基于DDS技術(shù)的電磁閥檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

摘要：為了測(cè)試電磁閩在各種工作狀態(tài)下(即在不同的輸入脈沖供電的情況下)的性能，研制了一種模擬電磁閥工作狀態(tài)的PWM脈沖電源。該電源依靠CPLD構(gòu)成數(shù)字PWM發(fā)生器，由單片機(jī)控制，具有短路保護(hù)和浪涌保護(hù)功能。系統(tǒng)軟件部分以模塊化的方式實(shí)現(xiàn)，能夠連續(xù)地輸出不同的PWM脈沖。該電源目前已成功應(yīng)用到電磁閥的生產(chǎn)企業(yè)，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，為我國(guó)電磁閥的出口做出了貢獻(xiàn)。
關(guān)鍵詞：AD9834；單片機(jī)；CPLD；占空比

    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(cè)出其質(zhì)量的優(yōu)劣值得關(guān)注研究。筆者設(shè)計(jì)的電磁閥檢測(cè)平臺(tái)是基于DDS技術(shù)與單片機(jī)相結(jié)合，同時(shí)運(yùn)用CPID技術(shù)，模擬出電磁閥在工作期間的相關(guān)參數(shù)環(huán)境，從而判斷電磁閥的好壞。
    本設(shè)計(jì)采用直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)，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(jī)和CPLD來(lái)控制完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(hào)，能產(chǎn)生可調(diào)占空比的方波信號(hào)，可調(diào)范圍達(dá)1％～99％。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    本文設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)源的系統(tǒng)框架如圖1所示。

    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(hào)，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(dá)10 A，方波低電壓可詞范圍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(jī)完成鍵盤掃描和按鍵處理，通過SPI總線對(duì)AD9831進(jìn)行控制處理，通過AD7541進(jìn)行采樣處理。系統(tǒng)中的CPLD完成對(duì)單片機(jī)的擴(kuò)展和測(cè)頻功能。單片機(jī)發(fā)出的指令通過CPLD控制DDS以完成信號(hào)的產(chǎn)生。

2 模塊電路設(shè)計(jì)
2．1 控制系統(tǒng)
    單片機(jī)控制整個(gè)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3x3矩陣鍵盤，P0口為擴(kuò)展接口，連接一塊8255芯片擴(kuò)展端口，并且同時(shí)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AD98 34的FSYNC、SCLK、SDATA端口。單片機(jī)各種數(shù)據(jù)和命令通過CPLD送出。
    單片機(jī)向CPLD寫數(shù)據(jù)時(shí)，讀信號(hào)都一直置低電平，寫信號(hào)口在上升沿時(shí)，CPLD開始讀地址，寫信號(hào)口在下降沿時(shí)，CPLD開始讀數(shù)據(jù)；單片機(jī)從CPLD讀數(shù)據(jù)時(shí)，將讀信號(hào)口一直置低電平，讀信號(hào)口在上升沿時(shí)，單片機(jī)開始讀地址，寫信號(hào)口在下降沿時(shí)，單片機(jī)開始讀數(shù)據(jù)。時(shí)序圖如圖2所示。

2．2 DDS信號(hào)產(chǎn)生單元
    DDS原理：直接數(shù)字頻率合成器(Direct DigitalSynthesizer)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(shù)，一個(gè)直接數(shù)字頻率合成器由相位累加器、加法器、波形存儲(chǔ)ROM、D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器(LPF)構(gòu)成。DDS框架圖如圖3所示。

    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(shí)鐘頻率，N為相位累加器的字長(zhǎng)，D為ROM數(shù)據(jù)位及D／A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。相位累加器在時(shí)鐘fc的控制下以步長(zhǎng)K作累加，輸出的N位二進(jìn)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(duì)波形ROM進(jìn)行尋址，波形ROM輸出D位的幅度碼S(n)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)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(hào)波形。合成的信號(hào)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(hào)，信噪比可以達(dá)到60 dB，信號(hào)的輸出頻率可以表示為：
    f0=(fc／2n)×M
    fc為DDS時(shí)鐘頻率；N為相位累加器位數(shù)；M為相位累加器步長(zhǎng)；f0為輸出頻率。
    DDS與單片機(jī)的連接方式以及自身外圍電路如圖4，圖5所示。

    DDS9834驅(qū)動(dòng)程序模塊如下：
   
   
  
2．3 模塊控制單元(CPLD)
    復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)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(gòu)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來(lái)連接單片機(jī)和DDS，單片機(jī)發(fā)出的指令通過CPLD來(lái)控制DDS芯片，同時(shí)檢測(cè)頻率為0～25kHz的信號(hào)，檢測(cè)誤差小于0．1％。
2．4 信號(hào)調(diào)理單元
    使用DDS9834所提供的互補(bǔ)輸出信號(hào)IOUTB、IOUT，從IOUTB輸出的信號(hào)是微弱的三角波電流信號(hào)，圖6中端口3接AD9834的IOUTB，將輸出三角波信號(hào)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。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案
    單片機(jī)采用C語(yǔ)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(shí)鐘初始化、端口設(shè)置、看門狗設(shè)置、開機(jī)初始化，尤其注意對(duì)DDS9834的初始化驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)置，然后等待中斷，進(jìn)入鍵盤掃描和各種按鍵的處理程序，整體流程如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    直接數(shù)字頻率合成(DDS)是DDS信號(hào)發(fā)生器的核心部分。本檢測(cè)平臺(tái)以單片機(jī)為核心，采用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種新型的低頻特性好并且可以模擬的斜坡信號(hào)，可以產(chǎn)生可調(diào)占空比的方波信號(hào)，可調(diào)范圍達(dá)1％～99％。經(jīng)過測(cè)試，該檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)源工作穩(wěn)定，并且操作方便，成本低，通過樣機(jī)的研制，測(cè)試效果較好，精度較高。