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[導(dǎo)讀]摘要:針對國內(nèi)某型號直升機自動測試系統(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

摘要:針對國內(nèi)某型號直升機自動測試系統(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)采集濾波模塊。模塊能夠?qū)崟r數(shù)據(jù)進行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模塊進行數(shù)據(jù)采集,并與上位機和自動測試系統(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
    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(嚴重時轉(zhuǎn)換結(jié)果的誤差能達到280LSB,1LSB=3.0/4.95=0.73 2mV,280LSB相當(dāng)于滿量程的7%)。
    本系統(tǒng)在校準時選用ADC的2個通道A0,A1作為校準通道,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通道進行校準。如圖2所示。


    TMS320F2812芯片為定點DSP,本系統(tǒng)在校準程序?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。得到增益校準系數(shù)CalGain和偏置校準系數(shù)CalOffset后,對其他轉(zhuǎn)換通道數(shù)據(jù)進行補償。[!--empirenews.page--]
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;適合在工業(yè)測量方面應(yīng)用。TMS320F2812的增強型局域網(wǎng)控制器(eCAN)模塊與現(xiàn)行的CAN 2.0B標準兼容。具有32個完全可配置的郵箱和時間標志特性,并可以實現(xiàn)高達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。

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    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,上位機可通過CAN總線控制下位機選用適當(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)進入中斷程序。首先,ADC采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過校準后,存儲到Sample_cai[]中,待采樣點夠1 024點之后,進行FFT計算,計算出波形的主要頻段,進而調(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 上位機通訊
    系統(tǒng)通過CAN總線與上位機進行通訊。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。
 

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