基于TMS320F2812的振動主動控制系統(tǒng)設(shè)計
摘要： 本文針對某類結(jié)構(gòu)的低頻振動控制,，設(shè)計了以TMS320F2812(以下簡稱F2812)為核心，包含傳感器,、調(diào)理電路,、D／A轉(zhuǎn)換電路、功率放大器和作動器的多通道嵌入式振動主動控制系統(tǒng),，結(jié)構(gòu)如圖1所示,。首先傳感器拾取振動信號，經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換調(diào)理為0～3V的電壓信號,，再經(jīng)濾波和限幅保護送至DSP內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換模塊進行模一數(shù)轉(zhuǎn)換,。DSP根據(jù)采集的各路振動信號，運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象上的力或力矩,，抑制或消除對象振動。為了減小D／A轉(zhuǎn)換階梯信號產(chǎn)生的高頻噪聲,，又加入了平滑濾波處理,。DSP通過JTAG口、仿真器與主機相連,，進行控制算法的編譯和載入,，通過內(nèi)置SCI模塊與主機串行通信，向主機傳送振動信號和控制量,，以便對控制過程分析評價,，對算法改進完善。
Abstract：
Key words :
在現(xiàn)代艦船和空間飛行器上,，低頻title="振動">振動是困擾人們的一大難題,，如何快速消除振動，降低危害,，成為人們比較關(guān)注的問題,。振動抑制的方法主要有振動被動控制和振動主動控制，振動被動控制雖然不需要外界提供能量,，容易實現(xiàn),，但對低頻振動控制能力有限，對突發(fā)環(huán)境應(yīng)變能力差,；而振動主動控制則有較大的靈活性,，對低頻振動抑制的效果尤其好,，成為人們重點研究的方法。
本文針對某類結(jié)構(gòu)的低頻振動控制,，設(shè)計了以TMS320F2812(以下簡稱F2812)為核心,，包含傳感器、調(diào)理電路,、D／A轉(zhuǎn)換電路,、功率放大器和作動器的多通道嵌入式振動主動控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示,。首先傳感器拾取振動信號,，經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換調(diào)理為0～3V的電壓信號，再經(jīng)濾波和限幅保護送至DSP內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換模塊進行模一數(shù)轉(zhuǎn)換,。DSP根據(jù)采集的各路振動信號,，運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象上的力或力矩,，抑制或消除對象振動,。為了減小D／A轉(zhuǎn)換階梯信號產(chǎn)生的高頻噪聲,，又加入了平滑濾波處理,。DSP通過JTAG口、仿真器與主機相連,，進行控制算法的編譯和載入,，通過內(nèi)置SCI模塊與主機串行通信，向主機傳送振動信號和控制量,，以便對控制過程分析評價,，對算法改進完善。
1 硬件設(shè)計
F2812是一款適用于自動控制的高性能芯片,，具有32位定點處理器,，150MHz時鐘頻率，18K×16位的SARAM和128K×16位的Flash存儲器,，硬件實現(xiàn)乘法運算,，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,；作動器可以是壓電器件，也可以是電磁作動器件,，根據(jù)對象的需求,，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)計實現(xiàn)了F2812的D／A轉(zhuǎn)換電路,，可以同時輸出8路模擬信號,。
1．1 電荷放大器
常用的電荷放大器是一個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)隨著測量時間的延長,，輸出仍然會漂移至飽和，為此我們又利用一個一階同相積分環(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,、低溫漂的運算放大器,，才能保證電荷放大器的性能。
1．2 濾波保護電路
在振動主動控制實際應(yīng)用中所關(guān)心的信號頻率一般在0．5～200Hz之間,，為了濾除低頻漂移和不必要的高頻信號,，本文設(shè)計了一個五階貝塞爾(Bessel)低通和一個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二階低通和一個一階低通組成,，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、二級二階低通由單位增益KRC電路實現(xiàn),。
