【文章內(nèi)容簡介】 原理圖濾波器種類很多，有LC的，也有RC的，又分為有源和無源的。無源的RC低通濾波器具有線路簡單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻范圍工作性能等優(yōu)點(diǎn)，并且體積較小，成本較低，所以在測振系統(tǒng)中被廣泛采用。但是，由于它的阻抗頻率特性沒有隨頻率而急劇改變的諧振性能，故選擇性欠佳。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在RC網(wǎng)絡(luò)上加上運(yùn)算放大器等有源元件，組成有源RC低通濾波器。有源RC濾波器在通帶內(nèi)不僅可以沒有衰減，還可以有一定的增益。因?yàn)槲覀儨y量的信號頻率不是很高，所以我們采用的是二階RC有源濾波器，其特點(diǎn)是簡單，易調(diào)節(jié)，其電路原理圖如圖35所示。這部分電路包括兩個(gè)部分:高通濾波和同相電壓放大。因?yàn)樵陔姾赊D(zhuǎn)換部分，當(dāng)Ri一定時(shí)，在切換增益檔時(shí)，電路直流放大倍數(shù)變化很大，輸出零點(diǎn)跳動較大，并且為了減少直流漂移影響，所以在低通濾波器后面又加了一個(gè)高通濾波器，將直流部分去掉。本設(shè)計(jì)的高通濾波器由一階RC電路和運(yùn)算放大器組成，如圖36所示：電阻R9電容C和運(yùn)算放大器構(gòu)成了一階RC高通濾波電路。圖36 高通濾波器和同相放大器原理圖同相電壓放大的作用有二，一是前面加了高通濾波電路，信號有衰減，后面要加放大電路放大。二是利用改變同相放大的增益來改變整機(jī)的增益，因?yàn)楸菴f=100pF再靈敏的檔，就得采用更小的的反饋電容，此時(shí)不但分布電容影響大，精度也不易保證，而且為了保證時(shí)間常數(shù)不變，Rf也得再相應(yīng)提高，要減小漂移，及也得相應(yīng)再提高，輸入絕緣要求也提高了，所以我們此檔Cf還用100pF，而利用改變同相放大器的增益來改變整個(gè)電路的增益。并保證輸出信號和壓電加速度傳感器的輸出信號同相位。為了適應(yīng)沖擊特性，高通濾波器中的電容C應(yīng)該選擇得比較小，而電阻R，要大一些。為了降低同相放大器對濾波器時(shí)間常數(shù)的影響，我們還是采用高輸入阻抗運(yùn)算放大器。本設(shè)計(jì)采用TL084放大器。TL084放大器為高輸入阻抗運(yùn)放，其好處為：一是TL084放大器輸入端為高阻抗輸入，供電為+15V與15V的雙端直流供電。放大器電路設(shè)計(jì)中所涉的的電阻均為普通電阻，電容均為小型常規(guī)電容，成本小性價(jià)比高。由于電路的特殊要求，如轉(zhuǎn)化電路部分輸入端為等效電荷電路路的絕緣電阻，理論上該電阻應(yīng)為無窮大，才能使儲存的電荷沒有泄露，而TL084放大器是一個(gè)高輸入阻抗放大器可滿足設(shè)計(jì)的運(yùn)放要求?？紤]到所使用的放大器為TL084，是一個(gè)雙端供電放大器，供電電壓為15V，因此穩(wěn)壓電源電路中可使用常用的穩(wěn)壓管——三端穩(wěn)壓管L7915和L7815，他們的穩(wěn)壓性能好，工作電壓要求不高，符合設(shè)計(jì)中電荷放大器的供電電壓，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合穩(wěn)壓電路穩(wěn)定直流電壓為15V，由此出發(fā)設(shè)計(jì)降壓將電路。降壓電路可使用變壓器直流進(jìn)行降壓。降壓后需進(jìn)行整流流整，這流部分電路的設(shè)計(jì)可采用橋式整流電路。由電網(wǎng)供給的交流電壓（220V，50HZ）經(jīng)電源變壓器降壓，得到股和電路需要的20V交流電壓，然后再經(jīng)過橋式整流電路整流，轉(zhuǎn)換成方向不變、大小隨時(shí)間變化的脈動電壓，再由濾波電路濾去交流部分，最終得到所需要的20V直流電壓，但是這樣的直流輸出電壓還會隨電網(wǎng)電壓的波動或負(fù)載的變動而變化，因此，應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓電路來穩(wěn)住我們所需的的直流電壓，是放大器始終處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。電源電路如圖37所示。圖37 電源電路原理圖 DSP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),而常規(guī)的電源電壓常是5V。因此需要對電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用AMS1117 。AMS1117系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計(jì)用于提供1A輸出電流且工作壓差可低至1V。在最大輸出電流時(shí)，并隨負(fù)載電流的減小而逐漸降低。%的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。