（计算机应用技术专业论文）信号融合技术及其应用.pdf

摘要 目前国内外车辆牵引性能测试中的信号传输仍然采用传统的一点一线的 信号传输方式，测控点越多则信号线就越多，这给车辆牵引性能测试带来诸多 不便，如电缆缠绕、压断。为了改进目前普遍采用的这种信号传输方式，本文 提出了一种信号融合技术，设计了信号融合、还原装置，实现了多路传感器信 号的无线传输，从而大大简化了车辆牵引性能测试中的信号电缆连接。 由于现场传感器输出信号的类型各不相同，为实现多路不同类型信号的融 合，所采用的主要关键性技术有：信号的归一化处理技术、信号叠加技术和信 号变换技术。 本文首先介绍了国内外车辆牵引性能测试的发展现状，接着提出了信号融 合技术的基本思想以及所采用的关键性技术，然后介绍了所设计系统的硬件电 路组成，其中包括以高性能、超低功耗的具有s o c ( s y s t e mo nac h i p 片上系 统) 特点的m s p 4 3 0 单片机为核心的主机系统设计，多路传感器信号的处理、 信号变换、叠加等电路的设计以及无线传输电路的设计与实现，接着论述了系 统的软件设计和实现，最后阐述了本系统的抗干扰设计及调试过程中遇到的问 题及解决方法，达到了预期的设计目标。 关键词：牵引性能测试，信号融合，m s p 4 3 0 单片机，信号变换 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h et r a n s m i s s i o no ft h es i g n a li so n e t o - o n ei nt h et e s to ft r a c t i o n p e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l e ，s ot h en u m b e ro f t h es e n s o r sd e t e r m i n e st h en u m b e ro f t h es i n g n a lw i r e w h e nt h et e s ti sp r o c e s s i n g ，t h eh o s tc o m p u t e ra n dt h es e n s o r s a r ef i x e do nd i f f e r e n tv e h i c l e ，t h et r a d i t i o n a l t r a n s m i s s i o nm a n n e rw i l lb o t h e r t h eo p e r a t i o n ，s ot h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dak i n do ft e c h n o l o g yo fs i g n a l a m a l g a m a t i o n ，a n dt h et e s ts y s t e mi sd e s i g n e d i nt h es y s t e mt h em u t i p a t hs i g n a li s t r a n s m i t t e db yo n ec a b l e ，t h et r a n s m i s s i o mi ss i m p l i f i e d b e c a u s eo ft h et y p eo fo u t p u ts i g n a ld i f f e r e sf r o mo t h e r s ，t h ea m a l g a m a t i o n o fs i g n a lu s e st h ef o l l o w i n gk e yt e c h n i q u e ：s i g n a ln o r m a l i z e dt e c h n i q u e ， s u p e r p o s i t i o nt h e o r e ma n ds i g n a lc o n v e r s i o nt e c h n i q u e i nt h ep a p e r ，t h et e s ts y s t e mo nv e h i c l et r a c t i o np e r f o r m a n c ei si n t r o d u c e d ， w h i c hi n c l u d e st h ew o r kp r i n c i p l ea n dp r o c e s s ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o n0 1 1 d e v e l o p m e n to ft h et e s ti no u rc o u n t r ya n da b r o a de t c t h e nt h ek e yt e c h n i q u ea n d d e s i g n e ds y s t e mi si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i tw h i c hi sc o n s t r u c t e d w i t hm s p 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e r ，m u l t i c e n t e rs e n s o rs i g n a ld i s p o s ec i r c u i t ， m o d u l a t ec i r c u i ta n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o nc i r c u i t 。