基于DSP和DDS的商品防竊監(jiān)視器掃頻信號(hào)源

1 引言
商品防竊監(jiān)視器(Electronic Article Surveillance)簡(jiǎn)稱EAS，是目前超市普遍使用的安檢防竊設(shè)備。其原理是由發(fā)射電路產(chǎn)生7.8MHz~8.8MHz的掃頻信號(hào)，該信號(hào)由近場(chǎng)天線發(fā)射，當(dāng)天線附近有標(biāo)簽存在時(shí)(標(biāo)簽為高Q值的LC振蕩回路，諧振中心頻率為7.8MHz)，標(biāo)簽發(fā)出諧振電磁波信號(hào)，該信號(hào)被EAS接收天線接收，經(jīng)解調(diào)、放大和數(shù)字化處理后，最終發(fā)出報(bào)警信息。傳統(tǒng)的掃頻信號(hào)發(fā)生電路通常包含變?nèi)荻O管組成的LC振蕩回路，通過(guò)周期性地改變二極管的偏壓來(lái)改變振蕩頻率。由于分立元件參數(shù)的一致性差，振蕩頻率難以精確控制，頻率變化的線性度、掃頻寬度等諸多指標(biāo)也受到元件性能的嚴(yán)格約束。在數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，由直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生所需要的信號(hào)波形，是EAS掃頻信號(hào)發(fā)生電路發(fā)展的趨勢(shì)。筆者采用AD公司的AD9834型DDS實(shí)現(xiàn)掃頻信號(hào)合成，同時(shí)，考慮到信號(hào)的高速頻率變化特點(diǎn)，需使用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)AD9834進(jìn)行控制。筆者采用TI公司的TMS320VC5410型數(shù)字信號(hào)處理器(以下簡(jiǎn)稱C5410)。下面介紹這些器件的特點(diǎn)及電路實(shí)現(xiàn)方法。
2 TMS320VC5410和AD9834簡(jiǎn)介
本設(shè)計(jì)要求C5410通過(guò)多通道緩沖串行口向AD9834發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，由AD9834產(chǎn)生EAS系統(tǒng)需要的掃頻信號(hào)。C5410是TI公司生產(chǎn)的新一代低功耗TMS320C5000系列定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它有3個(gè)高速、全雙工、多通道緩沖串行口(McBSP)，每個(gè)串行口可以支持128個(gè)通道，速度可達(dá)100Mb/s。該系列提供的McBSP支持多種串行通信的方式和協(xié)議，可以根據(jù)用戶的不同需要進(jìn)行配置。多通道緩沖串行口遵循SPI協(xié)議是以主從方式工作的，這種模式通常有1個(gè)主設(shè)備和1個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，其接口包括以下4種信號(hào)：串行數(shù)據(jù)輸入(也稱為主進(jìn)從出或MISO)；串行數(shù)據(jù)輸出(也稱為主出從進(jìn)或MOSI)；串行移位時(shí)鐘(也稱為SCK)；從使能信號(hào)(也稱為SS)。McBSP的時(shí)鐘停止模式與SPI協(xié)議兼容，當(dāng)McBSP處于時(shí)鐘停止模式時(shí)，發(fā)送器和接收器是內(nèi)部同步的。

AD9834的原理框圖如圖1所示。它使用的DDS技術(shù)是一種利用正弦信號(hào)相位線性增加的原理直接由數(shù)字累加和數(shù)/模轉(zhuǎn)換合成所需頻率的技術(shù)。AD9834主要由數(shù)控振蕩器(NCO)、相位調(diào)制器、正弦查詢表ROM和1個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換器組成。數(shù)控振蕩器和相位調(diào)制器主要由2個(gè)頻率選擇寄存器、1個(gè)相位累加器、2個(gè)相位偏移寄存器和1個(gè)相位偏移加法器構(gòu)成，它的最高工作頻率可達(dá)50MHz。