AMS1117的1腳是地，2腳是輸出，3腳是輸入。輸入電壓在5V～12V之間都可以。圖38為電源濾波電容，這些濾波電容要分布在DSP的各個(gè)電源輸入腳上，作為濾波、旁路和退耦。DSP 電源引腳相對集中時(shí)可作為組處理，但其模擬電源端（VCCA）必須就近單獨(dú)并上一個(gè)以上的高性能電容到模擬地端（VSSA）。由于TMS320LF2407A具有片內(nèi)ADC部件，因此它不能看做一般的純數(shù)字DSP器件，而是一個(gè)混合電路芯片。在混合電路芯片中，為了保證模擬電路的性能，整個(gè)芯片的接地應(yīng)全部匯到模擬地處，和其它模擬電路形成模擬地，然后再通過一點(diǎn)接地法和數(shù)字地接到一起，這樣才能竟可能地降低數(shù)字電路開關(guān)噪聲對模擬電路的影響。TMS320LF2407A的模擬地和數(shù)字地應(yīng)以大面積的方式連接成一個(gè)“模擬地平面”，否則會降低ADC的性能。高性能電容是指高頻特性好且內(nèi)阻小的電容。圖38 電源濾波電容 復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位是為了保證DSP器件處于一種已知的、對內(nèi)部各部件和外部引腳安全的圖39 系統(tǒng)復(fù)位電路利于進(jìn)入運(yùn)行模式的初始狀態(tài)。復(fù)位信號有系統(tǒng)提供。復(fù)位撤銷時(shí)，DSP進(jìn)入正常工作狀態(tài)。圖39為系統(tǒng)復(fù)位電路。上電時(shí)，電容C電壓為零，這個(gè)零電壓——復(fù)位信號通過R送給DSP，產(chǎn)生復(fù)位機(jī)制。此后。，電平上升。當(dāng)電平達(dá)到DSP的“高電平1”時(shí)，復(fù)位過程結(jié)束，DSP轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。電阻R和電容C的時(shí)間常數(shù)決定復(fù)位時(shí)間。復(fù)位按鈕S設(shè)置了手動復(fù)位功能。其中，電阻R為了防止復(fù)位按鈕S接通瞬間電容放電電流過大造成不必要的損傷，起到限流作用。為了提高復(fù)位可靠性，在復(fù)位電路中增加了二極管V，使斷電時(shí)電容電荷迅速泄放。JTAG仿真接口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的14針接口，對于所有的插卡式或外置式仿真器，包括XD510\XDS510PP\XD510USB和XDS560等，均采用如圖310所示的統(tǒng)一格式。其中，EMU0和EMU1要上拉到DSP的電源上，上拉電阻一般取10k?，最小不要低于2k?。圖310 JTAG仿真電路第五腳是電源腳，應(yīng)直接連接到DSP芯片的電源上，不管電源電壓是多少 。第六腳是機(jī)械鍵位，該腳無插針，而仿真器上該腳位置也無插孔。圖311 MP/MC控制電路DSP可以工作于微處理模式或微控制器模式。為了便于調(diào)試，常設(shè)位微處理器模式；調(diào)試好以后，為了脫機(jī)運(yùn)行，要設(shè)為微控制器模式，以便于固化程序于Flash。工作模式的切換可用一個(gè)跳線來完成，如圖311所示，JP1的3腳相連為高電平，選擇微處理器模式，JP1的2腳相連為低電平，選擇微控制器模式。圖312 PLL電路鎖相環(huán)電路PLL是利用鎖相技術(shù)對輸入時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻或倍頻的電路。分頻系數(shù)和倍頻技術(shù)由SCSR1寄存器的第9～11位決定，其電路圖如圖312所示。圖313 晶振電路本文晶振利用鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊PLL中提供內(nèi)部振蕩電路，在DSP芯片的引腳XTAL1/CLKIN于XTAL2之間連接一晶體，啟動內(nèi)部振蕩器。如圖313所示。圖314 Flash燒寫電源電路VCCP為TMS320LF2407A的Flash燒寫電源輸入腳。Flash燒寫要用到+5V電源。而DSP正常工作時(shí)，VCCP應(yīng)接成低電平。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)如圖314所示的跳線。處在微控制器模式時(shí)，JP2的3腳連通，+5V電源直接加到VCCP上，可以運(yùn)行程序固化Flash；完成固化后斷電，將JP的2腳連通，此后DSP處于正常工作狀態(tài)。DSP芯片TMS320LF2407A內(nèi)置ADC模塊，具有以下特性：（1）帶內(nèi)置采樣/保持(S/H)的lO位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC。（2）多達(dá)16個(gè)的模擬輸入通道(ADClNOO～ADClNl5)。（3）自動排序的能力，一次可執(zhí)行最多16個(gè)通道的“自動轉(zhuǎn)換”，而每次要轉(zhuǎn)換的通道都可通過編程來選擇。