基于數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)激勵(lì)器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：趙國(guó)輝，何一，暴宏瑞，李娜

1 引言

激勵(lì)器是為發(fā)射機(jī)提供高精度、高穩(wěn)定載波的器件。目前許多激勵(lì)器的控制系統(tǒng)因其核心器件（如MCS-51）速度和精度的限制，存在頻率同步精度低，校頻速度慢等問(wèn)題。DSP可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高，是實(shí)現(xiàn)控制激勵(lì)器輸出精密載波的理想選擇。這里介紹以DSP器件TMS320F240為核心的激勵(lì)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 控制系統(tǒng)原理

該激勵(lì)器內(nèi)5 MHz壓控晶振的輸出不能滿足頻差小于每天0．01 Hz的實(shí)際穩(wěn)定性需求，因此需用標(biāo)準(zhǔn)的頻率信號(hào)（簡(jiǎn)稱標(biāo)頻）校正其晶振輸出的頻率（簡(jiǎn)稱校頻）。要提高輸出頻率精度，首先要處理好標(biāo)頻，達(dá)到其頻率準(zhǔn)確度高、抖動(dòng)小、信號(hào)輸出穩(wěn)定、且滿足幅度要求。

圖l為激勵(lì)器模型。該控制系統(tǒng)插在鑒相電路板與5 MHz壓控晶振（VCX0）間，與二者組成鎖相環(huán)路。鎖相環(huán)路以彩色電視副載波信號(hào)（4．43 MHz）為標(biāo)頻，定時(shí)校對(duì)壓控晶振的頻率。鑒相電路輸出包含晶振頻差的電壓Vp。校頻過(guò)程中控制系統(tǒng)對(duì)Vp進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，并使輸出控制電壓Vc加到壓控晶振的電壓控制端，調(diào)整各自振蕩頻率，使其與標(biāo)頻源的準(zhǔn)確度一致。校頻完成后，系統(tǒng)保持校頻處理后的控制電壓，壓控晶振輸出校準(zhǔn)后的頻率。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 硬件電路設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的硬件電路主要由TMS320F240、復(fù)位電路、12位A／D轉(zhuǎn)換器與D／A轉(zhuǎn)換器接口電路、鍵盤與LED顯示接口電路、鑒相與輸出的狀態(tài)檢測(cè)指示、微型打印機(jī)并行接口以及系統(tǒng)與PC機(jī)通信的串行接口等組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3．1．1 TMS320F240簡(jiǎn)介

根據(jù)該系統(tǒng)指標(biāo)和任務(wù)要求，以及系統(tǒng)的性能和成本，TMS320F240采用高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外圍設(shè)備完全滿足該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。TMS320F240是傳統(tǒng)的微控制單元（MCU）和昂貴多片設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)替代產(chǎn)品，每秒2千萬(wàn)條指令的處理速度，以及豐富的硬件接口資源，使其提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的性能。

3．1．2 MD轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)

根據(jù)該系統(tǒng)的實(shí)際功能需求，考慮到MD轉(zhuǎn)換器的性價(jià)比因素，選用MAXIM公司的MAX1296。A／D轉(zhuǎn)換器的接口設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）MAX1296輸出端與DSP的連接 A/D轉(zhuǎn)換器分為內(nèi)部含有和不含輸出鎖存器兩種類型，后者通過(guò)鎖存器或I／O接口與CPU相連；而前者則直接與CPU相連，本系統(tǒng)采用內(nèi)部含有輸出鎖存器的MAX1296。圖3為其接口電路。

（2）MAX1296的啟動(dòng)方式 A／D轉(zhuǎn)換器需外加啟動(dòng)信號(hào)才能開(kāi)始工作，具有脈沖和電平兩種啟動(dòng)方式。MAX1296是脈沖啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器。只要在A／D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入引腳加肩動(dòng)脈沖即可啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器。

3．1. 3 其他硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)處理后的控制電壓值通過(guò)RC-232接口傳到PC機(jī)內(nèi)，以供維護(hù)人員參考；并可直接送入微型打印機(jī)。若鑒相和輸出偏離過(guò)大，則系統(tǒng)告警指示，維護(hù)人員通過(guò)鍵盤輸入經(jīng)驗(yàn)電壓值控制晶振。

3．2 軟件程序設(shè)計(jì)

TMS320F240具有豐富的匯編指令系統(tǒng)，側(cè)重于數(shù)字運(yùn)算、信號(hào)處理以及高速測(cè)控等通用目的的應(yīng)用。該控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)中用到外中斷、軟件定時(shí)器中斷、模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷等。具體包括主程序及鍵盤處理、時(shí)鐘處理、定時(shí)校頻等子程序。主程序中，CPU首先初始化時(shí)鐘、工作狀態(tài)顯示、輸出控制電壓和有關(guān)寄存器等。若到達(dá)定時(shí)時(shí)間，則執(zhí)行定時(shí)校頻子程序，否則循環(huán)執(zhí)行主程序。圖4為其主程序流程。校頻子程序的部分程序段如下：

3．3 抗干擾設(shè)計(jì)

由于本激勵(lì)器控制系統(tǒng)所處環(huán)境具有強(qiáng)磁強(qiáng)電干擾，故在系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方面盡量考慮抗干擾，主要表現(xiàn)：（1）軟件設(shè)計(jì)采用抗脈沖干擾平均值法、算術(shù)平均值濾波法處理采集的數(shù)據(jù)；（2）系統(tǒng)+5 V電源由一個(gè)單獨(dú)的220 V降壓變壓器提取，以保證不受其他部件拔插和工作影響；（3）為確保A／D轉(zhuǎn)換器和D／A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，MAX1296和MAX530的參考電壓均由精密基準(zhǔn)源提供；（4）在MAX232E和TMS320F240之間采用光電隔離措施，二者之間使用光電耦合器，以避免干擾而對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸；而且MAX232E的+5 V電源和其他電源也不能共用。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)初步軟硬件調(diào)試，本控制系統(tǒng)大大加快了激勵(lì)器校頻的速度，使其校頻精度達(dá)到了指標(biāo)要求（頻差遠(yuǎn)小于每天0．01 Hz，校頻精度優(yōu)于5x10-10），提高其強(qiáng)磁強(qiáng)電環(huán)境下的抗干擾能力，各項(xiàng)功能均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

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