摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)某型號(hào)直升機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812的可配置參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及濾波模塊,。模塊能夠?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR濾波,、FFT頻譜分析，實(shí)現(xiàn)CAN通訊,。在介紹硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，研究了上述算法的實(shí)現(xiàn)，闡述了系統(tǒng)根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào)自動(dòng)調(diào)用相關(guān)濾波算法的方法,，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)分析,。結(jié)果表明，該模塊滿(mǎn)足測(cè)試系統(tǒng)的要求,，具有良好的實(shí)用性,。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；FIR濾波；FFT算法,；CAN通訊
0 引言
現(xiàn)代西方許多國(guó)家都投入了大量的人力和經(jīng)費(fèi),，研究制造武器裝備的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，以提高武器裝備的質(zhì)量與可行性,，加強(qiáng)作戰(zhàn)的總體實(shí)力,，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需要。本課題研究來(lái)源于項(xiàng)目“某型號(hào)直升機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)”,。系統(tǒng)包括若干模塊,，如電源管理模塊、液壓系統(tǒng)模塊,、轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊等,。在測(cè)試過(guò)程中，常需要采集該型號(hào)直升機(jī)各個(gè)設(shè)備在給定激勵(lì)信號(hào)情況下的響應(yīng),，如電流,、電壓、溫度,、壓力等信號(hào),。能否實(shí)現(xiàn)對(duì)這些信號(hào)精確的采集、恰當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波,、實(shí)時(shí)的分析處理,，對(duì)整個(gè)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的分析診斷功能有很大的影響。
本文采用TI公司的TMS320F2812芯片作為控制器,，應(yīng)用片內(nèi)ADC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,，并與上位機(jī)和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)其他模塊實(shí)現(xiàn)CAN總線通訊。整個(gè)系統(tǒng)能夠完成對(duì)直流信號(hào),、頻率范圍在100 kHz之內(nèi)的周期信號(hào)的精確采樣,，能夠準(zhǔn)確分析出信號(hào)的特征值。由這些特征值可以確定被測(cè)對(duì)象是否具有規(guī)范中的規(guī)定的功能和性能,。
1 信號(hào)采集分析系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
該信號(hào)采集分析系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
TMS320F2812芯片適用需大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合，如數(shù)據(jù)采集,、工業(yè)自動(dòng)化控制。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以該芯片為核心,，利用可編程增益放大器,、可編程低通模擬濾波器等器件組成的信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以使模擬信號(hào)符合ADC模塊的工作范圍,。經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)F2812內(nèi)置的12位A／D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,，并利用DSP中斷來(lái)完成數(shù)據(jù)讀取。ADC采樣頻率由EVA事件管理器中的通用定時(shí)器設(shè)置和調(diào)整。整個(gè)硬件系統(tǒng)通過(guò)CAN總線與上位機(jī)通訊,，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)信號(hào)采集分析系統(tǒng)的控制,，可以調(diào)整A／D采樣頻率的設(shè)置、調(diào)用不同的數(shù)字濾波算法,、顯示波形參數(shù)等,。
