MAX547的寫信號(hào)／WR和片選信號(hào)／CS均為低電平時(shí)，并且A0、A1、A2地址信號(hào)有效，則對(duì)應(yīng)通道的輸入鎖存器開通，從數(shù)據(jù)線上讀取轉(zhuǎn)換數(shù)值，當(dāng)／WR和／CS其中一個(gè)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)便被鎖入相應(yīng)輸入鎖存器。／LD負(fù)責(zé)開關(guān)DAC鎖存器，當(dāng)／LD為低時(shí)，DAC鎖存器開通，數(shù)據(jù)由輸入鎖存器進(jìn)入DAC鎖存器，當(dāng)／LD變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)便保持在DAC鎖存器中，由DAC進(jìn)行數(shù)一模轉(zhuǎn)換。當(dāng)／LD、／WR和／CS均為低時(shí)，數(shù)據(jù)可以直接傳至DAC鎖存器，但／LD應(yīng)比／WR推遲50ns反轉(zhuǎn)高電平。／CLR則可以把DAC轉(zhuǎn)換內(nèi)容設(shè)置成1000H，使模擬輸出AGND電壓。

F2812具有外部接口(XINTF)，可以映像五個(gè)獨(dú)立的外部存儲(chǔ)空間，每個(gè)存儲(chǔ)空間都有一個(gè)片選信號(hào)。把MAX54．7的8個(gè)通道地址分配在外部存儲(chǔ)區(qū)域0，通過外部接口總線與F2812的連接如圖4所示。要想啟動(dòng)MAX547內(nèi)部DACA、DACB、DACC、DACD、DACE、DACF、DACG、DACH進(jìn)行數(shù)-模轉(zhuǎn)換，則分別向地址D9H、B2H、B3H、F4H、F5H、7EH、7FH寫入需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)即可。對(duì)于MAX547需要的四個(gè)獨(dú)立參考電壓，系統(tǒng)中采用一個(gè)精密基準(zhǔn)電壓芯片REF02提供標(biāo)準(zhǔn)電壓，經(jīng)過四個(gè)電壓跟隨器進(jìn)行緩沖。REF02輸出5V標(biāo)準(zhǔn)電壓，經(jīng)過轉(zhuǎn)換以后，可以輸出大小可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。跟隨器選用MAX494，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，為減小電路引線的干擾，最好把MAX494運(yùn)放的輸入端直接與MAX547參考電壓輸入端相連，如圖4所示。另外為了減小D／A轉(zhuǎn)換階梯波造成的高頻噪聲，還設(shè)計(jì)了低通濾波器。

1．4 RS232接口

F2812內(nèi)部有兩個(gè)異步串行接口(SCI)，每個(gè)都有收發(fā)緩沖寄存器、收發(fā)移位寄存器和用于接受發(fā)送的16級(jí)深度FIFO。接收和發(fā)送的波特率可以編程設(shè)定，最高可達(dá)64K。系統(tǒng)中F2812需要通過SCI與主機(jī)通信，而F2812外圍接口是3．3VCMOS色平，計(jì)算機(jī)串口是RS-232電平，故兩者之間需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX3232是一款常用的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，接口電路如圖5所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

DSP控制算法由主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分組成，程序流程圖如圖所示。在主程序中，主要是初始化系統(tǒng)控制寄存器、看門狗、系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO口、中斷向量表和一些外設(shè)等，設(shè)置ADC的采樣序列、SCI的通信波特率和外部存儲(chǔ)器接口的訪問時(shí)序，然后設(shè)置計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)周期、計(jì)數(shù)模式和計(jì)時(shí)中斷等，進(jìn)入等待計(jì)時(shí)中斷狀態(tài)。中斷服務(wù)子程序主要完成以下功能：首先關(guān)中斷，初始化計(jì)算變量；接著對(duì)ADC相應(yīng)通道的輸入信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，取出采樣值預(yù)處理，運(yùn)行控制算法計(jì)算出控制量，通過寫D／A的通道地址輸出控制量進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，最終輸出控制模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器減振；通過SCI與主機(jī)通信，上傳振動(dòng)信號(hào)和控制量；最后則對(duì)ADC、SCI和計(jì)時(shí)器中斷進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，開全局中斷，為下次運(yùn)行中斷服務(wù)子程序做準(zhǔn)備。中斷服務(wù)子程序運(yùn)行完畢則返回主程序，進(jìn)入等待中斷狀態(tài)，等待下一次的計(jì)時(shí)中斷，如此循環(huán)往復(fù)。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的以TMS320F2812為控制核心的嵌入式振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)，利用F2812內(nèi)置的A／D模塊可以同時(shí)采集多路振動(dòng)信號(hào)，利用MAX547實(shí)現(xiàn)的D／A轉(zhuǎn)換電路可以輸出8路控制信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)多輸入多輸出的振動(dòng)主動(dòng)控制，貼近工程實(shí)用。利用本系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)一個(gè)艦船浮筏成功地進(jìn)行了多輸入多輸出振動(dòng)主動(dòng)控制。