精品文檔-下載后可編輯基于DSP的磁流變阻尼器信號(hào)預(yù)處理-基礎(chǔ)電子摘要：磁流變阻尼器是一種效率高，響應(yīng)快，耗能低的智能阻尼器，在眾多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以硬件調(diào)理加軟件調(diào)理相結(jié)合的磁流變阻尼器傳感器信號(hào)預(yù)處理方案，此方案中硬件部分采用了集成開(kāi)關(guān)電容濾波器MF10，軟件部分采用了去極值遞推均值濾波并加入線性誤差補(bǔ)償算法，滿足了磁流變阻尼器控制器信號(hào)預(yù)處理的要求，亦可作為其它信號(hào)預(yù)處理的參考。

引言

磁流變阻尼器的工作原理是改變勵(lì)磁線圈中的電流從而獲得不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)，使工作腔中的磁流變液的流動(dòng)特性發(fā)生變化，從而改變阻尼力的大小。因此，控制器只要能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的驅(qū)動(dòng)電流，就能達(dá)到控制磁流變阻尼器的目的[1]。本文采用Ti公司出產(chǎn)的TMS320F2812作為整個(gè)系統(tǒng)的控制，它不僅控制輸出，而且需要從傳感器獲取采樣加速度、位移等微弱信號(hào)，由于這些信號(hào)含有各種噪聲和干擾，干擾來(lái)自于被測(cè)信號(hào)源，傳感器及調(diào)理電路，外界干擾，所以在控制策略實(shí)現(xiàn)前的信號(hào)預(yù)處理就顯得至關(guān)重要，直接關(guān)系到系統(tǒng)的控制性能。本文結(jié)合軟硬數(shù)字濾波，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)：外圍的信號(hào)調(diào)理，DSP中的數(shù)字濾波。

1.傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

首先，在調(diào)理信號(hào)的過(guò)程中，對(duì)外界的信號(hào)噪聲干擾的抑制一直是重要的功能之一，噪聲有周期和非周期之分，對(duì)于周期性噪聲，例如50Hz的功頻干擾，用硬件濾波能有效消除其影響，這里以濾波作為調(diào)理電路的，如圖1所示。

從圖中可以看出，調(diào)理電路中重要的是圖中的第二級(jí)濾波電路。濾波的好壞直接影響調(diào)理輸出的信號(hào)的效果。這里用開(kāi)關(guān)電容濾波器（SCF）來(lái)作為濾波模塊。

1.1開(kāi)關(guān)電容濾波器的原理及應(yīng)用

1972年，弗雷特提出了用開(kāi)關(guān)和電容模擬電阻的SC電路的理論即當(dāng)時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)大于信號(hào)頻率時(shí)，有CRR=1/fC其中（Cf為時(shí)鐘頻率）[2]。

圖2開(kāi)關(guān)電容模擬電阻

1.2濾波電路設(shè)計(jì)

這里采用高精度、高性能的四階MF10（NationalSemiconductor）來(lái)設(shè)計(jì)濾波電路。通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的電阻，可以改變?yōu)V波器的濾波頻率、品質(zhì)以及增益。在CLK端輸入時(shí)鐘頻率clkf，濾波器工作在以clkf/50或clkf/100為截止頻率的低通濾波器狀態(tài)，重要的是截止頻率只由外部時(shí)鐘穩(wěn)定的確定，那么就可以通過(guò)CPLD電路設(shè)定輸入時(shí)鐘頻率控制濾波器的濾波截止頻率。利用CPLD在線可編程的功能，可以方便的調(diào)整改變低通濾波截止頻率，對(duì)電路調(diào)試非常方便。

由于傳感器輸出電壓一般不會(huì)超過(guò)-10V--+10V，而MF10輸入可在10V范圍內(nèi)，輸出為-3.8+3.8V，但要求在濾波器截止頻率以下放大系數(shù)為1，所以需加分壓調(diào)理電路，使從濾波器輸出為-3.0--+3.0V。由于從濾波器出來(lái)信號(hào)的幅值在-3.0--+3.0V之間，而DSPF2812的A/D模塊的信號(hào)幅度在0~+3.0V之間，所以需要進(jìn)行線性調(diào)理。圖3a是以MF10為設(shè)計(jì)的兩通道信號(hào)調(diào)理電路。

