丁高林，鄭 賓，于 博，鄭桂隆

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西太原 030051）

0 引言

智能結(jié)構(gòu)是指在基本結(jié)構(gòu)中使用壓電材料作為傳感和驅(qū)動(dòng)元件的新型結(jié)構(gòu)，具有集傳感和驅(qū)動(dòng)于一體的優(yōu)越特性。本設(shè)計(jì)中智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：結(jié)構(gòu)材料，傳感器壓電陶瓷PZT，驅(qū)動(dòng)器壓電聚合物PVDF和控制系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皩?shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立

圖1 智能梁結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)壓電智能梁的力學(xué)模型及傳感/驅(qū)動(dòng)器位置優(yōu)化理論，采用壓電陶瓷PZT-5作為驅(qū)動(dòng)器分別與1 mm、2 mm厚的鋼等截面梁形成智能單元，采用應(yīng)變片作為傳感器，建立智能梁振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖1所示。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

整個(gè)壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的組成如圖2所示。其基本工作原理如下：振動(dòng)控制對(duì)象結(jié)構(gòu)上按一定規(guī)則粘貼或者嵌入有一定數(shù)量的壓電片，其中一部分作為傳感器?？刂茖?duì)象振動(dòng)時(shí)，壓電片等將各被測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)，電荷放大器則將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為反映振動(dòng)大小的電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，進(jìn)入多路A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成適于DSP處理的數(shù)字信號(hào)，DSP根據(jù)相應(yīng)的控制方法進(jìn)行快速處理，得到的控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，經(jīng)濾波及功率放大器后驅(qū)動(dòng)壓電片進(jìn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng)控制，經(jīng)A/D采樣的數(shù)據(jù)通過TMS320F2812 CAN模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖2 振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

3 控制系統(tǒng)

在圖2虛線框所示的基于DSP的控制單元中，選用了TI公司的高性能32位數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812，其內(nèi)部時(shí)鐘最高達(dá)150 MHz時(shí)，指令周期僅為6.67 ns，其片上還集成有多路A/D模塊。這些都為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的振動(dòng)控制算法提供了良好的條件。作為驅(qū)動(dòng)部分的D/A模塊則采用BURR—BROWN公司的DAC7724。在TMS320F2812與DAC7724之間，則采用一片ALTERA公司的EPM240T100C5N芯片來作為兩者之間控制信號(hào)的口。

3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)傳感部分中所采用的電荷放大器的輸出電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，得到符合TMS320F2812的A/D輸入要求的0～3 V間的電壓信號(hào)。

TMS320F2812片內(nèi)的A/D模塊包括12位ADC核，內(nèi)置雙采樣保持器，16個(gè)通道。在實(shí)際應(yīng)用中，為提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，在電路板制作時(shí)，A/D模塊應(yīng)盡量遠(yuǎn)離數(shù)字電路，以避免數(shù)字脈沖干擾。為了獲得精確的采樣數(shù)據(jù)對(duì)同一通道進(jìn)行多次采樣，從而實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的過采樣，在過采樣模式下可以有效的提高轉(zhuǎn)換的精度。

控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分所采用的D/A模塊是DAC7724。其為4通道。12位分辨率10V信號(hào)量程，建立時(shí)間10 μs，15 V供電的低功耗D/A轉(zhuǎn)換器。它內(nèi)部有2級(jí)鎖存。先將數(shù)據(jù)鎖存到緩沖器中，然后再鎖存到輸出寄存器，實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)輸出。

控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分電路圖見圖2，TMS320F2812通過CPLD來實(shí)現(xiàn)對(duì)DAC7724輸出的控制。DAC7724接入CPLD作為被控制信號(hào)的有4個(gè)引腳：A1，AO，CS，LDAC。A1，AO主要用于區(qū)分4個(gè)D/A通道，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下A1A0=00：通道A；A1A0=01：通道B；A1A0=10：通道C；A1A0=11：通道D。CS是片選信號(hào)，LDAC是加載DAC輸入數(shù)據(jù)，均為低電平有效。