t h e nt h es o f t w a r eo ft h es y s t e m t h a tm a t c ht h eh a r d w a r ei sd e s i g n e d a tt h ee n d ，t h ea r t i c l es e tf o r t ht h ed e s i g no f a n t i - j a m m i n ga n dt h er e s o l v e n ti n t h ep r o c e s so fd e b u g t h es y s t e mi st e s t e d ， p e r f o r m a n c ei sa l lr i g h ta n dt h ee x p e c t e dt a r g e to fd e s i g nh a sb e e nf u l f i l l e d k e yw o r d s ：v e h i c l et r a c t i o np e r f o r m a n c et e s t ，s i g n a la m a l g a m a t i o n ， m s p 4 3 0 s i n g l e - c h i p ，s i g n a lc o n v e r s i o n 山东理t 人学坝i 学位论文独创性声嚼 独创性声明 本人声明所呈交的论文赴我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，沦文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 余岛秀 时间： 如口j 年占月z ff | 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权锞留送交论文的复印件和磁高，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编7 亨+ 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 时问：如哕年乎月2 f 同 时问：乃驴，年手月2 同 芎；r 积阮 1 1 课题来源 第一章绪论 该课题来源于上海纽荷兰农业机械有限公司委托研制项目，主要内容为车 辆牵引性能测试中的信号融合传输。 1 2 问题的提出及研究意义 农用拖拉机牵引性能试验( 简称牵引试验1 是一项重要的性能试验，其测试 结果可反映出发动机性能、传动效率的优劣，发动机与底盘匹配及结构设计是 甭合理等，因此历来被人们所重视。现在不少生产厂添置了牵引试验仪器设各 进行牵引试验，用以评价、检验和指导拖拉机的设计和生产。 拖拉机的牵引性能通常用牵引力和牵引功率来表示1 2 j 。为了便于各地试验 数据的比较，o e c d ( 经济合作发展组织) 试验标准中做出了规定，即拖拉机 在作牵引试验时，必须在水平的、清洁干燥的混凝土或沥清跑道上进行1 3 l 【4 1 。 牵引性能试验装置布置如图1 1 所示，前面一台为被测车，上面装有多个传感 器( 发动机转速传感器、油耗传感器、转数传感器等) ，后面一台为负荷车，模 拟牵引负载，其上带有测试仪器。牵引试验过程中被测车和负荷车之间要用钢 丝绳进行动力连接，同时测试仪器要通过电缆与各传感器相连，尽管这种方式 简雏可靠，但在测试过程中存在许多不便：被测车和负荷车之间的距离一般大 于1 0 米，在测试过程中，若两车距离太近则会形成事故隐患，若两车距离太 图1 1汽车牵引性能测试示意图 远则测试或操作时不便于同步，且会形成信弓干扰，造成较大的测量误差15 1 ； 并且在测试过程中，连接于传感器和仪器之间的信号电缆既要保持松弛，又不 能拖地，否则，车辆在拐弯或两车速度不同时传输线极易被缠绕拉扯或损坏， 司此，在测试过程中操作者或实验人员不得不随时注意收紧电缆，以免发生电 缆的相互缠绕甚至被车轮轧断。即使如此，信号线被缠绕或被车轮轧断的事也 时有发生，这给操作和测试带来很多不便和麻烦，还经常使试验和测试结果受 山东理工大学硕士学位论义 第一章绪论 到严重影响1 6 1 ，如图1 2 所示。 图1 2牵引l 生能测试过程中电缆相互缠绕 为了解决上述问题，研究一种能将测试中的多路信号融合成一路信号传输 的车辆牵引性能测试装置，对改善测试手段、方便测试过程有着相当重要的意 义。 1 3 国内外车辆牵引性能测试现状 拖拉机的牵引特性是拖拉机的重要性能指标【”，汽车拖拉机牵引试验是对 拖拉机牵引性能进行理论研究以及对新产品作定型鉴定的最主要试验项目。随 着我国拖拉机工业的发展和技术进步，拖拉机牵引试验的设备和手段也在不断 更新【8 1 。 