AD9834的頻率控制字由式(1)求得

式中，0<Δphase<228-1，fMCLK最高可達(dá)50MHz，它是由高穩(wěn)定度晶體振蕩器獲得或由其他器件編程提供，用來(lái)同步整個(gè)合成器的各個(gè)組成部分。
相位控制字由式(2)求得
ΔP=Kx2π/4096（2）
式中，0小于K小于228-1，改變K值即可改變輸出相位值。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
傳統(tǒng)的EAS掃頻信號(hào)產(chǎn)生電路使用了壓控振蕩集成電路。通過(guò)改變外圍變?nèi)荻O管的直流偏壓可以使掃頻信號(hào)的頻率范圍控制在8．2MHz±0.5MHz。當(dāng)采用全數(shù)字頻率合成時(shí)，由于數(shù)字信號(hào)的非連續(xù)性，不可能產(chǎn)生連續(xù)的掃頻信號(hào)，只能產(chǎn)生臺(tái)階性變化的掃頻信號(hào)，即1個(gè)單頻點(diǎn)持續(xù)一段時(shí)間后增加4，，再跳躍到另1個(gè)單頻點(diǎn)，因此，如果掃頻信號(hào)的掃頻范圍為8.2MHz±-O.5MHz，將該lMHz頻率跨度等分為32個(gè)頻點(diǎn)，于是相鄰頻點(diǎn)之間的頻率間隔Δf=1MHz/31=0.0323MHz。如果掃頻信號(hào)的掃頻周期為 180Hz(即5.6ms)，則每個(gè)頻點(diǎn)占用的時(shí)間為ΔT=5.6ms/3l=181pμs。該ΔT又分為二部分，第一部分△T1為振蕩時(shí)間，即單頻率波形持續(xù)時(shí)間；第二部分ΔT2為延時(shí)等待時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)理論上沒(méi)有波形輸出。在實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)動(dòng)態(tài)改變△T2在ΔT中所占的比例以控制EAS的發(fā)射功率，對(duì)系統(tǒng)很有用。如果每個(gè)單頻率波形持續(xù)時(shí)間(頻率振蕩時(shí)間)△T1=10μs，則每個(gè)單頻率波形的延時(shí)等待時(shí)間ΔT2=(5.6－0.01x32)/31=170.3μs。多通道緩沖串行口發(fā)送1個(gè)單頻率字只需71μs左右，能夠完成控制字和頻率字的發(fā)送，而且還能夠在此時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的計(jì)算。圖2為180Hz周期內(nèi)完成的32頻點(diǎn)掃頻信號(hào)波形示意圖。其中，每個(gè)頻點(diǎn)展開后都是頻率一定的正弦波，每個(gè)周期內(nèi)32頻點(diǎn)掃頻信號(hào)的頻率范圍都是從7．7MHz到8．7MHz臺(tái)階性變化。

4 硬件設(shè)計(jì)方案和軟件實(shí)現(xiàn)
4．1 硬件設(shè)計(jì)方案
基于上述設(shè)計(jì)思想的硬件連接方案如圖3所示，包括C5410、10MHz晶體振蕩器、AD9834及濾波放大電路。由于AD9834的電源電壓在2．3V到5．5V范圍內(nèi)可選，C5410的電源電壓為3．3V。所以在連接時(shí)無(wú)需電平轉(zhuǎn)換。10MHz晶體振蕩器向C5410提供輸入時(shí)鐘。初始化C5410使其工作頻率為100MHz，因?yàn)橹挥写藭r(shí)才能使其定時(shí)器周期寄存器從TOUT引腳輸出50MHz時(shí)鐘信號(hào)。該時(shí)鐘信號(hào)輸出到AD9834的MCLK腳，作為AD9834的工作時(shí)鐘。理論分析指出：輸出信號(hào)的相位噪聲取決于時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲，在輸出信號(hào)頻率不變的情況下，輸入時(shí)鐘信號(hào)頻率越高，相位噪聲惡化越小。

濾波放大電路對(duì)AD9834輸出的掃頻波信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步濾波處理和幅度放大，以濾除高頻信號(hào)干擾和噪聲，將信噪比控制在允許范圍內(nèi)。由于雜波信號(hào)干擾，從AD9834出來(lái)的掃頻信號(hào)在沒(méi)有濾波的情況下含有豐富的高頻成分，采用RC或LC無(wú)源濾波電路處理后可以得到一組以8．2MHz為中心頻率，掃頻范圍在7．7MHz~8．7MHz的較為清晰的掃頻波。具體實(shí)現(xiàn)方案是先通過(guò)由1只去耦電容器和1只電阻器組成的RC回路濾掉由：DDS輸出的掃頻信號(hào)中的高頻成分，然后使用帶有電感器的復(fù)式濾波電路(可以選擇LC濾波電路)，經(jīng)電感器濾波后不但負(fù)載電流及電壓的脈動(dòng)減小，而且波形也變得平滑，L、c的具體值可由f=1/(LC)1/2求得，其中f=8.7MHz，濾波電路如圖4所示。由于AD9834的輸出信號(hào)幅度最大只有O．8V，所以需將其幅值放大才能作為掃頻信號(hào)源，在系統(tǒng)中可由1個(gè)高速運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。
由于該電路是高速數(shù)，模混合電路，因此電磁兼容性能非常重要。特別是DSP和DDS共用1個(gè)電源，使得器件的工作信號(hào)通過(guò)電源線傳輸形成干擾。通常必須在電源接入處并人大容量的電解電容器和鉭電容器，濾除低頻噪聲。還應(yīng)該在每個(gè)器件的電源引腳處接1只0．01pF一0．1pF的去耦電容器。
4．2 軟件實(shí)現(xiàn)
軟件的流程如圖5所示，主要包括復(fù)位、初始化、寫頻率字和控制字等部分。

