直升機(jī)自動測試中的數(shù)據(jù)采集及濾波模塊的研究

摘要：針對國內(nèi)某型號直升機(jī)自動測試系統(tǒng)的實際應(yīng)用需求，設(shè)計了基于TMS320F2812的可配置參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集及濾波模塊。模塊能夠?qū)崟r數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR濾波、FFT頻譜分析，實現(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現(xiàn)，闡述了系統(tǒng)根據(jù)實測信號自動調(diào)用相關(guān)濾波算法的方法，并結(jié)合實際應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明，該模塊滿足測試系統(tǒng)的要求，具有良好的實用性。
關(guān)鍵詞：自動測試系統(tǒng)；FIR濾波；FFT算法；CAN通訊

0 引言
    現(xiàn)代西方許多國家都投入了大量的人力和經(jīng)費，研究制造武器裝備的自動化測試系統(tǒng)，以提高武器裝備的質(zhì)量與可行性，加強(qiáng)作戰(zhàn)的總體實力，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭需要。本課題研究來源于項目“某型號直升機(jī)自動測試系統(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)速測量模塊等。在測試過程中，常需要采集該型號直升機(jī)各個設(shè)備在給定激勵信號情況下的響應(yīng)，如電流、電壓、溫度、壓力等信號。能否實現(xiàn)對這些信號精確的采集、恰當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波、實時的分析處理，對整個自動測量系統(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)和自動測試系統(tǒng)內(nèi)其他模塊實現(xiàn)CAN總線通訊。整個系統(tǒng)能夠完成對直流信號、頻率范圍在100 kHz之內(nèi)的周期信號的精確采樣，能夠準(zhǔn)確分析出信號的特征值。由這些特征值可以確定被測對象是否具有規(guī)范中的規(guī)定的功能和性能。

1 信號采集分析系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    該信號采集分析系統(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)處理的測控場合，如數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動化控制。系統(tǒng)硬件設(shè)計以該芯片為核心，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調(diào)理電路對信號進(jìn)行調(diào)理，以使模擬信號符合ADC模塊的工作范圍。經(jīng)調(diào)理后的信號經(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器設(shè)置和調(diào)整。整個硬件系統(tǒng)通過CAN總線與上位機(jī)通訊，實現(xiàn)對整個信號采集分析系統(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，并可實現(xiàn)過采樣算法，而且控制A／D啟動的方式很多，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)時選用ADC的2個通道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。然后通過運放生成兩路子電壓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，它收集了高度優(yōu)化和準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)函數(shù)庫并精確地在28X芯片上將浮點轉(zhuǎn)換成固定點算法的運算代碼。得到增益校準(zhǔn)系數(shù)CalGain和偏置校準(zhǔn)系數(shù)CalOffset后，對其他轉(zhuǎn)換通道數(shù)據(jù)進(jìn)行補償。
1．2 CAN總線通訊模塊及參數(shù)配置的實現(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個完全可配置的郵箱和時間標(biāo)志特性，并可以實現(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
    實際測量需要解決的難點和關(guān)鍵問題是消除噪聲和干擾對測量結(jié)果的影響。在數(shù)據(jù)采集與處理過程中采用數(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，而且還能減小測量誤差，提高測量精度。系統(tǒng)在測量數(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)自動測試系統(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)計的同時保證精確嚴(yán)格的線性相位，而且沒有不穩(wěn)定的問題。
    在FIR濾波器的設(shè)計方面，采用Kaiser窗。它可以通過調(diào)整參數(shù)值來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半帶與濾波器的長度有關(guān)，可通過增加濾波器長度來減小帶寬。
    本系統(tǒng)設(shè)計阻帶最小衰減都為-50 dB，通過下式：
    
    得出參數(shù)β=4．551 26，同時考慮到濾波計算量，本設(shè)計選擇50階，能在一個采樣周期內(nèi)完成。
    為了使自動測試系統(tǒng)適合多種頻率的信號采集，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，所設(shè)計的FIR濾波器的幅頻對數(shù)特性如圖4所示。

    本系統(tǒng)可實現(xiàn)不同ωc值的FIR濾波器的自動調(diào)用。利用TI公司的FFT函數(shù)庫對所采數(shù)據(jù)序列(1 024點)進(jìn)行FFT計算，然后根據(jù)序列的幅頻特性，判斷出該信號的主要頻段，繼而調(diào)用相應(yīng)的FIR濾波器進(jìn)行對高頻干擾信號的濾除。
    在應(yīng)用中，采用2．5 kHz采樣頻率，采集1 024個點，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FFT算法計算，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FFT算法還得到信號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
    TMS320F2812芯片提供了良好的C語言開發(fā)環(huán)境，使用C語言可縮短開發(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CAN總線控制下位機(jī)選用適當(dāng)?shù)臑V波器來完成參數(shù)配置(也可通過程序自動判斷加載)。待這些配置完成后，啟動計時器，進(jìn)而啟動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通道用來對信號進(jìn)行過采樣。ADC模塊工作在啟動／停止模式，由EVA中的定時器1的周期中斷來控制采樣頻率。
    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)過校準(zhǔn)后，存儲到Sample_cai[]中，待采樣點夠1 024點之后，進(jìn)行FFT計算，計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計算結(jié)果中的直流分量，去除信號中的直流偏移，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、報文編號、報文總數(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)會根據(jù)word2的數(shù)值來配置定時器計數(shù)周期(16位)，從而設(shè)定ADC模塊的采樣頻率。同時會根據(jù)Param3的數(shù)值選用合適的濾波器。

4 結(jié)語
    針對直升機(jī)測試系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中遇到的噪聲干擾、脈沖干擾，設(shè)計了基于TMS320F2812的實時數(shù)據(jù)采集及濾波模塊。模塊實現(xiàn)了多種數(shù)字濾波方法、CAN總線通訊，并實現(xiàn)了模塊根據(jù)信號特點自動調(diào)用合適濾波器進(jìn)行濾波處理。在實際應(yīng)用中上述硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能都得到了驗證，性能良好，滿足要求。