早期的牵引性能试验中拖拉机牵引力的测量主要使用机械指针式拉力仪， 这种仪表的最大缺点是精度低、分辨力差、寿命短，试验人员观测拉力值很不 疗便。随着设备的改进，精度较高、使用较方便的数字式拖拉机牵引拉力仪逐 渐代替了机械指针式拉力仪，能方便准确地测量拖拉机牵引力。 随着计算机技术的不断普及和发展，国产仪器的设计制造水平不断提高， 8 0 年代以来，国内先后开发出拖拉机牵引试验测试仪、汽车拖拉机性能试验 综合测试仪，几经改进和发展，这类设备已经成为当前拖拉机牵引试验的主流 仪器设备【9 】，如我校生产的c t m 系列，淄博科创电子有限公司生产的c t m 2 ， 龙口汇通电脑公司的a m 系列，中国农大东校区生产的b n j 3 等。目前，使 抖j 较普遍的是c t m 和a m 系列拖拉机综合测试仪【1 。国外生产的的牵引试验 仪器设备在某些方谣( 如精确性等) 比国内产品有独到之处，但是价格昂贵， 如日本小野测器的产品。 由于车辆性能检测中所使用的传感器( 速度、油耗、转速、牵引力传感 器等) 用途较为专一，形不成大的批量和规模，到目前为止，还未见有用于 争辆性能检测方面的智能化的总线型的或能够支持各种总线协议的商品化 的传感器，因此，在国内外的车辆性能检测中，如今绝大部分仍采用传统的 信号分线直接传输方式。信号分线直接传输方式的优点是实时性好、简单可 带、传输速度快、信号相互之间隔离好，但由于每个信号源占用一条信号线， 山东理工大学硕士学位论文 第一罩绪论 当传感器较多时，传输信号线多，因此，在进行车辆牵引性能测试时极为不 便。虽然采用串行总线方式( 如r s 一2 3 2 总线和r s 一4 2 2 4 8 5 等总线) 可以减 少信号线，但相对来说实时性较差，而且各类信号均需通信协议或下位机支 持；另外，由于无法与现有系统实现信号级的兼容，在对现有的测试仪器或 系统进行改造或升级时，系统的软、硬件都必须要随之改变，增加了复杂性、 工作量和系统成本。到目前为止，国内外还未见有采用信号融合技术实现多 路现场信号无线传输的产品。 1 4 主要研究内容 本文设计了基于信号融合技术的信号融合、还原装置，用于车辆牵引性能 测试中，以简化测试中的信号电缆连接。这里信号融合的主要作用和目的是将 安装在被测车上的多路传感器( 速度、牵引力、耗油量等传感器) 的信号，利 用变换和叠加技术将其融合为一路信号，传输到负荷车上；信号还原是将传输 到负荷车上的被融合的信号进行还原，恢复出有效的测量信号。 由于现场各个传感器输出信号的类型不一，差别较大：速度是脉冲信号， 牵引力是模拟信号，耗油量是数字编码信号，因此为了实现信号融合，应重点 研究和解决的主要技术内容如下： 一、信号的归一化变换技术：即将多个传感器输出的不同类型的原始信号 都先进行二值化处理和变换，使其统变换成一组幅值相同、具有一定宽度的 在时间上离散的随机脉冲信号序列。 二、信号叠加技术：将归一化后的信号利用线性叠加原理进行线性叠加， 将其融合为离散模拟量，得到一路离散模拟电压信号。 三、信号的变换技术：即将叠加后所得到的离散模拟电压信号变换为一路 频率信号或随机脉冲序列。 由于单片机具有体积小、效率高的优点，因此在现场测控系统中被广泛应 用，它可简化电路，提高设备的数据存储和处理能力，这在实用化、产品化时 具有很大的优势，通过第二章中方案的比较，本系统选用单片机为主控制器进 行系统的开发。融合后的信号可直接传输或利用载波进行发送，传给接收系统， 接收系统收到信号后，再进行解调和信号还原，得到多路脉冲信号，以便实现 与现有的测试仪器或系统兼容。 第二章信号融合技术及系统总体方案设计 本章主要介绍了信号融合技术原理及信号融合、还原装置的总体结构设 计和方案选择。 2 1 信号融合技术基本思想 信号融合的基本设计思想是：首先将现场的各路传感器信号进彳亍前置处 理，然后分别对其进行归一化变换，使其形成m 路幅值相等的在时间上具有 一定宽度的随机脉冲序列信号，利用线性电路理论中的信号叠加技术，将其变 换为路离散模拟信号( 一次变换) ；由于模拟信号在传送过程中易衰减和受干 扰，而传送数字信号或频率信号比传送离散模拟信号的抗干扰性要强的多，因 此对获得的离散模拟信号经二次变换将其变换为频率信号后再传送，阻提高其 抗干扰性，这样一方面有利于远距离传输，另一方面，还可直接将其作为调制 信号进行频带传输或无线传输，从而可方便实现有线传送和无线传送兼容。由 此，将多路信号经前置处理、叠加和变换后融合为路信号，大大减少了信号 传输线。实现步骤框图见图2 1 所示。 2 2 信号叠加 圈2 - 1信号融合步骤框图 由上可知，实现信号融合的关键性技术在于信号的叠加和变换，信号叠加 技术是基于线性电路理论中的叠加原理，其工作原理是：在由多个信号源组成 的线性电路中，某个元件上的作用效果等于各个信号源单独作用时在该元件上 产生的信号的代数和f ”】。由线性电路理论可知在一个具有多个支路的电路网 络中，如果各支路元件满足单一性和可叠加性关系，则该支路为一线性支路， 由其构成的电路网络称为线性网络。由此我们可以得到叠加原理的一般表述： 由其构成的电路网络称为线性网络。由此我们可以得到叠加原理的一般表述： 第二章信号融合技术及系统总体方案设计 本章主要介绍了信号融合技术原理及信号融合、还原装置的总体结构设 计和方案选择。 