直升机自动测试中的数据采集及滤波模块的研究

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摘要:针对国内某型号直升机自动测试系统的实际应用需求,设计了基于TMS320F2812的可配置参数的实时数据采集及滤波模块。模块能够对实时数据进行FIR滤波、FFT频谱分析,实现CAN通讯。在介绍硬件系统的基础上,研究了上述算法的实现,阐述了系统根据实测信号自动调用相关滤波算法的方法,并结合实际应用进行了系统分析。结果表明,该模块满足测试系统的要求,具有良好的实用性。
关键词:自动测试系统;FIR滤波;FFT算法;CAN通讯

0 引言
    现代西方许多国家都投入了大量的人力和经费,研究制造武器装备的自动化测试系统,以提高武器装备的质量与可行性,加强作战的总体实力,适应现代战争需要。本课题研究来源于项目“某型号直升机自动测试系统的研发”。系统包括若干模块,如电源管理模块、液压系统模块、转速测量模块等。在测试过程中,常需要采集该型号直升机各个设备在给定激励信号情况下的响应,如电流、电压、温度、压力等信号。能否实现对这些信号精确的采集、恰当的数字滤波、实时的分析处理,对整个自动测量系统的分析诊断功能有很大的影响。
    本文采用TI公司的TMS320F2812芯片作为控制器,应用片内ADC模块进行数据采集,并与上位机和自动测试系统内其他模块实现CAN总线通讯。整个系统能够完成对直流信号、频率范围在100 kHz之内的周期信号的精确采样,能够准确分析出信号的特征值。由这些特征值可以确定被测对象是否具有规范中的规定的功能和性能。

1 信号采集分析系统的硬件设计
    该信号采集分析系统的总体硬件结构如图1所示。

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    TMS320F2812芯片适用需大批量数据处理的测控场合,如数据采集、工业自动化控制。系统硬件设计以该芯片为核心,利用可编程增益放大器、可编程低通模拟滤波器等器件组成的信号调理电路对信号进行调理,以使模拟信号符合ADC模块的工作范围。经调理后的信号经F2812内置的12位A/D转换模块转换为数字量,并利用DSP中断来完成数据读取。ADC采样频率由EVA事件管理器中的通用定时器设置和调整。整个硬件系统通过CAN总线与上位机通讯,实现对整个信号采集分析系统的控制,可以调整A/D采样频率的设置、调用不同的数字滤波算法、显示波形参数等。
1.1 数据采集功能模块介绍及A/D校准
    该系统采用TMS320F2812芯片自带ADC模块。该ADC模块为流水线结构,最高采样速率可达12.5 MSPS,并可实现过采样算法,而且控制A/D启动的方式很多,方便使用。但是该ADC模块存在固有偏置误差和增益误差(严重时转换结果的误差能达到280LSB,1LSB=3.0/4.95=0.73 2mV,280LSB相当于满量程的7%)。
    本系统在校准时选用ADC的2个通道A0,A1作为校准通道,分别输入已知的直流参考电压。采用TI公司的低噪声、极低漂移、高精度电压基准芯片REFS030,它能提供3.O V电压,0.1%的精确度。然后通过运放生成两路子电压1 V和2 V,分别输入A0,A1通道进行校准。如图2所示。

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    TMS320F2812芯片为定点DSP,本系统在校准程序实现方面,使用了TI公司28X系列的IQmath库,它收集了高度优化和准确的数学函数库并精确地在28X芯片上将浮点转换成固定点算法的运算代码。得到增益校准系数CalGain和偏置校准系数CalOffset后,对其他转换通道数据进行补偿。1.2 CAN总线通讯模块及参数配置的实现
    系统采用CAN总线通讯方式,抗干扰能力很强;适合在工业测量方面应用。TMS320F2812的增强型局域网控制器(eCAN)模块与现行的CAN 2.0B标准兼容。具有32个完全可配置的邮箱和时间标志特性,并可以实现高达1 Mb/s的波特率。
    采用的CAN总线收发器是TI公司的收发器SN65HVD230。原理图如图3所示。

 