（4）兩個(gè)獨(dú)立的最多可選擇8個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器(SEQl秘SEQ2)可以獨(dú)立工作在雙排序模式，或者級連之后工作在一個(gè)最多可選擇16個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器模式。（5）在給定的排序方式下，4個(gè)排序控制器（CHSELSEQn）決定了模擬通道轉(zhuǎn)換的順序。（6）可單獨(dú)訪問的16個(gè)結(jié)果寄存器（RESULT0～RESULT15）用來存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果。（7）可有多個(gè)觸發(fā)源啟動A/D轉(zhuǎn)換：軟件：軟件立即啟動（用SOC SEQn 位）；EVA和EVB：事件管理器A或B；外部：ADC SOC 引腳。（8）靈活的中斷控制，允許在每一個(gè)或每隔一個(gè)序列的結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷請求。（9）排序器可工作在啟動/停止模式，允許多個(gè)按時(shí)間排序的觸發(fā)源同步轉(zhuǎn)換。（10）采樣和保持的窗口有單獨(dú)的預(yù)定標(biāo)控制。（11）內(nèi)置校驗(yàn)?zāi)Ｊ?。?2）內(nèi)置自測試模式。本設(shè)計(jì)采用TMS320LF2407A內(nèi)置的ADC模塊，減少了外部A/D轉(zhuǎn)換電路。圖315 串行通信電路2407A片上有一個(gè)串行通信接口(SCI。SCI的接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每一個(gè)都有它單獨(dú)的使能和中斷標(biāo)志位。兩者可以單獨(dú)工作，或者在全雙工方式下同時(shí)工作。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，SCI會對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。如間斷測試奇偶性、超限和幀錯(cuò)誤測試等。SCI的兩個(gè)外部引腳SCITXD(數(shù)據(jù)發(fā)送端)和SCIRXD(數(shù)據(jù)接收端)在不用來通訊時(shí)可作普通的I／0。SCI有一個(gè)16位的波特率選擇寄存器。SCl支持CPU與其它使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通訊。通過RS一232接13可以方便地在DSP與PC機(jī)之間進(jìn)行異步通信。由于PC機(jī)的RS一232C電平與DSP的TTL電平不一致，就必須在兩者之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。本系統(tǒng)采用1片MAX232就可實(shí)現(xiàn)兩者間的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片功耗低，集成度高，+5V供電，具有兩個(gè)接收和發(fā)送通道。由于2407A采用+．所以在MAX232與2407A之間必須加電平轉(zhuǎn)換電路。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了一個(gè)二極管(1N4007)和三個(gè)電阻進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。整個(gè)接口電路簡單，可靠性高。如圖315所示。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化、DSP主程序、上位機(jī)設(shè)計(jì)以及特殊狀況(如溢出、掉電等)處理?？傮w上由兩部分組成：一部分為DSP程序設(shè)計(jì)，一部分為上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。 DSP系統(tǒng)流程如圖41所示。圖41 系統(tǒng)流程圖 DSP程序設(shè)計(jì)TMS320LF2407A是基于C2000平臺的．提供兩種編程語言：C／C++語言或匯編語言。其中，c語言編寫的程序可讀性、可移植性強(qiáng)且大大縮短了開發(fā)周期，但執(zhí)行效率低，程序出錯(cuò)時(shí)不易診斷。匯編語言程序效率高，但編寫比較煩瑣。通常做法是程序核心部分(即經(jīng)常調(diào)用部分)采用匯編語言編寫，以提高整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行效率。對實(shí)時(shí)性要求不高的部分采用c語言編寫以降低程序的復(fù)雜度，提高程序的可讀性和可修改性。本文采用C語言和匯編語言混合編寫的多文件結(jié)構(gòu)．主要包括主程序、讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的中斷程序及串行通信程序設(shè)計(jì)。