月壤取样器振动取样控制系统说明

1.硬件电路

设计的月壤取样器测控系统电路主要包括四个模块：DSP28334最小系统板，主功能板，振动电机驱动模块和电源模块。在设计上，DSP28334中需要用到的引脚均在PCB板两侧引出，并通过排插固定在主功能板的上方；振动电机驱动

模块设计成两个小PCB板焊接

功能板的底面；电源模块单独分离。整个测

控电路体积小巧，可以放入小型封闭盒体中。

功能介绍：

DSP28334最小系统板：

最小系统所需的晶振、调试端口和电源发。

等，所需引脚均引出，可二次开

主功能板：

带光电耦合的直流电机驱动模块；振动信号和电机电流信号

前处理

放大模块；AD采样保护电路；光电码盘接口电路；光电测距模块；蓝牙和USB

通讯模块；2.8'TFT彩屏接口。

振动电机驱动模块：

采用LM1875功放器件，放大控制信号以驱动振动电机。

电源模块：

提供12V，+-9V，6V和5V直流电源。带拨码开关，输出可选。

2.

代码

DSP28334上调试代码，调试均通过。配合硬件电路的功能，其中：

SCI模块采用中断方式接受上位机的控制指令；AD采样采用定时器出发方式，保证采样率；彩屏显示系统实时参数；

对

DDS模块进行控制，初始化和精确产生所需频率用于振动电机控制。

3.上位机

配合DSP28334工作，向DSP发送控制指令，显示系统工作状态参数，

振动信号和电机电流信号

用于进一步分析。

1

摘要

针对

一种体积小、重量轻、功耗低的新颖的“盘蛇”月壤取样器，

设计了基于TMS320F28334控制器的取样器的测控系统。在DSP片上实现了对月壤取样器的基于信号处理的反馈控制，振动信号、电机电流信号的采样与分析，系统状态的监测，以及钻进电机、取样电机和振动电机的实时控制。控制系统实现了月壤取样器的高效振动取样和低功耗。

基于以上的取样器的工作特点和功能需求， 拟采用TMS320F28334作为

“盘蛇”月壤取样器的控制

，主要实现的功能有：

①采用

②控制

的

模块实现对取样器的钻进、收缩、取样和抛丢的控制；

DDS模块产生0～100Hz、分辨率为0.1Hz的振动信号实现对

取样头内嵌扭振电机和纵振电机的振动控制；

的A/D转换模块实现

③采用

速 ；

④通过

正交振动信号和各驱动电机电流的高

的SCI模块实现控制系统向上位机的数据和控制状态的蓝牙传

输以及上位机向控制系统的指令控制；

⑤

⑥

⑦

实现强

光电测距电路的驱动和信号

；

利用 的QEP模块实现电机转速与位置的获知；

利用28334强大的浮点运算能力对

的振动信号进行数字信号处理并

用于控制。

系统硬件设计

TMS320F28334及电源电路

硬件部分以TI公司的C2000系列32位DSP

TMS320F28334为

，

其丰富的资源可以满足本测控系统的需求。使用中，TMS320F28334外接30MHz

倍频电路工作在150MHz时钟频率。为了便于实时调试，

晶振，系统通过

外接储容量为256K×16bit的SRAM

扩展

CY7C1041。

此外，在对振动传感器进行标定时还需要对光电振幅传感器的信号进行采

集，不过因为标定就一次，在对取样器进

控时无需测量光电振幅传感器的信

号，因此在标定时可以用其它通道的ADC进行采样，故在测控系统中没有单独列出。

系统使用复位

MAX708，DSP

控制电路采用电源管理

LM1117

提供3.3V和1.8V的电压供给28334。

电机驱动及电流检测电路

取样臂伸缩电机和取样头的取样电机都选用飞思

半导体公司的5A集成

H桥驱动

MC33887进行驱动。MC33887

内置了控制逻辑、电荷泵、门

驱动电路以及低导通电阻的MOSFET输出电路，适合用于控制感性直流负载，

2

可以提供连续5A电流，并且集成了过流保护、过热保护和欠压保护电路。通过控制MC33887的四根输入线可以方便地实现电机的正反转、能耗制动及反接制动。此外MC33887还带有负载电流反馈输出功能（输出为负载电流的1/375），用于DSP的电机电流采样和反馈控制。伸缩电机、取样电机的控制和电流