2 1 信号融合技术基本思想 信号融合的基本设计思想是：首先将现场的各路传感器信号进行前置处 理，然后分别对其进行归一化变换，使其形成m 路幅值相等的在时间上具有 一定宽度的随机脉冲序列信号，利用线性电路理论中的信号叠加技术，将其变 换为路离散模拟信号( 一次变换) ；由于模拟信号在传送过程中易衰减和受干 扰，而传送数字信号或频率信号比传送离散模拟信号的抗干扰性要强的多，因 此对获得的离散模拟信号经二次变换将其变换为频率信号后再传送，以提高其 抗干扰性，这样一方面有利于远距离传输，另一方面，还可直接将其作为调制 信号进行频带传输或无线传输，从而可方便实现有线传送和无线传送兼容。由 此，将多路信号经前置处理、叠加和变换后融合为一路信号，大大减少了信号 传输线。实现步骤框图见图2 - 1 所示。 传感器 归一 信号 二次 信号前 化 m 路脉 置处理 变换 冲信号 叠加 变换 呻 _ 2 2 信号叠加 闰2 - 1信号融合步骤框图 由上可知，实现信号融合的关键性技术在于信号的叠加和变换，信号叠加 技术是基于线性电路理论中的叠加原理，其工作原理是：在由多个信号源组成 的线性电路中，某个元件上的作用效果等于各个信号源单独作用时在该元件上 产生的信号的代数和 1 7 1 。由线性电路理论可知在一个具有多个支路的电路网 络中，如果各支路元件满足单一性和可叠加性关系，则该支路为一线性支路， 由其构成的电路网络称为线性网络。由此我们可以得到叠加原理的一般表述： 4 山乐理工大学硕士学位论文 第二章信号融台技术及系统总体方案设计 在任何线性网络中，任一支路电压或电流都可以看作是每个独立电源单独作用 时，在该支路产生的电压或电流的代数和。 因为线性网络的响应( 初始条件为零) 是各个独立激励的线性函数，因此， 叠加原理反映着线性网络的齐次性和可加性。于是可将多路传感器归一化信号 看做是具有多个支路的线性网络，因此利用线性叠加原理实现信号叠加的工作 原理可通过图2 2 所示电路来实现。 v 0 t 图2 2 信号叠加电路 其中s l s i 为归一化变换后的具有相同电平幅值的二值化随机脉冲序列。 设电路元件的频率响应能够完全满足输入信号的变化速率( 可通过选用高 速运放来满足) ，由于运放输入端“虚地”，因此，由线性叠加原理可知，当电 路中s l 信号单独作用时有 ，一 墨 1 一而 通过r a b 的电流为l 。= 冬， 山东理工大学硕士学位论文第二章信号融合技术及系统总体方案设计 当电路中s 2 信号单独作用时有 ，：l， r + 2 r 由分流作用s ：路单独作用时通过r a “的电流为l a 2 = 三= 争， 以此类推得：l = 争， 根据叠加原理，各路信号作用通过r 。b 的电流： h 一小i 1 而s x + 丁1 而s 2 ；志 = 去争丁s 2 + 剖= 去嚣 因为运放开环输入阻抗接近无穷大，由虚断概念得： i 。= 1 2 + 1 “ir = 下o - z o v o w = - 叶耻。彤= 嘉器 若簧= 芷，则。= k 毒争( 系统中n = 4 ) 下面以两路信号为例， 在s l 、s 2 端分别输入频率为5 0 h z 、3 0 h z 的两路 信号，在运放输出端便可得到叠加后的离散模拟量，通过示波器观察输出端产 生波形如图2 - 3 所示。该波形所对应的值与理论计算值相等，因此证明了信号 睿加的i t 确十幸 6 2 3 系统结梅 h 2i 厂 厂 厂 f s ij 厂 r r n 厂 f 号 q 阳九r 霆2 3 嫠毒叠热渡形 本文綦于信号融合技术原理，设计了信号融合、还原装置，其主鼹由两部 分缀残：嵇号驻合调裁发送部分鞫倍号臻浚簿调还驻鄢努，绪擒圈蘩溺2 - 4 辨 示。 l 拉力传感器t -传感 归 器信 信信 信号 l 速度转感器r号翦扼 调制 i 号号 交变 发送 鲎处 变 加 换 l 油耗传感器1 -理 换 信号 还原 测 接收多鼹 诫 解调信母仪 图2 - 4 系统结梅 信号融合是先将现场各传感器信号进行前_ 鬣处理，再进行归一化变换，将 7 山东理工大学硕士学位论文第二章信号融台技术及系统总体方案设计 所有传感器信号( 包括模拟量信号) 转换成多路脉冲信号，以形成多位并行信号 的状态码，然后将这些状态码作为信号叠加的输入信号，通过信号叠加和变换 将多路脉冲信号变换为一路频率信号后调制发送。信号还原是信号融合的反变 换，即将接收到的一路信号解调为一路频率信号后再还原为多路脉冲信号，送 入现有测试仪。 2 4 方案比较 完成信号的融合和还原，可采用两种方案：一种是利用集成电路器件及外 围元器件设计电路来实现；第二种方案是利用单片机丰富的片内硬件资源及软 件编程实现。 1 方案一： 1 ) 信号融合 信号融合原理框图如图2 - 5 所示。 传感器 + 归一- 信号 信号前 化 m 路脉 叠加 置处理 变换冲信号 电路 调 一路频率信号 制 v f c 发 送 图2 - 5 信号融合原理框图( 方案一) 先将现场各传感器信号进行前置处理，然后进行归一化变换，得到m 路 脉冲信号，这样在进行采样时，在采样点所得到的采样数据便可看作是m 路 传感器的随机信号状态码，将形成的m 路状态码信号送入叠加电路进行叠加， 便可得到一路与m 路传感器信号状态码有关的离散模拟电压v o ： ha v o ：k y 生 。 百2 。 其中 足转换系数，由叠加电路的基准电压确定； 疗经归一化处理的信号路数； s 第i 路输入信号的状态。 