主程序包括DSP系統(tǒng)初始化，當(dāng)XINTl引腳上的信號由高到低跳變，DSP進(jìn)人中斷，執(zhí)行讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的程序。2407A串行通信的軟件設(shè)計(jì)可以采用查詢和中斷兩種不同的方式，其中查詢方式采集會占用大量CPU資源，嚴(yán)重影響DSP的利用率。本設(shè)計(jì)采用中斷方，當(dāng)串行口產(chǎn)生中斷時(shí)，DSP就執(zhí)行相應(yīng)的串口中斷服務(wù)。這種方式相對于查詢方式大大提高了CPU的利用率，滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。2407A內(nèi)部有看門狗(WD)定時(shí)器，能夠監(jiān)視軟件和硬件的運(yùn)行。在CPU混亂時(shí)完成系統(tǒng)的復(fù)位功能，有效地防止程序跑飛，提高CPU的可靠性，保證了系統(tǒng)的完整性 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)圖42 ADC轉(zhuǎn)換流程圖TMS320LF2407A片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC在設(shè)計(jì)上具有很強(qiáng)的靈活性，其內(nèi)部具有多達(dá)16個(gè)的模擬輸入通道(ADCIN0—ADCINl5)和4個(gè)不同的中斷觸發(fā)方式，以及靈活的中斷控制方式。LF2407A的ADC模塊的工作方式分為連續(xù)的自動排序模式和啟動/停止兩種。在這兩種工作方式下，ADC模塊都能夠以序列轉(zhuǎn)換進(jìn)行自動排序，可通過模擬輸入通道的多路選擇器來選擇要轉(zhuǎn)換的通道，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值結(jié)果保存在該通道相應(yīng)的結(jié)果寄存器(RESULTn)中，而且用戶可以對同一個(gè)通道進(jìn)行多次采樣，即對某一通道實(shí)行“過采樣”，這樣得到的采樣結(jié)果比傳統(tǒng)的采樣結(jié)果分辨率高。該設(shè)計(jì)中我們所采用的是連續(xù)的自動排序工作方式。A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖42所示。見附錄1 FIR濾波器設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)需要A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源采用周期中斷標(biāo)志觸發(fā)。在使用ADC模塊前，需要在校準(zhǔn)模式下對其進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)模式可以計(jì)算ADC模塊的零，中點(diǎn)和最大值時(shí)的偏移誤差．該偏移誤差值的二進(jìn)制補(bǔ)碼被保存在CALIBRTION寄存器，為了得到精確的結(jié)果，校準(zhǔn)操作必須作兩次，即在保證已經(jīng)完成第一個(gè)校準(zhǔn)操作后，應(yīng)當(dāng)立即啟動第二個(gè)校準(zhǔn)操作．在轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC硬件自動將偏移誤差加到轉(zhuǎn)換值上。TMS320LF2407A定點(diǎn)DSP芯片所提供的單周期乘/，分為B0，B1和B2三塊．其中B0塊(256字)可以用軟件編程為數(shù)據(jù)區(qū)(CLRC CNF)或程序區(qū)(SETCCNF)，執(zhí)行SETC CNF后，B0塊映射到程序區(qū)的FF00H—FFFFH．采用高效的MACD指令，必須用片內(nèi)RAM，其中B0塊必須配置為程序區(qū)。采用MACD指令結(jié)合RPT指令就可以實(shí)現(xiàn)單周期的濾波樣值計(jì)算：RPT N一1MACD (程序地址)，(數(shù)據(jù)地址)其中，指令“RPT N—l”將立即數(shù)N—l裝入到重復(fù)計(jì)數(shù)器，使下一條指令重復(fù)執(zhí)行N次。MACD指令實(shí)現(xiàn)下列功能：(1)將程序存儲器地址裝入到程序計(jì)數(shù)器。(2)將存人數(shù)據(jù)區(qū)(B1塊)的數(shù)據(jù)乘以程序區(qū)(BO塊)的數(shù)據(jù)。(3)將上次的乘積加到累加器。(4)移動數(shù)據(jù)，將B1塊中數(shù)據(jù)向高地址移動一個(gè)地址。(5)每次累加后，程序計(jì)數(shù)器加1，指向下一個(gè)單位脈沖響應(yīng)樣值。為了使用MACD指令，輸入樣值x（n）和濾波器系數(shù)h（n）必須合理地進(jìn)行存放。下面是實(shí)現(xiàn)FIR濾波方程的部分匯編程序．；N階F1R濾波的LF2407A匯編程序；y(n)=x(n一(N一1))h(