圖3兩通道信號(hào)調(diào)理電路

2．DSP數(shù)字濾波

對(duì)于不規(guī)則隨機(jī)噪聲，可以用數(shù)字濾波的方法予以削弱。所謂數(shù)字濾波，也就是軟件濾波，通過(guò)程序設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)的加強(qiáng)和噪聲信號(hào)的削弱。常用的數(shù)字濾波有閥值濾波，限幅濾波，中值濾波，均值濾波，加權(quán)均值濾波等等。本文采用去極值遞推均值濾波，把信號(hào)放入一個(gè)內(nèi)存數(shù)組空間，長(zhǎng)度為n，每次采樣值加入數(shù)組尾，同時(shí)扔掉數(shù)組頭值，再累加，并找出極值（和），在總和中減去這兩個(gè)值，求n－2個(gè)數(shù)的均值作為濾波結(jié)果。這種方法對(duì)脈沖干擾有很好的抑制作用，且平滑度高，但對(duì)CPU計(jì)算要求比較高，不過(guò)F2812屬于高性能DSP，能勝任高速計(jì)算和控制要求。主程序在RAM中開(kāi)辟n＝6個(gè)的緩沖區(qū)，每次采樣后都要調(diào)用濾波函數(shù)。在數(shù)字濾波之前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度補(bǔ)償。由于阻尼器頻率工作在中低頻范圍，硬件調(diào)理電路工作于線性區(qū)域，故采用線性誤差補(bǔ)償法，比例系數(shù)和截距由系統(tǒng)輸入與輸出測(cè)試確定。AD精度為12位（0－4095）對(duì)應(yīng)模擬量（0－3.0V），在25MHz下ADC時(shí)鐘下轉(zhuǎn)換率為80ns。

由于F2812是32位定點(diǎn)處理器，為了提高精度，引入點(diǎn)定轉(zhuǎn)浮點(diǎn)的方法，需要在工程中加入IQMath頭文件。IQMath由高度優(yōu)化的高精度數(shù)學(xué)函數(shù)集構(gòu)成，可以用C/C++設(shè)計(jì)將浮點(diǎn)算法無(wú)縫地轉(zhuǎn)化成DSP的定點(diǎn)代碼。IQMath程序使得以類浮點(diǎn)格式編寫(xiě)定點(diǎn)程序成為可能，該程序還能處理在定點(diǎn)編程中需要額外考慮的飽和及溢出問(wèn)題。而且，IQMath程序特別適用于需要極高執(zhí)行速度和運(yùn)算精度的計(jì)算密集型實(shí)時(shí)應(yīng)用[3]。本文采用IQ16的定點(diǎn)轉(zhuǎn)浮點(diǎn)法（整數(shù)和小數(shù)部分都是16位），濾波函數(shù)如下所示：

3．結(jié)果

如圖４所示，a是磁流變阻尼器控制器系統(tǒng)中電路調(diào)理部分（共6路信號(hào)通道），整套系統(tǒng)由電流驅(qū)動(dòng)及反饋電路，調(diào)理電路和SEED的TMS320F2812開(kāi)發(fā)板（購(gòu)買），電源（購(gòu)買），PC監(jiān)控程序組成；b是在某一個(gè)時(shí)刻的測(cè)試數(shù)據(jù)（Delphi編程），此時(shí)測(cè)試輸入為1.5V上下變化，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，監(jiān)控程序顯示在1.5V左右變化,并且保證了足夠的精度。

4．結(jié)束語(yǔ)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了并實(shí)現(xiàn)了磁流變阻尼器控制器DSP外圍硬件調(diào)理電路加軟件濾波的傳感器信號(hào)預(yù)處理方案，實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)包括誤差補(bǔ)償在內(nèi)的信號(hào)預(yù)處理，完成了電路的組裝調(diào)試，測(cè)試結(jié)果顯示采樣精度高，穩(wěn)定性好，達(dá)到了工程應(yīng)用的要求。

參考文獻(xiàn):

[1].MF10datasheet/datasheet/MF10_1022553.html.[2].TMS320F2812datasheet/datasheet/TMS320F2812+_1116432.html.[3].CP