由上式可知：经叠加后所得到的离散模拟电压v o 与输入信号的路数和各路信 号的状态有关。 将离散模拟电压v o 经电压频率变换电路变换为一路频率信号，对其调制 发送即可。 山东理工大学硕士学位论文 第二章信号融台技术及系统总体方案设计 v f c 转换函数为： 厂= k v o ， 其中k 为转换系数，厂为转换后的频率。 2 ) 信号还原过程如图2 - 6 所示。 限 鉴 模数 幅 频 转换 放 器 器 大 adc 图2 - 6 信号还原原理框图( 方案一) m 路 脉冲 信号 将接收到的带有噪声的微弱信号首先经过限幅放大器进行放大，该限幅放 大器对信号进行放大的同时通过限幅除去叠加在信号中的噪声，放大器的输出 信号送入鉴频器。 鉴频器可以将输入信号的频率变化转换为变化的电压输出，其转换函数可 表示为 v o = k d ( f o 十口n 其中f o 载波信号的频率， 口卜频率偏移， k d 传输系数， v o 鉴频器输出的模拟电压，v o 在理论上等于信号融合部分信号 叠加电路输出的模拟电压信号。 将鉴频器的输出电压送入模数转换器a d c ，由a d c 恢复出多路脉冲信 号，a d c 可选用转换速度较高的a d 7 5 7 4 。 此方案的优点是系统组成为纯硬件电路，电路较简单，不足之处是v f c 易受温度影响、频率响应较慢、稳定性不好；当信号路数改变( 增加或减少时) ， 部分硬件电路及元件参数均需改变，因此系统灵活性较差。 2 方案二 此方案是利用单片机丰富的片内硬件资源及软件编程实现信号的融合与 还原。 1 ) 信号融合 此方案是基于信号叠加技术基本原理，将方案一中信号叠加和v f c 两次 变换过程用单片机编程来实现，这样做的好处是灵活性好、容易实现、处理速 9 度快。其基本思想是将传感器信号前置处理、归一化变换后得到的m ( m 8 ) 路方波信号送入单片机的m 条i o 口，由单片机定时采样，读取状态码，这 样共有2 m 种状态。可利用单片机的输出功能，对应2 ”种状态码输出2 “种频 率信号。于是多路并行信号交换成了一路信号，调制发送即可，如图2 - 7 所示。 图2 ，7 信号融合原理框图( 方案二) 2 ) 信号还原 信号还原是信号融合的反变换，此方案是先由无线数据收发芯片接收解调 出一路频率信号，再由单片机处理输出1 1 1 路脉冲信号，如图2 - 8 所示。其基本 思想是：由于在信号融合时m 路脉冲信号的不同组合对应不同的输出频率， 那么将这些输出频率存储在单片机中，在信号还原时只要测出解调后信号的频 率，就可以由单片机查表对应输出m 路脉冲信号。 m 路 脉冲 信号 图2 8 信号还原原理框图( 方案二) 实际电路可采用m s p 4 3 0 系列单片机实现测频、查表，恢复多路现场信号。 m s p 4 3 0 系列单片机有高效的奄表处理方法，有较高的处理速度，如在8 m h z 晶体驱动下，指令周期仅为1 2 51 1 8 ，因此保证了可编制出高效率的程序，且该 方案灵活性好，能满足要求处理速度快、实时性较好的场合使用。 综上所述，本课题采用方案二进行设计。 1 0 山东理工大学硕士学位论文 第二章系统硬件蹬计 3 1 系统硬件结构 第三章系统硬件设计 该系统采用模块化设计，包括传感器模块、信号融合变换及调制发送模块、 信号接收解调还原模块和l e d 显示模块等。系统主要由两大功能部分构成， 部分完成信号融合和无线发射功能，另一部分完成无线接收和信号还原功 能。每一部分做成了一块p c b 板，为方便起见这两部分分别简称为信号融合 板和信号还原板。 系统硬件结构图如图3 1 所示。 i 苎巡堡 o信 = 利l e d 显示瞧陵口i 号 i 坐竺 令处 单片= i i l l = d 无线毖时横映接口j 理舞趣驷 陌蕊岵 a ) 信号融合板结构 = i r l u zt ：, , t r 黼 l 无微收徽接口b单片机= 刮测试倪i 仁题四 3 2m c u 选型 b ) 信号还原板结构 图3 1 系统硬件结构 本系统在信号融合时要求采样频率很快，而且在采样间隔内还要求单片机 处理其他工作，如处理采样数据、响应中断等，这对啦片机提出了较高的要求。 传统的微控制器，如m c s 5 1 系列、9 6 系列、p i c 和a v r 系列等单片机， 内部集成资源少，设计相同的系统时，其外围电路相刘较多。为了尽可能提高 系统性能，简化系统设计，本系统在选型时，采用了t l 公司的m s p 4 3 0 系列 山车理工大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 单片机，该系列单片机突出的优点是低电源电压、超低功耗、多种功能，与 m c s 5 1 系列单片机相比具有明显的优势，表现在以下几个方面p u j p j j ： 1 ) m c s 5 1 单片机是8 位单片机，其指令采用的是c i s c 复杂指令集，共 有1 1 1 条指令。而m s p 4 3 0 是1 6 位的单片机，采用精简指令集( r 1 s c ) 结构， 只有2 7 条内核指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据 存储器都可参加多种运算。内核指令均为单周期指令，功能强，运行速度快。 2 ) m c s 5 1 单片机本身的电源电压是5 v ，有两种低功耗方式：待机方式 和掉电方式。