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2 数字滤波
    实际测量需要解决的难点和关键问题是消除噪声和干扰对测量结果的影响。在数据采集与处理过程中采用数字滤波技术不仅能够起到降低噪声和干扰的辅助作用,而且还能减小测量误差,提高测量精度。系统在测量数据的采集与处理中采用了多种数字滤波方法,这里将详述其中的FIR滤波和FFT频谱分析,并通过应用进行系统分析。
    在经典滤波器FIR和IIR选择方面,考虑到直升机自动测试系统中要求保证相位信息,本系统采用FIR滤波器。FIR可以在幅度特性随意设计的同时保证精确严格的线性相位,而且没有不稳定的问题。
    在FIR滤波器的设计方面,采用Kaiser窗。它可以通过调整参数值来折中选择主瓣宽度和旁瓣衰减,有很大的灵活性。其他性能指标主瓣半带宽和3 dB半带与滤波器的长度有关,可通过增加滤波器长度来减小带宽。
    本系统设计阻带最小衰减都为-50 dB,通过下式:
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    得出参数β=4.551 26,同时考虑到滤波计算量,本设计选择50阶,能在一个采样周期内完成。
    为了使自动测试系统适合多种频率的信号采集,更好的滤出高频干扰。在A/D采样频率可调控的基础上,本系统设计了多种归一化截止频率的FIR低通滤波器。归一化截止频率分别为0.1,O.15,O.2,O.25,0.3,O.4。
    当ωc=O.1时,所设计的FIR滤波器的幅频对数特性如图4所示。

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    本系统可实现不同ωc值的FIR滤波器的自动调用。利用TI公司的FFT函数库对所采数据序列(1 024点)进行FFT计算,然后根据序列的幅频特性,判断出该信号的主要频段,继而调用相应的FIR滤波器进行对高频干扰信号的滤除。
    在应用中,采用2.5 kHz采样频率,采集1 024个点,采集到一段含有噪声的数据,用CCS的Gragh工具观察,如图5所示。

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    通过FFT算法计算,得到主要频段在200 Hz左右,调用归一化截止频率为O.4的FIR滤波器对其进行FIR滤波处理。经FIR滤波后的数据如图5所示,可以看到波形明显平滑。通过FFT算法还得到信号中直流分量的幅度为31,即31/256=0.12V,去除直流分量后的数据如图6所示。

 

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3 软件程序设计
    TMS320F2812芯片提供了良好的C语言开发环境,使用C语言可缩短开发周期。主程序的流程图如图7所示。
    程序中编写了多种滤波算法和不同归一化截止频率的50阶Kaiser窗FIR滤波器,上位机可通过CAN总线控制下位机选用适当的滤波器来完成参数配置(也可通过程序自动判断加载)。待这些配置完成后,启动计时器,进而启动A/D采样。
3.1 数据采集及滤波
    本系统中,ADC模块中的B0通道用来对信号进行过采样。ADC模块工作在启动/停止模式,由EVA中的定时器1的周期中断来控制采样频率。
    ADC采样数据转换结束后,系统进入中断程序。首先,ADC采样的数据经过校准后,存储到Sample_cai[]中,待采样点够1 024点之后,进行FFT计算,计算出波形的主要频段,进而调用适当的FIR滤波器,完成FIR滤除高频干扰后,再根据FFT计算结果中的直流分量,去除信号中的直流偏移,完成滤波算法。
3.2 上位机通讯
    系统通过CAN总线与上位机进行通讯。TMS320F2812的eCAN模块支持O~8 B的数据。系统设定为8 B数据传输,将其分配为目标地址、源地址、命令号、报文编号、报文总数、参数1、参数2、参数3、参数4这九部分。
    编写的结构体为:
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    本模块中,上位机地址设定为0x00,数据采集模块的地址设定为0x01。系统会根据word2的数值来配置定时器计数周期(16位),从而设定ADC模块的采样频率。同时会根据Param3的数值选用合适的滤波器。

4 结语
    针对直升机测试系统在数据采集过程中遇到的噪声干扰、脉冲干扰,设计了基于TMS320F2812的实时数据采集及滤波模块。模块实现了多种数字滤波方法、CAN总线通讯,并实现了模块根据信号特点自动调用合适滤波器进行滤波处理。在实际应用中上述硬件结构和软件功能都得到了验证,性能良好,满足要求。
 

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