1．1 數(shù)據(jù)采集功能模塊介紹及A／D校準(zhǔn)
該系統(tǒng)采用TMS320F2812芯片自帶ADC模塊。該ADC模塊為流水線結(jié)構(gòu),，最高采樣速率可達(dá)12．5 MSPS,，并可實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣算法，而且控制A／D啟動(dòng)的方式很多,，方便使用,。但是該ADC模塊存在固有偏置誤差和增益誤差(嚴(yán)重時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)果的誤差能達(dá)到280LSB，1LSB=3.0／4.95=0.73 2mV,，280LSB相當(dāng)于滿(mǎn)量程的7％),。
本系統(tǒng)在校準(zhǔn)時(shí)選用ADC的2個(gè)通道A0，A1作為校準(zhǔn)通道,，分別輸入已知的直流參考電壓,。采用TI公司的低噪聲、極低漂移,、高精度電壓基準(zhǔn)芯片REFS030,，它能提供3．O V電壓，0．1％的精確度,。然后通過(guò)運(yùn)放生成兩路子電壓1 V和2 V,，分別輸入A0，A1通道進(jìn)行校準(zhǔn),。如圖2所示,。
TMS320F2812芯片為定點(diǎn)DSP，本系統(tǒng)在校準(zhǔn)程序?qū)崿F(xiàn)方面,，使用了TI公司28X系列的IQmath庫(kù),，它收集了高度優(yōu)化和準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)并精確地在28X芯片上將浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換成固定點(diǎn)算法的運(yùn)算代碼。得到增益校準(zhǔn)系數(shù)CalGain和偏置校準(zhǔn)系數(shù)CalOffset后,，對(duì)其他轉(zhuǎn)換通道數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償,。
1．2 CAN總線通訊模塊及參數(shù)配置的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)采用CAN總線通訊方式，抗干擾能力很強(qiáng),；適合在工業(yè)測(cè)量方面應(yīng)用,。TMS320F2812的增強(qiáng)型局域網(wǎng)控制器(eCAN)模塊與現(xiàn)行的CAN 2．0B標(biāo)準(zhǔn)兼容。具有32個(gè)完全可配置的郵箱和時(shí)間標(biāo)志特性,，并可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 Mb／s的波特率,。
采用的CAN總線收發(fā)器是TI公司的收發(fā)器SN65HVD230,。原理圖如圖3所示。
2 數(shù)字濾波
實(shí)際測(cè)量需要解決的難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題是消除噪聲和干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,。在數(shù)據(jù)采集與處理過(guò)程中采用數(shù)字濾波技術(shù)不僅能夠起到降低噪聲和干擾的輔助作用,，而且還能減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度,。系統(tǒng)在測(cè)量數(shù)據(jù)的采集與處理中采用了多種數(shù)字濾波方法,，這里將詳述其中的FIR濾波和FFT頻譜分析，并通過(guò)應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)分析,。
在經(jīng)典濾波器FIR和IIR選擇方面,，考慮到直升機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中要求保證相位信息，本系統(tǒng)采用FIR濾波器,。FIR可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時(shí)保證精確嚴(yán)格的線性相位,，而且沒(méi)有不穩(wěn)定的問(wèn)題。
在FIR濾波器的設(shè)計(jì)方面,，采用Kaiser窗,。它可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)值來(lái)折中選擇主瓣寬度和旁瓣衰減，有很大的靈活性,。其他性能指標(biāo)主瓣半帶寬和3 dB半帶與濾波器的長(zhǎng)度有關(guān),，可通過(guò)增加濾波器長(zhǎng)度來(lái)減小帶寬。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)阻帶最小衰減都為-50 dB,，通過(guò)下式：
得出參數(shù)β=4．551 26,，同時(shí)考慮到濾波計(jì)算量，本設(shè)計(jì)選擇50階,，能在一個(gè)采樣周期內(nèi)完成,。
為了使自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)適合多種頻率的信號(hào)采集，更好的濾出高頻干擾,。在A／D采樣頻率可調(diào)控的基礎(chǔ)上,，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種歸一化截止頻率的FIR低通濾波器。歸一化截止頻率分別為0.1,，O.15,，O.2，O.25,，0.3,，O.4。