正常情况下消耗的电流为2 4 m a ，在待机状态下，其耗电电流仍 为3m a ，即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2 v ，但是为了保存内部 r a m 中的数据，还需要提供约5 0 u a 的电流。而m s p 4 3 0 系列单片机供电电压 是1 8 v 3 6 v ，在低功耗方面的优越之处，更是m c s 5 1 系列不可比拟的，j e 因为如此m s p 4 3 0 系列单片机更适合应用于使用电池供电的仪器仪表中。 3 ) 在开发工具方面，m c s 5 1 系列完成程序的调试需要仿真器和编程器， 丽对如何实现在线编程方面还存在很大问题。对于m s p 4 3 0 系列而言，由于引 入了f l a s h 型程序存储器和j t a g 技术，不仅使开发工具变得简便，而且价 格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。 4 ) m c s 5 l 系列单片机由于其内部总线是8 位的，其内部功能模块基本上 都是8 位的，虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构 本身的限制很大，尤其模拟功能部件的增加更显困难。m s p 4 3 0 系列其基本架 构是1 6 位的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在8 位的总线，再加上 本身就是混合型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说，无论扩展8 位的 功能模块，还是1 6 位的功能模块都是很方便的。 5 ) m s p 4 3 0 系列单片机的外部中断数量要远远多于其它同类机型，例如， 8 9 c 5 1 系列只有两个外部中断。外部中断的增加给随机信号的处理或采用中断 ：方式的信号检测带来了极大的方便。 6 ) m s p 4 3 0 系列单片机内部有硬件乘法器，能方便执行乘法运算：另外， 在指令系统中增加了十进制加法指令，可方便汇编语言的程序设计。 7 ) m s p 4 3 0 系列单片机有程序存储器、信息存储器和数据存储器。m c s 5 1 系列单片机只有程序存储器和数据存储器。 8 ) 内部的串行通信接口u s a r t 模块带有波特率微调功能，因此，在使 用串口时无须按波特率来计算或选择晶振 3 4 1 ，这是其它m c u 所无法比拟的。 3 3m s p 4 3 0 系列单片机模块组成 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t i ) 公司近几年开发的新一代高性 l jj 东理工大学硕士学位论文第三章系统诬件设计 能、低功耗单片机。该系列采用的是冯诺依曼结构，所有的r o m 和r a m 在 州一个地址空问，使用一组地址数据线l ”】，系统的各个模块完全是独立运行 的。在运算速度方面，因其是在d s p 的基础上发展起来的，所以具有d s p 的 些优点。超低功耗的电源要求加上高速启动功能使得系统能够在同样的电源 供应下，提供更长的工作时间。m s p 4 3 0 系列单片机的中断源较多，并且可以 任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它 唤醒只需6 u s 。 本系统控制选用的m s p 4 3 0 f 1 2 2 2 是t i 公司推出的一款f l a s h 型趣低功 耗1 6 位单片机，主要有以下几个部分组成1 3 6 1 ： 1 ) m c u 内核，由1 6 位a l u 、指令控制逻辑和16 个寄存器组成。 2 ) 基础时钟模块，包括一个数控振荡器( d c o ) 和一个晶体振荡器。 3 ) 3 个8 位并行端口：p 1 p 3 ( p 2 口只有6 位) 。特别的是p 1 和p 2 均 有中断能力，每一引脚都可以独立选择中断，都可以单独选择中断触发沿、单 独允许中断，可用于对外部时间的中断处理。 4 ) 1 6 位定时器t i m e r a ，可支持多个同时进行的时序控制、多个捕获 比较功能、多种输出波形，也可以是上述功能的组合。此外，t i m e ra 还具有 4 种工作模式的1 6 位计数器，可以对每个捕获比较模块独立编程等功能。 5 ) 1 6 位看门狗定时器w d t 也可用作通用定时器。 6 ) 1 0 位的a d 转换器a d c l 0 ，具有高速、通用的特点。a d c 的主要特 性如下：最大转换速率为2 0 0 k s p s ；内装采样保持电路：可对8 个外部模拟输 入通道之一或4 个内部转换通道之一作转换：可选内部参考电平1 5 v 或2 5 v ； 可以为每个通道的正负参考电平选择内部或外部的电压源；具有单通道单次、 单通道多次、序列通道单次、序列通道多次4 种模式：每次转换之后，将转换 的结果放入对应寄存器( 缓冲器) 。 7 ) 1 个串行通信接1 3u s a r t ，支持两种不同的串行协议：通用异步协议 ( u a r t 协议) 和同步协议( s p i 协议) 。 由于选用了集成度很高的m s p 4 3 0 系列微控制器，因此本系统的整个电路 结构变得比较简单。 