基于DDS技術的電磁閥檢測平臺的設計

丁 磊，周鳳星

（武漢科技大學 故障診斷及檢測實驗室，湖北 武漢 430081）

汽車電磁閥在汽車工業(yè)生產(chǎn)中需求量極大，模擬電磁閥工作環(huán)境，從而檢測出其質量的優(yōu)劣值得關注研究。筆者設計的電磁閥檢測平臺是基于DDS技術與單片機相結合，同時運用CPLD技術，模擬出電磁閥在工作期間的相關參數(shù)環(huán)境，從而判斷電磁閥的好壞。

本設計采用直接數(shù)字合成（DDS）[1]技術，采用專用集成芯片AD9834作為三角波產(chǎn)生模塊，利用51單片機和CPLD[2]來控制完成整個系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)輸出的三角波低頻特性好并且可以模擬斜坡信號，能產(chǎn)生可調(diào)占空比的方波信號，可調(diào)范圍達1%～99%。

1 系統(tǒng)設計方案

本文設計的數(shù)字信號源的系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

本系統(tǒng)產(chǎn)生輸出頻率為0～25 kHz，最小精度為1 Hz的信號，占空比在0～100%范圍內(nèi)可調(diào)，變化周期為10 s的整數(shù)倍。系統(tǒng)輸出電壓VOUT范圍0～40 V，最小精度0.01 V，輸出電流最大可達10 A，方波低電壓可調(diào)范圍0～10 V，并且波形較好，可以連續(xù)變化，誤差不超過1%。

單片機完成鍵盤掃描和按鍵處理，通過SPI總線對AD9831進行控制處理，通過AD7541進行采樣處理。系統(tǒng)中的CPLD完成對單片機的擴展和測頻功能。單片機發(fā)出的指令通過CPLD控制DDS以完成信號的產(chǎn)生。

2 模塊電路設計

2.1 控制系統(tǒng)

單片機控制整個系統(tǒng)工作，采用 12 MHz晶振，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5 接一塊 3×3 矩陣鍵盤 ，P0 口為擴展接口，連接一塊8255芯片擴展端口，并且同時連接LCD的DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7 數(shù) 據(jù) 控 制 端 口 。P2.3、P2.4、P2.5 分 別 接 AD9834 的 FSYNC、SCLK、SDATA 端口。單片機各種數(shù)據(jù)和命令通過CPLD送出。

單片機向CPLD寫數(shù)據(jù)時，讀信號都一直置低電平，寫信號口在上升沿時，CPLD開始讀地址，寫信號口在下降沿時，CPLD開始讀數(shù)據(jù)；單片機從CPLD讀數(shù)據(jù)時，將讀信號口一直置低電平，讀信號口在上升沿時，單片機開始讀地址，寫信號口在下降沿時，單片機開始讀數(shù)據(jù)。時序圖如圖2所示。

圖2 單片機讀取數(shù)據(jù)Fig.2 Reading the data by Microcontroller

2.2 DDS信號產(chǎn)生單元

DDS原理：直接數(shù)字頻率合成器 （Direct Digital Synthesizer）[3]是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術，一個直接數(shù)字頻率合成器由相位累加器、加法器、波形存儲ROM、D/A轉換器和低通濾波器 （LPF）構成。DDS框架圖如圖3所示。

圖3 DDS信號發(fā)生原理圖Fig.3 Schematic diagram of DDS signal happening

其中K為頻率控制字，P為相位控制字，W為波形控制字，fc為參考時鐘頻率，N為相位累加器的字長，D為ROM數(shù)據(jù)位及D/A轉換器的字長。相位累加器在時鐘fc的控制下以步長K作累加，輸出的N位二進制碼與相位控制字P波形控制字W相加后作為波形ROM的地址，對波形ROM進行尋址，波形ROM輸出D位的幅度碼S（n）經(jīng)D/A轉換器變成階梯波S（t），再經(jīng)過低通濾波器平滑后就可以得到合成的信號波形。合成的信號波形形狀取決于波形ROM中存放大幅度碼，因此用DDS可以產(chǎn)生任意波形。使用50 MHz的晶振理論上DDS可以產(chǎn)生15 MHz左右的失真度小于1%的正弦信號[4]，信噪比可以達到60 dB，信號的輸出頻率可以表示為：

f0=（fc/2n）×M

fC為DDS時鐘頻率；N為相位累加器位數(shù)；M為相位累加器步長；f0為輸出頻率。

DDS與單片機的連接方式以及自身外圍電路如圖4，圖5所示。

圖4 單片機與DDS連接圖Fig.4 Connection diagram between microcontroller and DDS

DDS9834驅動程序模塊如下：

void write_word（uint word）

{

uchar i=0；

SCLK=1；

圖5 DDS外圍電路Fig.5 DDS peripheral circuit

FSYNC=0；

for（i=0； i<16； i++）

{

if（word&0x8000）

SDATA=1；

else

SDATA=0；

SCLK=0；

SCLK=1；

word<<=1；

}

FSYNC=1；

}

ulong send_fre（ulong freq）

{

ulong water；

water=268435456.0*freq/30000000；

return（water）；

}

void set_freq（ulong Freq_value）

{

ulong value1，value2；

uint LSB_D，MSB_D；

value1=Freq_value；

value2=Freq_value；

LSB_D=（value1%0x4000）+0x4000；

MSB_D=（value2/0x4000）+0x4000；

“Fish vie to swim upstream, in early summer less rain.

