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

中圖分類號:TN919-34文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0127-04

Research on Data Acquisition and Filtering Module in ATS for Helicopter

CUI Xian-yu， MEI Sen

(Harbin Insititute of Technology， Harbin 150001， China)

Abstract: A reconfigurable data acqusition and FIR filtering module based on TMS320F2812 digital signal processor was designed according to the practical need of automatic testing system for the helicopter. The module can achieve FIR filtering， FFT spectrum analysis， and communication based on CAN bus. The design of circuit is presented. This paper focuses attention on the realization of the algorithms and the method that the system calls on the filtering algorithm automatically according to the measured signals. The systematic analysis is carried out in combination with the practical application. The result shows that the system meets the requirements of ATS and is available for use.Keywords: ATS; FIR filtering; FFT; CAN communication

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[1]。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(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。

圖1 信號采集分析系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

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[2-3]。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(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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)果的誤差能達到280 LSB，1 LSB=3.0/4.95=0.732 mV，280 LSB相當(dāng)于滿量程的7%)[4]。對于校準(zhǔn)算法，TI公司已有提供，這里不再贅述。

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REF5030，它能提供3.0 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(zhǔn)。如圖2所示。

圖2 A/D模塊的接口電路和校準(zhǔn)原理圖

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[5]。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，適合在工業(yè)測量方面應(yīng)用[6]。TMS320F2812的增強型局域網(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。

圖3 CAN總線模塊的配置原理圖

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[7]。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(yán)格的線性相位，而且沒有不穩(wěn)定的問題[8]。

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[9]。

本系統(tǒng)設(shè)計阻帶最小衰減都為-50 dB，通過下式:

β=0.110 2(δs-8.7)

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1，015，02，025，03，04。

當(dāng)wc=0.1時，所設(shè)計的FIR濾波器的幅頻對數(shù)特性如圖4所示。

圖4 歸一化幅頻對數(shù)特性(wc=0.1)

本系統(tǒng)可實現(xiàn)不同wc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。

圖5 含噪聲波FIR濾波效果圖

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0.4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=0.12 V，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。

圖6 去除直流偏移效果圖

圖7 程序流程圖

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(zhǔn)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0～8 B的數(shù)據(jù)[10]。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:

struct CAN_PACKAGE_BITS {

Uint16 Dst:8; Uint16 Src:8; Uint16 Cmd:8;

Uint16 Num:4; Uint16 Sum:4; Uint16 Param1:8;

Uint16 Param2:8; Uint16 Param3:8; Uint16 Param4:8; };

struct CAN_PACKAGE_WORD{

Uint16 word0; Uint16 word1;

Uint16 word2; Uint16 word3;};

union CAN_PACKAGE{

struct CAN_PACKAGE_BITS bytes;

struct CAN_PACKAGE_WORD words;};

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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