3 4 传感器信号的前置处理 3 4 1 拉力传感器信号的前置处理 目前的拉力传感器中以电阻应变式传感器最为普遍，如b l r 1 型拉压式 旋荷传感器。 1 电阻应变式传感器工作原理 山东理工大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 电阻应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将测量物体变形转换成电 阻变化的传感器。传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成，弹性敏感元件在 受到拉力时产生变形，从而使粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片产生应 变，电阻值随之产生相应的变化，因此，通过测量电阻应变片的电阻值的变化， 就可以确定被测量的大小了。 应变片虽然可以把应变的变化转化为电阻的变化，但是由机械应变所引起 的电阻值变化量很小，难以直接精确测量，故采用电桥电路将电阻的变化转换 成电压d 9 ，全桥电路如图3 2 所示。 d 图3 - 2 全桥测曩电路 图中u i 为i o v 直流电给电桥电路供电，四个桥臂都接有应变片，此时相 邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂的应变片承受相同应变，即有： r 】= r 2 = r 3 = r 4 = r ，r 】= r 3 ) = r ，r 2 = r 4 = a r 应变片未承受应变时，电桥处于平衡状态，电桥输出电压为0 。当承受应变时， 产生r 的变化，全桥变化不平衡电压输出u l 为 ”c 雨r 瀚r r r 一而r 瀚r rrp l 1 +l 十2+ 2 3+，+4+4 。 = ( 警一警p = 等u ， 由于输出转换后的电压信号比较微弱( 满量程15 m v ) ，所以要对其进行 放大。 2 拉力传感器信号测量电路 为了有效的抑制加在放大电路中的干扰信号，采用具有高阻抗、低噪声、 低漂移的集成运算放大器构成前置放大电路，电路如图3 - 3 所示。 l 砸j 8 黧3 3拉夯传慧器蘩溪敖大毫路 单级运放构成的放大器的输入阻抗不足够简，不能窳现与传感器离输出阻 撬的薮配，闲瑟该窀路采髑了双运款辕入奄路a 1 、a 2 提毫羧入辍撬，出于电 路对称，它们的漂移和失调都相驻抵消，再利用一级差分放大器a 3 将双端输 入转换为擎端竣出。 因为围中r 2 一r 2 ，r i = r 1 ，r 4 = r 4 电路对称，所以若在输入端加上甏 摸输入信号1 , 1 l 时，则电阻r 3 的中点犍海交流地电位，l 魄时a l 的工俘情况女n 圈3 ，4 所示。 妥3 - 4 a i 王 车精浣 嚣出参小i 2 r 2 = f 1 + 凳h 尘茎兰：盔兰翌2 ：兰兰耋耋! 。，。，。，。寡，。，。，茎耋重二垂耋：! ：! 竺警 ! ! ! 目! ! ! ! s ! ! ! ! g 自! ! ! s ! ! ! ! ! | ! ! ! s g ! ! ! e ! ! ! g g ! e 1 2 5 s 1 2 2 5 8 。2 2 一 同理，对于a 2 来说： “ 因此砘：= ( + 等卜 篇一级的电压放大倍数为： = ，+ 斟：= ( 1 + 昝 叫：，= ( t + 奢， 爿。；生、丝：1 + 堡 u r 3 a 3 是差分输入比例放大 4 n2 瓦u o = 一百r 4 所以 小圳矿一鼍( t + 百2 r 2j 根据需要对拉力传感器的输出放大7 0 倍，即a v = 7 0 ，分别取 r 2 = r 2 ；3 k ，r 3 = 1 k ， r 1 = r 1 = 1 0 k ，r 4 = r 4 = 1 0 0 k 由于测试环境的电磁干扰和传感器的影响，传感器信号经转换后的电信号 往往会含有多种频率成分的噪声信号，严重时这种噪声信号会淹没待提取的输 入信号，使测试系统无法获取被测信号。因此需要采取滤波措施，抑制杂散信 号，增加系统的信噪比。 拉力传感器的输出放大信号为低频信g - 2 1 1 ，所以选用二阶低通滤波器， 它由两节r c 滤波电路和同相比例放大电路组成。 1 ) 滤波电路及其传递函数 h鞋 r2-5 图3 - 5 二除r c 有源低通滤波器 一阶r c 有源低通滤波器的电路见图3 - 5 。为了明确其工作过程，对传递 r i 数g ( s ) 推导如f ：先将原电路变形为图3 - 6 。 。n 带 蚕3 - 6 二除r c 鸯添 爰遴滤波嚣簿效龟黪 稷嚣题翼殁犬箍辫稽淼茂苇患跫邈凝，褥翻圈甲a 、b 翠熏辫节蠢万程： 瓴+ 鼍+ 匕) 屹一写k 一如吒一y 3 k = 0 瓴+ 墨配一蔓圪= o 其中，强= v _ o ， 将其钱入黻上强式居褥： k4 ，嚣墨 霄2 露再i 疆苒丽再i 网 因为传递函数是指电路输出爨的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比，并鼹 五= 去，艺= 击，y 3 = s c l ，_ = 玛 ( 其中s = 国) a ， 所以g 蜘器= 确丽砸番鬻愁而瓣 若执3 扭t 如c l c ：一，蛾；暑+ 夏1 虿+ ( 1 一专k 三 其中称为电路中的通带截止频率，穗为阻尼系数， 账g g ) ：7 兰竺， s + a o s + ： 令置i = r 2 = rc l = c 2 = c g 。