基于TMS320F2812的振動主動控制系統(tǒng)設計
摘要： 本文針對某類結構的低頻振動控制，設計了以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)，結構如圖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轉換模塊進行模一數(shù)轉換,。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轉換電路和功率放大器轉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,。
本文針對某類結構的低頻振動控制，設計了以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),，結構如圖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轉換模塊進行模一數(shù)轉換。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轉換電路和功率放大器轉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)設和接口,，如16通道的12位A／D轉換器，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，需要配置相應的功放,。F2812本身不具有D／A轉換模塊,，本文利用MAX547設計實現(xiàn)了F2812的D／A轉換電路，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)絡來實現(xiàn)較大阻值,。如圖2所示，Ral7,、Ral8和Ral9組成T型網(wǎng)絡,，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,，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用中所關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轉換電路
本文采用MAX547為核心器件設計實現(xiàn)了F2812的D／A轉換電路,。MAX547內(nèi)部包含8個13位的電壓輸出型D／A轉換器，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換,。MAX547是±5V雙電源供電，輸出電壓擺幅-4．5 V～4．5V,。
當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,，則對應通道的輸入鎖存器開通,，從數(shù)據(jù)線上讀取轉換數(shù)值，當／WR和／CS其中一個變?yōu)楦唠娖綍r,，數(shù)據(jù)便被鎖入相應輸入鎖存器,。／LD負責開關DAC鎖存器，當／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／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)一模轉換,。當／LD,、／WR和／CS均為低時，數(shù)據(jù)可以直接傳至DAC鎖存器,，但／LD應比／WR推遲50ns反轉高電平,。／CLR則可以把DAC轉換內(nèi)容設置成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)-模轉換,，則分別向地址D9H、B2H,、B3H,、F4H、F5H,、7EH,、7FH寫入需要轉換的數(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電壓芯片REF02提供標準電壓,，經(jīng)過四個電壓跟隨器進行緩沖,。REF02輸出5V標準電壓，經(jīng)過轉換以后,，可以輸出大小可調(diào)的標準電壓,。跟隨器選用MAX494，在PCB設計時,，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轉換階梯波造成的高頻噪聲,，還設計了低通濾波器。
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換。MAX3232是一款常用的RS-232電平轉換芯片,，接口電路如圖5所示,。
2 軟件設計
DSP控制算法由主程序和中斷服務子程序兩部分組成，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等,，設置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)。中斷服務子程序主要完成以下功能：首先關中斷,，初始化計算變量,；接著對ADC相應通道的輸入信號進行A／D轉換,，取出采樣值預處理，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轉換,，最終輸出控制模擬信號驅動作動器減振；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設置,，開全局中斷,，為下次運行中斷服務子程序做準備。中斷服務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,。
3 總結
本文設計的以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轉換電路可以輸出8路控制信號,，能夠實現(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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