圖3 控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分電路

如圖3所示TMS320F2812的12根數(shù)據(jù)線D0-D11與DAC7724的12根數(shù)據(jù)線直接相連，2根地址線A0、A1與DAC7724的A0、A1，低地址線A0、A1編碼來選擇DAC7724的4個(gè)輸出通道。根據(jù)TMS320F2812的存儲(chǔ)器映像，XZCX0AND1（低電平有效）對(duì)應(yīng)著外部存儲(chǔ)器0x002000-0x005FFF 16K×16的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，通過對(duì)A7、A8、A9、A10這四根地址線的譯碼可將DAC7724的四個(gè)輸出通道映射到0x005500-0x005503地址處，由于EPM240T100C5N芯片可以通過VHDL語(yǔ)言編程來選擇譯碼功能，在TMS320F2812向外尋址0x005500-0x005503時(shí)，使得DAC7724的片選信號(hào)CS（低電平有效）使能，同時(shí)使能DAC7724的LDAC（低電平有效）來控制加載數(shù)據(jù)的輸出。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件程序流程圖如圖4所示。 首先程序先進(jìn)行初始化工作，關(guān)中斷，配置中斷矢量表，初始化A/D模塊，配置D/A通道地址，初始化CAN模塊與上位機(jī)通信。本設(shè)計(jì)中采用Q格式，Q格式處理方法是為了提高DSP的運(yùn)算速度，500 kHz采樣頻率，及時(shí)DAC發(fā)送，同時(shí)采樣數(shù)據(jù)通過CAN通訊送往上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

A/D中斷服務(wù)子程序，主要是對(duì)A/D采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理后運(yùn)算得到結(jié)果送往DAC通道對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。并且通過CAN總線把采集到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，起到良好的監(jiān)控作用。

子程序代碼如下：

interrupt void ad(void)

{

PieCtrl.PIEACK.all = 2;

Ad_data0= AdcRegs.RESULT0;

if(tongdao ＞= 0)

{

if(tongdao ＜= 3) /* 通道范圍 */

{

tongdao_flag[0]= 1; /* 通道標(biāo)志 */

// xishu = Ad_data*2048/10+2048;//0.003ms 處 理一個(gè)點(diǎn)//538

xishu2=Ad_data0*2048;

xishu3=_IQ21mpyI32(xishu1,xishu2);

xishu=_IQ21int(xishu3)+2048;

*DA_PORT0 = xishu;

// da_run();

*DA_OUT = 0;

}

}

}

圖4 控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖

4 系統(tǒng)模型硬件電路搭建與仿真

為了驗(yàn)證系統(tǒng)方案可行性，需要搭建硬件電路進(jìn)行驗(yàn)證，準(zhǔn)備設(shè)備有信號(hào)發(fā)生器、兩通道以上的示波器、2812開發(fā)板、SEED-510PLUS仿真器、±15 V電源、導(dǎo)線若干。硬件電路搭好后，信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)設(shè)置1 kHz、Vp-p（1V）、偏移（0.5 V）的正弦波信號(hào)，這樣信號(hào)的電壓值在（0～1 V）之間變化符合2812的A/D電壓輸入范圍，信號(hào)發(fā)生器與2812的一路A/D相連后也要連上示波器一邊觀察波形，2812的一路D/A連接另一路示波器通道，待各設(shè)備通電后，運(yùn)行2812的程序可以觀察示波器兩路波形，如圖5所示。

圖5 兩路信號(hào)波形

如圖5所示結(jié)果A/D采集的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)示波器2號(hào)通道藍(lán)色波形，D/A輸出通道對(duì)應(yīng)示波器3號(hào)通道紅色波形，通過兩路波形的比較可以看出A/D采集的數(shù)據(jù)通過算法處理后可以及時(shí)通過D/A發(fā)出去，且失真小，達(dá)到了我們所期望的良好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、觀測(cè)與控制的作用。

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