梁慧群， 劉連芳

（長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院，吉林長春 130012）

0 引 言

三浮陀螺儀是在單自由度液浮積分陀螺基礎上研制的高精度陀螺。磁懸浮技術作為三浮陀螺中的關鍵支承技術之一，它的主要作用是使儀表浮子沿輸出軸定中心，使之完全脫離機械接觸，克服重浮力殘差、其它偏心負載和運動慣性力作用，有效地提高了輸出軸的定心精度，從而提高儀表精度和長期穩(wěn)定性。然而，磁懸浮的采用也引入了繞陀螺儀輸出軸的干擾力矩，即磁懸浮有害力矩。為了獲得儀表的高精度，必須使磁懸浮的有害力矩減小到最低容許的程度。磁懸浮有害力矩測試儀是開展磁懸浮各項研制工作以及批量生產(chǎn)的保障條件之一，對磁懸浮的發(fā)展及提升有著重要的現(xiàn)實意義，對推進三浮陀螺儀及其它液浮慣性器件的發(fā)展有著重要影響[1]。

DSP芯片數(shù)字處理器是一種具有特殊結構的微處理器，其內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可用來快速實現(xiàn)各種復雜的數(shù)字信號處理算法。

1 系統(tǒng)總體設計

磁懸浮有害力矩測試儀的構成主要包括:支承部件（被測元件的裝夾結構）、殼體、浮子組件（含陀螺電機、傳受感器）、浮液、磁懸浮、平衡裝置等，如圖1所示。

圖1 有害力矩測試儀組成示意圖

磁懸浮支承對浮子組件施加作用力，如果磁懸浮作用力的方向永遠通過浮子組件的旋轉軸，那么磁懸浮將不對浮子組件產(chǎn)生干擾力矩。但實際情況下，磁懸浮作用力不可能完全通過浮子組件的旋轉軸，那么在輸出軸上將產(chǎn)生干擾力矩，陀螺儀將產(chǎn)生繞輸出軸轉動，使之與殼體之間出現(xiàn)繞輸出軸的相對角位移。這時信號器就有信號輸出，其輸出為與偏轉角成比例的調幅電壓信號，該電壓輸入到殼體外部的信號檢測電路，經(jīng)過信號處理與變換，輸出一成比例的直流電流至儀表的力矩器，產(chǎn)生與電流成比例的力矩。這一力矩繞輸出軸作用在浮子組件上，在穩(wěn)態(tài)時它與浮子力矩相等，此時，力矩器的力矩即為所測的有害力矩。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

以信號調理電路、高性能的數(shù)字信號處理器（DSP）為核心的信號檢測系統(tǒng)方案對輸出信號和數(shù)據(jù)進行高精度的實時處理，當輸出軸上有干擾力矩作用時，角度傳感器對其敏感，輸出一個與角度成正比的電壓信號，對這個信號設計采集調理電路，解調出直流信號，DSP對采集來的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，將微弱信號提取出來。利用DSP的PWM產(chǎn)生兩個脈寬可調制的信號，對力矩器前的橋式開關進行控制，保證力矩器流入恒定的電流[2]。

2.1 信號調理方案設計

角度傳感器輸出的為一微弱的毫伏級信號，需要信號調理電路使信號放大到ADC能夠分辨和接受輸入的電壓范圍之內(nèi)。信號調理電路包括前置放大電路、帶通濾波電路、相敏解調電路和A/D轉換電路[3]。信號調理框圖如圖2所示。

圖2 信號調理框圖

前置放大電路采用新型精密儀表放大器INA118，它由美國B-B公司生產(chǎn)，具有精度高、功耗低、高共模抑制比（最小110 dB）、工作頻帶寬（單位增益為800 kHz）和抗干擾能力強等優(yōu)點，適合對各種微小信號進行放大，其增益可通過調節(jié)引腳1和引腳8之間接入的電阻Rg來進行改變，從1到1 000不等[4]，其放大倍數(shù)為:G=1+ 50 kΩ/Rg。