write_word（LSB_D）；

write_word（MSB_D）；

}

void AD9834（uint freq2）

{

uint j，freq3；

freq3=freq2；

FSYNC=1；

SDATA=0；

write_word（0x21C2）；

set_freq（send_fre（freq3））；

write_word（0xC000）；

write_word（0x2002）；

for（j=0；j<100；j++） ；

SCLK=1；

FSYNC=1；

SDATA=0；

}

2.3 模塊控制單元（CPLD）

復雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）[5]，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結構復雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍，是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構造邏輯功能的數(shù)字集成電路。本系統(tǒng)中，采用Altera公司的EPM3128[6]來連接單片機和DDS，單片機發(fā)出的指令通過CPLD來控制DDS芯片，同時檢測頻率為0～25 kHz的信號，檢測誤差小于 0.1%[7]。

2.4 信號調(diào)理單元

使用DDS9834所提供的互補輸出信號IOUTB、IOUT，從IOUTB輸出的信號是微弱的三角波電流信號，圖6中端口3接AD9834的IOUTB，將輸出三角波信號放大，圖7的端口2接圖6的端口6，圖7的端口3接AD7541輸出的平穩(wěn)電壓，經(jīng)過比較，得出平穩(wěn)的方波[8-9]。

圖6 放大電路Fig.6 Amplifying circuit

圖7 比較電路Fig.7 Comparative circuit

3 系統(tǒng)軟件設計方案

單片機采用C語言編程，在執(zhí)行指令之前首先要完成各種初始化工作。其中包括時鐘初始化、端口設置、看門狗設置、開機初始化，尤其注意對DDS9834的初始化驅動程序的設置，然后等待中斷，進入鍵盤掃描和各種按鍵的處理程序[10]，整體流程如圖8所示。

4 結束語

直接數(shù)字頻率合成（DDS）是DDS信號發(fā)生器的核心部分。本檢測平臺以單片機為核心，采用DDS技術實現(xiàn)了一種新型的低頻特性好并且可以模擬的斜坡信號，可以產(chǎn)生可調(diào)占空比的方波信號，可調(diào)范圍達1%～99%。經(jīng)過測試，該檢測系統(tǒng)平臺可以實現(xiàn)信號源工作穩(wěn)定，并且操作方便，成本低，通過樣機的研制，測試效果較好，精度較高。

圖8 系統(tǒng)流程圖Fig.8 Flow chart of system

[1]Kolen P T.Self-calibration compensation technique for microcontroller-based sensor arrays[J].IEEE Transactions On Instrumentation and Measurement.1994，43（4）：620-623.

[2]Ahuja V.Analyses of transient event in complex value and feed systems[J].AIAA，2005：45-49.

[3]劉建成，鄒應全，行鴻彥.基于DDS9834函數(shù)發(fā)生器的設計[J].元器件與應用，2007（2）：8-10.LIU Jian-cheng，ZOU Ying-quan，HANG Hong-yan.Based on the design of DDS9834 function generator[J].Components and application，2007（2）：8-10.

[4]徐偉，周杏鵬.基于AD9834的高性價比型號發(fā)生器的設計[J].儀器儀表與分析檢測，2008（1）：6-8.XUWei，ZHOUXing-peng.BasedonAD9834highperformanceto-price ratio model generator design[J].Instrumentation and Assay，2008（1）：6-8.

[5]徐正平，翟林培，田雅男，等.基于DDS技術的高頻正弦波信號發(fā)生器的設計[J].單片機開發(fā)與應用，2009（2）：69-76.XU Zheng-ping，QU Lin-pei，TIAN Ya-nan，et al.Design of high frequency sine signal generator based on DDS[J].SCM Development and Application，2009（2）：69-76.

[6]周鵬.基于AD9851的多功能信號發(fā)生器的設計[J].電子元器件應用，2009（9）：8-14.ZHOU Peng，AD9851 multifunctional signal generator based on the design[J].Electronic Components Application，2009（9）：8-14.

[7]李季.信號發(fā)生器發(fā)展淺析[J].電子產(chǎn)品世界，2004，34（4）：65-67.LI Ji.Signal generator development analysed[J].Electronics World，2004，34（4）：65-67.

[8]鄭毅.一種高精度直接數(shù)字式頻率源的研制[D].武漢：武漢理工大學，2001.

[9]李凱.基于DDS技術的函數(shù)發(fā)生器設計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術，2009，5（9）：2515-2517.LI Kai.Based on DDS technology function generator design and implementation[J].Computer Knowledge and Technology，2009，5（9）：2515-2517.