當(dāng)ωc=O．1時(shí),，所設(shè)計(jì)的FIR濾波器的幅頻對(duì)數(shù)特性如圖4所示,。
本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同ωc值的FIR濾波器的自動(dòng)調(diào)用。利用TI公司的FFT函數(shù)庫(kù)對(duì)所采數(shù)據(jù)序列(1 024點(diǎn))進(jìn)行FFT計(jì)算,，然后根據(jù)序列的幅頻特性,，判斷出該信號(hào)的主要頻段，繼而調(diào)用相應(yīng)的FIR濾波器進(jìn)行對(duì)高頻干擾信號(hào)的濾除,。
在應(yīng)用中,，采用2．5 kHz采樣頻率，采集1 024個(gè)點(diǎn),，采集到一段含有噪聲的數(shù)據(jù),，用CCS的Gragh工具觀察，如圖5所示,。
通過(guò)FFT算法計(jì)算,，得到主要頻段在200 Hz左右，調(diào)用歸一化截止頻率為O．4的FIR濾波器對(duì)其進(jìn)行FIR濾波處理,。經(jīng)FIR濾波后的數(shù)據(jù)如圖5所示,，可以看到波形明顯平滑。通過(guò)FFT算法還得到信號(hào)中直流分量的幅度為31,，即31／256=0．12V,，去除直流分量后的數(shù)據(jù)如圖6所示。
3 軟件程序設(shè)計(jì)
TMS320F2812芯片提供了良好的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境,，使用C語(yǔ)言可縮短開(kāi)發(fā)周期,。主程序的流程圖如圖7所示。
程序中編寫(xiě)了多種濾波算法和不同歸一化截止頻率的50階Kaiser窗FIR濾波器,，上位機(jī)可通過(guò)CAN總線控制下位機(jī)選用適當(dāng)?shù)臑V波器來(lái)完成參數(shù)配置(也可通過(guò)程序自動(dòng)判斷加載),。待這些配置完成后，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器,，進(jìn)而啟動(dòng)A／D采樣,。
3．1 數(shù)據(jù)采集及濾波
本系統(tǒng)中，ADC模塊中的B0通道用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣,。ADC模塊工作在啟動(dòng)／停止模式,，由EVA中的定時(shí)器1的周期中斷來(lái)控制采樣頻率。
ADC采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后,，系統(tǒng)進(jìn)入中斷程序,。首先，ADC采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后,，存儲(chǔ)到Sample_cai[]中,，待采樣點(diǎn)夠1 024點(diǎn)之后，進(jìn)行FFT計(jì)算,，計(jì)算出波形的主要頻段,，進(jìn)而調(diào)用適當(dāng)?shù)腇IR濾波器，完成FIR濾除高頻干擾后,，再根據(jù)FFT計(jì)算結(jié)果中的直流分量,，去除信號(hào)中的直流偏移,，完成濾波算法。
3．2 上位機(jī)通訊
系統(tǒng)通過(guò)CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通訊,。TMS320F2812的eCAN模塊支持O～8 B的數(shù)據(jù),。系統(tǒng)設(shè)定為8 B數(shù)據(jù)傳輸，將其分配為目標(biāo)地址,、源地址,、命令號(hào)、報(bào)文編號(hào),、報(bào)文總數(shù),、參數(shù)1、參數(shù)2,、參數(shù)3,、參數(shù)4這九部分。
編寫(xiě)的結(jié)構(gòu)體為：
本模塊中,，上位機(jī)地址設(shè)定為0x00,，數(shù)據(jù)采集模塊的地址設(shè)定為0x01。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)word2的數(shù)值來(lái)配置定時(shí)器計(jì)數(shù)周期(16位),，從而設(shè)定ADC模塊的采樣頻率,。同時(shí)會(huì)根據(jù)Param3的數(shù)值選用合適的濾波器。
4 結(jié)語(yǔ)
針對(duì)直升機(jī)測(cè)試系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中遇到的噪聲干擾,、脈沖干擾,，設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及濾波模塊。模塊實(shí)現(xiàn)了多種數(shù)字濾波方法,、CAN總線通訊,，并實(shí)現(xiàn)了模塊根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)自動(dòng)調(diào)用合適濾波器進(jìn)行濾波處理。在實(shí)際應(yīng)用中上述硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能都得到了驗(yàn)證,，性能良好,，滿(mǎn)足要求。