初始化部分包括對(duì)DSP多通道緩沖串行口的初始化及其配置和對(duì)AD9834寫入控制字，應(yīng)設(shè)置多通道緩沖串行口工作模式和DDS的SLEEP、RE-SET、SIGNPIB、HLB等位。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，AD9834采用串行控制比特位方式選擇相位、頻率寄存器；PIN/SW=0．選擇控制字模式；FSEI=0，選擇使用頻率寄存器0(FREQ0)；D13=0,將28位的頻率寄存器分成2個(gè)14位的寄存器工作，且頻率字的高14位和低14位可以獨(dú)立改變。由于系統(tǒng)要求在上電后立即工作，故將AD9834的RESET引腳接低電平。必要時(shí)，也可以由系統(tǒng)中的其他模塊如CPID控制DDS啟動(dòng)。SDATA、SCLK和FSYNC 3個(gè)引腳向AD9834中寫數(shù)據(jù)和控制字。當(dāng)FSYNC=0時(shí)，表示正向AD9834寫入1個(gè)新字，并將在下1個(gè)SCL．K的下降沿讀人第1位，其余的位在隨后的SCLK的下降沿讀入，經(jīng)過(guò)16個(gè)SCLK下降沿后，置 FSYNC=1，實(shí)現(xiàn)了DSP對(duì)AD9834的控制。

由于將C5410的McBSP配置為時(shí)鐘停止模式，串口接收控制寄存器SPCRl的時(shí)鐘停止模式位cLKSTP和串口引腳控制寄存器PCR的發(fā)送時(shí)鐘極性位CLKXP配置為CLKSTP=11，CLKXP=1(時(shí)鐘開始于下降沿，有延時(shí))，因此，發(fā)送時(shí)鐘模式引腳設(shè)為內(nèi)部時(shí)鐘輸出(BCLKX=I)；采樣率發(fā)生器時(shí)鐘源來(lái)自CPU時(shí)鐘(CLKSM=I)；發(fā)送幀同步模式引腳設(shè)置為輸出(FSXM=1)；發(fā)送幀同步極性引腳設(shè)置為低電平有效(FSXP=1)；發(fā)送時(shí)鐘極性設(shè)置為下降沿采樣 (CLKXP=1)；數(shù)據(jù)發(fā)送和接收延時(shí)時(shí)間為l位(RDATDLY=XDATDLY=01b)；采樣率發(fā)生器時(shí)鐘的降頻因子為49(CLKGDV=49)。因?yàn)?6xbaud rateCLKOUT／1+CLKGDV為100/49，所以MCBSP的采樣率發(fā)生器產(chǎn)生2MHz的時(shí)鐘信號(hào)。

下面是通過(guò)McBSP口向AD9834傳送頻率為8．2MHz的頻率字和控制字的程序段： L

程序設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的重點(diǎn)就是對(duì)發(fā)送和接收準(zhǔn)備好位的查詢，如果在程序中沒(méi)有查詢或者查詢的地點(diǎn)不對(duì)，則程序在單步運(yùn)行時(shí)可能會(huì)正確發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，但是當(dāng)全速運(yùn)行時(shí)，由于速度較高，因而不能進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)收發(fā)。正確的查詢應(yīng)該是在數(shù)據(jù)發(fā)送前查詢SPCRl或SPCR2中的RRDY位或XRDY位，當(dāng)RRDY位或XRDY位為0時(shí)，表明尚未接收或發(fā)送完數(shù)據(jù)，一直查詢到RRDY位或XRDY位為1，表明上一組數(shù)據(jù)已接收或發(fā)送完畢，可以進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送。
5 結(jié)束語(yǔ)
由DDS技術(shù)產(chǎn)生的掃頻信號(hào)源不僅頻率穩(wěn)定、信號(hào)精度高、抗干擾能力強(qiáng)，而且由于它是在計(jì)算機(jī)控制下直接實(shí)現(xiàn)的，因而易于實(shí)現(xiàn)智能化處理。無(wú)論是實(shí)用電路還是測(cè)量?jī)x器，凡是需要產(chǎn)生掃頻信號(hào)的地方，原則上都可以使用DDS技術(shù)。在頻率迅速變化的場(chǎng)合，DDS中寄存器更新的速度有時(shí)會(huì)成為關(guān)鍵指標(biāo)，這時(shí)必須使用高速電路和高速串行口，由合理的硬件設(shè)計(jì)和軟件流程來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。