應用TMS32OF2812的振動主動控制系統(tǒng)設計

0 引言
    在現(xiàn)代艦船和空間飛行器上，低頻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理為0～3V的電壓信號，再經(jīng)濾波和限幅保護送至DSP內部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：

    通過調整Ral7、Ral8和Ral9的大小，可以獲得較大的阻值。但在調試的過程中，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。