基于TMS320F2812芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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，滿足要求。

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