汽車內(nèi)部噪聲智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    噪聲主動(dòng)控制基本思想是由德國(guó)物理學(xué)家Paul Lueg于1936年發(fā)明“電子消聲器”時(shí)首次提出的。噪聲主動(dòng)控制技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)的被動(dòng)控制，具有對(duì)中、低頻段噪聲控制效果明顯、系統(tǒng)輕巧、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有潛在的工程應(yīng)用價(jià)值。

    噪聲控制為實(shí)時(shí)控制，需要較大的計(jì)算量，普通的單片機(jī)難以實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片的問(wèn)世為信號(hào)的實(shí)時(shí)控制開(kāi)辟了廣闊的發(fā)展空間。隨著芯片技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，DSP已成為現(xiàn)代智能控制器的核心部件。

    本文采用DSP芯片TMS320F2812設(shè)計(jì)了既可以脫機(jī)獨(dú)立自主運(yùn)行又可以通過(guò)USB接口在線仿真的智能控制器，并以該控制器為核心設(shè)計(jì)了汽車內(nèi)部噪聲主動(dòng)智能控制系統(tǒng)。

智能控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)過(guò)程及系統(tǒng)框圖

     汽車內(nèi)部噪聲智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示。

圖1 DSP智能控制器硬件設(shè)計(jì)流程圖

    在器件選型時(shí)，要考慮器件之間的相互匹配性，以及器件的供貨能力和技術(shù)支持等。本設(shè)計(jì)選用的DSP芯片TMS320F2812性能如下：采用高性能的靜態(tài)CMOS低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，主頻高達(dá)150MIPS（時(shí)鐘周期6.67ns），支持JTAG邊界掃描接口；高效32位高精度CPU；并有最多可達(dá)128K×16的FLASH存儲(chǔ)器等。
電路板的設(shè)計(jì)需要傳輸線理論知識(shí)以及布線工藝和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，以保證信號(hào)的完整性，另外著重考慮電磁干擾和電磁兼容性問(wèn)題。

    如圖2所示，智能控制器主要由模擬電路部分（包括數(shù)字信號(hào)采集電路和輸出信號(hào)處理電路）、DSP子系統(tǒng)（包括DSP芯片及外圍電路）、電源、時(shí)鐘及復(fù)位電路等構(gòu)成。下面將介紹幾個(gè)主要電路的設(shè)計(jì)。

圖2 智能控制器結(jié)構(gòu)框圖

圖3 電源和復(fù)位電路

2 電源與復(fù)位電路設(shè)計(jì)

    DSP系統(tǒng)對(duì)電源的性能（如紋波、上電順序等）要求較高，因此在本設(shè)計(jì)選用了線性調(diào)壓電路芯片TPS767D301。TPS767D301為雙輸出低漏電壓調(diào)整器，其特點(diǎn)如下：每個(gè)電源輸出都有單獨(dú)的復(fù)位和輸出使能控制；具有快速瞬態(tài)響應(yīng)功能；電壓輸出3.3V/1.8V可調(diào)。

    采用TPS767D301構(gòu)成的電源電路從外部穩(wěn)壓電源引入+5V電壓，+5V電壓經(jīng)TPS767D301后輸出電壓為1.8V和3.3V。為減小電源本身對(duì)DSP的干擾，在電路中增加了濾波網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

3 A/D、D/A電路設(shè)計(jì)

    TMS320F2812芯片上有一個(gè)12位、轉(zhuǎn)換頻率為25MHz的ADC,其前端為兩個(gè)8選1的多路轉(zhuǎn)換器和兩路同時(shí)采樣/保持器。在要求不很高時(shí)，完全可利用其構(gòu)成同步順序采樣電路,或者增加外部采樣保持器后構(gòu)成同步采樣。考慮到本系統(tǒng)對(duì)電量采集精度和速度的要求較高,采樣模塊中選用了外置的六通道16位ADC ADS8364。該器件內(nèi)部包括6個(gè)高速采樣-保持放大器、6個(gè)高速ADC、一個(gè)參考電壓源及3個(gè)參考電壓緩沖器,可以提供250KSPS的同步采樣率,還可提供具有超低功耗(69mW/每通道)的所有6個(gè)輸入通道的轉(zhuǎn)換,這樣使得所有通道的單位成本均較低。6個(gè)通道的數(shù)據(jù)輸出接口電壓介于2.7～5.5V，便于與DSP直接接口，省去了中間的電平轉(zhuǎn)換。6個(gè)完全獨(dú)立的ADC可大大提高硬件整體的并行處理速度，在50kHz輸入信號(hào)下仍可保證大于80dB的卓越共模抑制能力，特別適合用于高干擾環(huán)境。圖4為ADS8364與TMS320F2812的接口電路。

    為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能，D/A轉(zhuǎn)換電路中選用四路12位電壓輸出型DAC TLV5614，它具有靈活的四線串行接口，可以與TMS320 SPI、QSPI和Microwire串行口實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。TLV5614的編程控制由16位串行字組成，即兩位DAC地址、兩個(gè)獨(dú)立的DAC控制位和12位的DAC輸入值。器件采用雙電源供電：一組為串行接口使用的數(shù)字電源，即DVDD和DGND；另一組為輸出緩沖器使用的模擬電源，即AVDD和AGND。兩組電源相互獨(dú)立且可為2.7～5.5V之間的任何值。雙電源應(yīng)用的好處是DAC使用5V電源工作，而DAC的數(shù)字部分使用2.7～5.5V電源，可以和多種接口連接。