信號在進入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，為此我們又加了一個限幅保護電路,，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)計實現(xiàn)了F2812的D／A轉(zhuǎn)換電路。MAX547內(nèi)部包含8個13位的電壓輸出型D／A轉(zhuǎn)換器,，每個DAC之前均有一個輸入鎖存器和DAC鎖存器,，可以分別單獨選通，進行8路D／A轉(zhuǎn)換,。每兩路DAC共用一個參考電壓,，共需要4個獨立外部參考電壓。MAX547接口信號有3位地址線,，分別對8個通道編址選擇,，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，控制信號均是電平觸發(fā),。這些接口信號均與TTL／CMOS電平匹配,，故F2812可直接與MAX547相連而不需進行電平轉(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／WR和片選信號／CS均為低電平時,，并且A0,、A1、A2地址信號有效,，則對應(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其中一個變?yōu)楦唠娖綍r,，數(shù)據(jù)便被鎖入相應(yīng)輸入鎖存器,。／LD負責(zé)開關(guān)DAC鎖存器，當(dāng)／LD為低時,，DAC鎖存器開通,，數(shù)據(jù)由輸入鎖存器進入DAC鎖存器，當(dāng)／LD變?yōu)楦唠娖綍r,，數(shù)據(jù)便保持在DAC鎖存器中,，由DAC進行數(shù)一模轉(zhuǎn)換,。當(dāng)／LD、／WR和／CS均為低時,，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)，可以映像五個獨立的外部存儲空間,，每個存儲空間都有一個片選信號,。把MAX54．7的8個通道地址分配在外部存儲區(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MAX547內(nèi)部DACA,、DACB、DACC,、DACD,、DACE、DACF,、DACG,、DACH進行數(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,。對于MAX547需要的四個獨立參考電壓,，系統(tǒng)中采用一個精密基準(zhǔn)電壓芯片REF02提供標(biāo)準(zhǔn)電壓，經(jīng)過四個電壓跟隨器進行緩沖,。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)計時，為減小電路引線的干擾,，最好把MAX494運放的輸入端直接與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)計了低通濾波器,。
1．4 RS232接口
F2812內(nèi)部有兩個異步串行接口(SCI),，每個都有收發(fā)緩沖寄存器、收發(fā)移位寄存器和用于接受發(fā)送的16級深度FIFO,。接收和發(fā)送的波特率可以編程設(shè)定,，最高可達64K。系統(tǒng)中F2812需要通過SCI與主機通信,，而F2812外圍接口是3．3VCMOS色平,，計算機串口是RS-232電平，故兩者之間需進行電平轉(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
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器接口的訪問時序,，然后設(shè)置計時器的計時周期,、計數(shù)模式和計時中斷等，進入等待計時中斷狀態(tài),。中斷服務(wù)子程序主要完成以下功能：首先關(guān)中斷,，初始化計算變量；接著對ADC相應(yīng)通道的輸入信號進行A／D轉(zhuǎn)換,，取出采樣值預(yù)處理,，運行控制算法計算出控制量，通過寫D／A的通道地址輸出控制量進行D／A轉(zhuǎn)換,，最終輸出控制模擬信號驅(qū)動作動器減振；通過SCI與主機通信,，上傳振動信號和控制量,；最后則對ADC、SCI和計時器中斷進行相關(guān)設(shè)置,，開全局中斷,，為下次運行中斷服務(wù)子程序做準(zhǔn)備。中斷服務(wù)子程序運行完畢則返回主程序,，進入等待中斷狀態(tài),，等待下一次的計時中斷,，如此循環(huán)往復(fù)。
3 總結(jié)
本文設(shè)計的以TMS320F2812為控制核心的嵌入式振動主動控制系統(tǒng),，利用F2812內(nèi)置的A／D模塊可以同時采集多路振動信號,，利用MAX547實現(xiàn)的D／A轉(zhuǎn)換電路可以輸出8路控制信號，能夠?qū)崿F(xiàn)多輸入多輸出的振動主動控制,，貼近工程實用,。利用本系統(tǒng)已經(jīng)對一個艦船浮筏成功地進行了多輸入多輸出振動主動控制。
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