邳i 裔钿 妒t + 乏 也霹用品质因数q 表示： q = i 1 = i 虿1 ， 盛j 一疆， 还可以得如频率特性 2 ) 滤波器电路元件参数的设计与计算 对子低道滤波毫鼯串的元件静选取应檄据电潞的频举特性，由于频率特性 的形状主要取决于特性参数群( 或q ) 和蛾，所以应先根据它们的要求设计元 件参数，然后再考虑通带增菔。 二蹬r c 褒源低逶滤波器戆辐频猿连藏匿3 。7 。枣图霹超：瓣髭系数选戆 过大或过小都不合适。仃太大，当= 时，电路衰减大；口太小，当国一附 近有缀大峰毽。分褥：口= 1 4 1 4 对，电赘静特往 2 魄茂( o o 5 翳3 7 篡除r c 慑通滤波器的摄频特憾 拶粥 山东理t 大学顿 。学位论文第三章系统硬件设| 十 i i a b l 黑蹶 ：。- s 爿c 甜，= 一，。，s ，+ 丢 4 用折段近似表示： f f o l 对, z 。，g 一，= 一- 。s 丢 4 = 4 。t s 丢，即此时的幅频 特性以4 0 d b 十倍频的速度衰减，可有效的抑制高频分量。 由于牵引力为机械动作，因此信号变化速率较低，设牵引力通道的截止频 率为3 0 h z ，备参数选择如下： 令：r 1 = r 2 = r = 1 0k f 2 ，一 1 “2 万r c c ，= c z = i 蕊丽1 = o 5 3 ， 取甜。1 ，则a ，= 3 “= 2 r ，= r 。 为使集成运放的两输入端对地的电阻平衡，应使r a r f = 2 r = 2 0 k f ! ，所以 r 。= r ，= 4 0 k f ) 图3 - 8 为拉力传感器信号前置处理电路，其中u 。为拉力传感器输出电压信 。lv 。为放大滤波后的输出电压e 由前面知电压放大倍数为a 。a ，：7 0 x2 ：1 4 0 倍。 生奎些二盔兰尘兰兰i t 位论文, i t 。，。，。，。耋耋耋二茎耋垦! ! ! i 耋坠 ! ! ! g 自! g ! e ! 一! ! g ! ! ! ! ! ! - g ! e ! ! | g ! e 2 5 2 2 图3 8 拉力传感器信号前置处理电路 3 4 2 速度传感器信号处理 由于光电式转速传感器响应快，结构简单，而且具有较高的可靠性，因此 庄该课题中选用光电式转速传感器。光电式转速传感器是通过转动轴带动光孔 温或遮光齿轮，在光敏器件上获得和转动轴成正比的电脉冲信号，从而得到与 聋二速成正比的脉冲信号，此信号经放大后再输入施密特触发器整形后形成方 波。检测出单位时间内的脉冲数，即可得出汽车的速度( 即车轮的转动线速度) 。 光电式转速传感器的工作原理是将光脉冲转换为电脉冲的装置，它是利用 光波作为媒介来实现转速测量的，属于非接触式测量方法。光电式转速传感器 i 曲光源、转动调制盘、光敏元件以及有关电路组成，其原理如图3 - 9 所示。在 被测转速的转轴上固定一个调制盘，将光源发出的恒定光调制成随时间变化的 调制光。当调制盘没有遮住光源时，光源的光射到光敏元件e ，光敏元件中有 f 乜流流过，于是在输出端产生电压输出，光线每次照射到光敏元件上一次，光 敏元件就产生一个电信号脉冲，经放大器放大后记录。 2 0 调籼盘 调制盘 图3 - 9 光电式传感器原理图 其基本测量电路如图3 - 1 0 n 示。 输出 图3 1 0光电式转速传感器基本测量电路 3 4 3 油耗传感器信号处理 通用油耗传感器采用单路光电计数方式，通过对油耗传感器大量试验，发 现在发动机怠速工作状态或小流量油路抖动情况下，其汁数误差较大。其暇因 在于传感器是单路光电计数方式，不管油路里的油是向前流动还是倒流，都将 进行累加计数，而无正反判断功能，在油压脉动情况下，对计数盘的抖动无法 进行判断，而引起大量的计数误差。因此，采用了我校设计的编码计数盘，该 编码盘具有两个通道，即采用了两路光电传感器对其脉动进行判向，因而，可 以产生两路二进制编码，经过两路编码的合理排列，产生两组j f 反向流动的脉 冲编码信号，然后对其判断并作出相应的处理，这种编码计数方式完全消除了 l h 汁数盘抖动而产生的计数误差，同时，使仪器具有较高的抗干扰能力。其每 驴 山东理工大学硕士学位论文 第三孽系统惶件设计 一路测量电路原理与图3 1 0 相同。 1 g r a yc o d e 编码技术 信号的编码方式有多种，但比较常用的是二进制码和循环码，众所周知， ：进制码属于有权代码，既便于运算也便于处理，但在相邻码过渡或转换时， 易发生过渡竞争被称为过渡干扰。 在循环码中有一种代码不但相邻码间距为1 ，且可方便地转化为二进制码， 这种码被称为g r a yc o d e ，即格雷码。该码的最大特点是：相邻码间距恒为1 ， 且与码的字长无关。 下面给出十进制数与二进制码和格雷码间的编码表。见表3 1 。 表3 1 四位二进制码、格雷码编码对】立表 由此表可以看出，g r a y 码的任意相邻码间( 包括头尾码之间) ，只有一位 _ i i 同。二进制码由7 变为8 时，四位同时变化( 0 1 l l _ 1 0 0 0 ) ，而g r a y 码在 由7 变为8 时，仅有一位发生变化( 们o o _ + 1 1 0 0 ) ，因此，在相邻码过渡时， 如果最高位发生错误，二进制码引起的