圖4 ADS8364與TMS320F2812的接口電路

圖5 TLV5614接口電路

    在設(shè)計(jì)中，D/A電路采用了2.5V的參考電壓，為了控制方便，在控制D/A時(shí)，使用TMS320F2812的GPIOB作為轉(zhuǎn)換芯片控制線，電路如圖5所示。

4 外部SRAM、FLASH擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

    由于該控制系統(tǒng)需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)以備分析和利用，根據(jù)DSP與外部存儲(chǔ)器之間的“零等待”原則，采用IS61LV6416-12T擴(kuò)展F2812的外部存儲(chǔ)器，IS61LV6416-12T為64K×16高速CMOS SRAM，3.3V供電，其與TMS320F2812的接口電路如圖6所示。

圖6 外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路

汽車內(nèi)部噪聲主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    本控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由4部分組成：汽車被控系統(tǒng)模型（含執(zhí)行器）、外部聲源、控制器和信號(hào)監(jiān)視（含傳感器），如圖7所示。需要說(shuō)明的一點(diǎn)是：在控制系統(tǒng)中，被控汽車模型包含多塊鋁板，在此為了表達(dá)方便，只畫(huà)出其中一塊。

    在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采用外部揚(yáng)聲器模擬艙體從外部受到的激勵(lì)。揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波迫使汽車模型的一個(gè)由鋁板構(gòu)成的面發(fā)生受迫振動(dòng)，從而使汽車內(nèi)部出現(xiàn)較大的噪聲；當(dāng)放置在箱體內(nèi)部指定位置的聲壓傳感器檢測(cè)到該處的聲壓變化，就把最新的聲壓值向DSP控制器傳送，控制器根據(jù)此時(shí)系統(tǒng)的輸入和輸出情況，及時(shí)做出判斷，對(duì)系統(tǒng)施加控制，此控制功能是通過(guò)粘貼在封閉艙體薄鋁板壁上的PZT執(zhí)行器完成的，因?yàn)镻ZT在控制信號(hào)的作用下能夠產(chǎn)生振動(dòng)能量，同樣使鋁板受迫振動(dòng)，以此來(lái)降低汽車內(nèi)部指定位置的噪聲。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖

1 汽車被控系統(tǒng)模型

    由于本設(shè)計(jì)是針對(duì)汽車內(nèi)部噪聲展開(kāi)的，為了研究方便，采用了粗略的轎車模型作為被控對(duì)象。該模型的四面由1mm的鋁板組成,在車身上和車身內(nèi)部安裝有控制傳感器,其中該控制系統(tǒng)的執(zhí)行器是PZT，對(duì)稱地安裝在模型上。

    由于壓電陶瓷具有把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能力，因此當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)通電給壓電陶瓷時(shí)，材料的自發(fā)偶極矩發(fā)生變化，從而使材料的尺寸發(fā)生改變，這種效應(yīng)可在20ms內(nèi)產(chǎn)生50μm的位移，響應(yīng)速度之快是其他材料無(wú)法比擬的，而且頻帶很寬，對(duì)溫度不敏感，隨著加壓次數(shù)的增加，性能趨于穩(wěn)定，并且容易集成，是高精度、高速驅(qū)動(dòng)器所必須的材料。本設(shè)計(jì)選用了壓電材料PZT作為執(zhí)行器。

2 外部聲源

    實(shí)驗(yàn)中的外部聲源是由揚(yáng)聲器代替的，揚(yáng)聲器由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器后驅(qū)動(dòng)。

3 智能控制器

    以TMS320F2812DSP芯片為核心的智能控制器既可以脫機(jī)獨(dú)立自主運(yùn)行又可以通過(guò)USB接口在線仿真。

4 信號(hào)監(jiān)視器

     為了能夠監(jiān)視箱內(nèi)的控制誤差信號(hào)和壓電片驅(qū)動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)處理，本控制系統(tǒng)的信號(hào)監(jiān)視器采用了自行開(kāi)發(fā)的多功能信號(hào)采集和處理系統(tǒng)。

    本設(shè)計(jì)所選用的座位傳感器的壓電材料為壓電薄膜PVDF，PVDF感知的信號(hào)作為系統(tǒng)的參考信號(hào)。PVDF很薄、柔軟、密度低且靈敏度很高，其機(jī)械柔韌性比壓電陶瓷高10倍。PVDF壓電材料的壓電性比石英高3～5倍，壓電系數(shù)更高，可貼在物體表面。

結(jié)論

    本文以TMS320F2812 DSP為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了既可以脫機(jī)獨(dú)立自主運(yùn)行又可以通過(guò)USB接口在線仿真的智能控制器。并以該控制器為核心設(shè)計(jì)了汽車內(nèi)部噪聲主動(dòng)智能控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)理論分析, 該控制系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)處理能力和處理速度，因此在實(shí)時(shí)控制中能夠發(fā)揮重要的作用。