濾波電路采用美國B-B公司生產(chǎn)的通用有源濾波器UAF42，內(nèi)部集成了一個反相放大器和兩個積分器，采用狀態(tài)可調模擬結構，通過改變電路參數(shù)就可設計成滿足各種需要的高通、低通和帶通濾波器，其設計方便，使用靈活。B-B公司還提供了一個仿真設計軟件——FILTER42軟件。利用該軟件可以簡化基于UAF42的設計，方便靈活地設計各種不同類型的濾波器，只需根據(jù)電路的要求將參數(shù)輸入到此軟件中，就可以計算出元件的相應值，還可以對濾波器的輸出狀態(tài)進行仿真。

相敏檢波電路是具有鑒別調制信號相位和選頻能力的檢波電路。它可以通過鑒別調制信號相位來判別被測量變化的方向，同時它的選頻能力使測控系統(tǒng)的抗干擾能力有很大的提高，相敏檢波電路需要一個參考信號，可以用它對所需要解調的調幅信號的相位和頻率進行判斷[5]。本設計選用相敏檢波電路為精密整流型，構成全波精密相敏檢波電路，來提高儀器選擇信號、排除干擾的能力，得到實際的輸出信號。

2.2 DSP芯片選擇

文中選用TMS320F2812作為核心處理器。TMS320F2812DSP是TI公司最新推出的32位定點DSP控制器，是目前市場上最先進、功能最強大的數(shù)字信號處理器之一，它既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件處理能力和嵌入式控制功能，特別適合于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，能夠實現(xiàn)復雜的控制算法[6]。

TMS320F2812為低電壓，多電源DSP，其核心電壓為1.8 V，I/O的工作電壓為3.3 V，因此采用雙供電方式，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長器件的使用壽命，系統(tǒng)對上電順序有嚴格的要求: I/O電源要先于CPU電源上電，并且上電相差的時間不能太長，否則，將會對芯片的壽命產(chǎn)生影響，嚴重的甚至會損壞芯片。

2.3 ADC轉換單元

A/D轉換器模塊采用 TMS320F2812的ADC模塊，它是一個12位分辨率、具有流水線結構的模數(shù)轉換器。為了滿足大多數(shù)系統(tǒng)的需要，A/D轉換器ADC模塊共有16個輸入通道，可配置成兩個獨立的8通道的模塊，以便為事件處理器A和B服務。這兩個獨立的8通道模塊也可以聯(lián)成一個16通道模塊，雖然在ADC模塊中有兩個排序器和多個輸入通道，但是其內(nèi)部實際上只有一個轉換器。

為獲得高精度的轉換結果，應將連接到引腳ADCINxx的模擬量信號盡可能遠離數(shù)字電路信號線，同時注意將引腳ADCL0接地，否則，將采集不到正確的數(shù)據(jù)。此 ADC模塊需要一個3.3 V的模擬電壓，我們設計用一個獨立的3.3 V電源芯片為ADC模塊提供電源，這保證了ADC模塊的電源輸入與數(shù)字電源的隔離，減少了因數(shù)字信號的轉換產(chǎn)生的耦合干擾。

3 系統(tǒng)軟件的設計

作為磁懸浮有害力矩測試儀，由于工藝水平和制造技術的限制，提高硬件精度往往需要付出很大的代價，甚至用硬件無法實現(xiàn)。因此，當系統(tǒng)硬件方案確定之后，其軟件的設計對系統(tǒng)性能的影響是至關重要的，是系統(tǒng)能否正常工作，能否進行有效測試的核心。

本系統(tǒng)軟件設計的核心思想是在利用硬件資源的前提下，利用軟件來提高精度。利用TMS320F2812自帶的A/D轉換器件將微弱的模擬信號轉換為高位數(shù)的數(shù)字量，然后采用數(shù)字信號處理的方法，對轉換結果進行濾波去除干擾，取得高精度，并由TMS320F2812的PWM輸出一脈沖寬度可調制的方波，作為力矩器的驅動電流。因此，程序主要是信號采集程序和數(shù)據(jù)處理程序及PWM方波的輸出程序[7]，軟件設計采用模塊化設計，下面對其進行介紹。

3.1 主程序設計

主程序軟件流程如圖3所示。

首先要配置DSP的工作環(huán)境，在本系統(tǒng)中采用定時器觸發(fā)進行A/D轉換，采集前主程序先調用初始化子程序對系統(tǒng)進行初始化，采用TMS320F2812片內(nèi)集成的ADC模塊進行數(shù)據(jù)采集;當轉換完畢后，進入中斷子程序，對接收的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，同時控制輸出PWM波形。

圖3 主程序軟件流程

3.2 初始化子程序設計

初始化子程序框圖如圖4所示。

圖4 初始化子程序框圖

在初始化子程序中，主要是完成以下功能:設置內(nèi)部時鐘，CPU定時器初始化，關閉看門狗，鎖相環(huán)使能，片內(nèi)存儲器周期、工作方式，外設接口等的初始化。串行口使能，允許串行口接收中斷。對寄存器送命令字或賦初值，中斷向量表初始化，屏蔽不需要發(fā)生的中斷，對變量進行定義及初始化。對A/D采樣模塊進行初始化，包括模數(shù)轉換模塊的工作方式、通道選擇、啟動方式等的初始化。初始化完成后，子程序返回。

3.3 PWM脈寬調制模塊

脈沖寬度調制PWM是開關電源控制技術中的一種，利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制。它具有兩個顯著的優(yōu)點:一是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，不需要進行數(shù)模轉換;另一個是對噪聲抵抗能力的增強。

PWM是利用波脈沖寬度控制輸出，在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調整其占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。因其經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，以及控制方法容易實現(xiàn)，所以在測量、通信和功率控制與變換的許多領域中被廣泛應用[8]。

在本系統(tǒng)中，由TMS320F2812的PWM輸出一脈寬可調制的方波信號，此信號經(jīng)驅動后，與力矩器前橋式開關的兩個接線點相連接，來控制力矩器的電流流入方向和電流的通斷時間，力矩器的電流由恒流源提供。為了產(chǎn)生PWM信號，使用一個定時器重復按照PWM的周期來計數(shù)。用一個比較寄存器來保持調制值。定時器計數(shù)器的值不斷地與比較寄存器的值進行比較，當兩值匹配時，相關輸出產(chǎn)生從低到高（或從高到低）的變化。當?shù)诙纹ヅ洚a(chǎn)生或周期結束時，相關的引腳會產(chǎn)生另一個從高到低（或從低到高）的變化。輸出信號的變化時間由比較寄存器的值決定。這個過程在每個定時器周期按照比較寄存器不同的值重復，這樣就產(chǎn)生了PWM信號。

4 結 語

提出了基于DSP的磁懸浮有害力矩測試儀的總體設計方案，硬件電路簡單，易于實現(xiàn)。系統(tǒng)抗干擾性強，精度高，可實現(xiàn)復雜的控制算法。同時運用DSP輸出PWM對力矩器進行控制，無需進行模數(shù)轉換，參數(shù)調節(jié)靈活，為磁懸浮有害力矩研究提供一種技術途徑。

[1] 張宗美.慣性儀表磁懸浮技術[J].國外導彈期刊，1983（5）:51-57.

[2] 陳意瑤.基于ARM9的加速度計信號檢測系統(tǒng)設計[D]:[碩士學位論文].上海:上海交通大學，2007.

[3] 張建華.微弱光電信號檢測系統(tǒng)[J].光電子技術，2002，6（2）:87-89.

[4] 楊昌金，王濤.精密低功耗儀表放大器INA118及其應用[J].國外電子元器件，2006（6）:14-15.

[5] 陳是知，姜蕊輝.TMS320F2812原理與開發(fā)實踐[M].北京:中國電力出版社，2010.

[6] 李瑞.基于 TMS320F2812的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]:[碩士學位論文].北京:北京交通大學，2009.

[7] 郭濤，張英祥，陳峰.基于TMS320F2812的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].機械工程與自動化，2002（1）: 7-11.

[8] 尹熙鵬，段哲民.基于DSP的PWM型開關電源的設計[J].自動化與儀器儀表，2005（4）:30-32.