电路完全相同，其中伸缩电机的控制和电流检测设计框图如图1所示。

图1伸缩电机的控制和电流检测设计框图

DSP控制信号通过电平转换

SN74ALVC164245进行电平转换后输送到

MC33887的控制引脚，DSP可以控制伸缩电机（MOTOR1）正转、反转、启停及反接制动。MC33887的负载反馈电流（伸缩电机电流）信号经过电阻进行I-V变换，再经过AD620（Gain149.4K/RG）进行放大，最后经过电路电平调整后输送给DSP的ADC口进行AD转换，其中DSP的ADC口通过两个二极管进行电压钳位保护。

取样电机的控制及电流检测电路与伸缩电机相同，故不作赘述。

取样臂位移测量电路

取样臂的位移测量是先在取样臂内侧白色的表面上以1mm为间距等间隔刻画黑色的刻度线，然后通过反射式光电传感器对黑色刻度线进行检测来实现取样臂

位移的测量，通过

电机正、反转信息以及测量的取样臂位移脉冲信号可以精

确地计算出取样臂的长度。

取样器工作环境中存在较强的背景光，严重影响位移检测的精度，为了提高

光电检测电路的

能力，本文采用通过10KHz的调制信号对发射光进行调

制，并通过窄带滤波电路进行选频输出。发光管的10KHz调制

信号由DSP

的T2

产生。窄带滤波电路选用了工作频率可高达500Hz的锁相环

LM567。

取样臂位移测量电路如图2所示。

其中D1为红外发光管，D2为红外光敏二极管，D2接收到的光信号经过LM567

进行窄带选频滤波，其中LM567的中心频率设置为10KHz，谐振频率计算如公式

（1），信号滤波带宽如公式（2）。

1

f

（1）

0

1.1RC

j 1

vi

BW1070

（2）

f0C2

当输入信号大于25mV且频率接近谐振频率时，LM567输出

，当输入信

号小于25mV或频率不在通频带内时，信号急剧衰减，输出为零。根据根据薄壳理论公式计算，分别设置R43为9.1，C43为0.01，实验证明，该电路的灵敏

度和

能力较为理想，位移测量能够达到1mm精度。

3

反馈电流进行I-V变换

AD620进行

放大

控制电机运转

MC33887

电平转换

控制信号

DSP28334

图2取样臂位移测量电路

取样勺位置检测电路

取样头的旋转取样勺与固定取样勺闭合即取满一勺样品。因为取样时取样勺埋在月壤中，因此无法使用光电传感器进行取样勺的位置检测。本文采用线性霍尔传感器实现取样勺位置的检测。

首先在旋转取样勺上面圆孔中固定安装直径为2mm的磁钢，在取样勺闭合时

的磁钢正上方固定安装H

ELL公司的线性霍尔传感器SS495A用于检测磁场强

度，当取样勺旋转偏开时，穿过霍尔传感器的磁力线骤减，霍尔传感器输出电压大幅降低，当取样勺闭合时，穿过霍尔传感器的磁力线最多，霍尔传感器输出电压值最大。霍尔传感器输出电压经过仪用放大器AD620放大，再经过电平移动后输送给同相放大器进行放大输出至DSP的ADC引脚。取样勺位置检测流程图如下图所示。

图3取样勺位置检测流程图

振动电机振动频率调制电路

振动电机在加载额定电压时，输出约200Hz的额定振动频率。通过调制电

机电源来实现振动电机振动频率的调制。当采用

调制时，电机启动和停止都

有滞后，特别是驱动信号停止后振动电机没有及立刻停止而是由于惯性而继续旋转几圈，这样当调制振动频率较高时会出现电机一直振动不停止的现象。为了克服这种现象，本设计采用具有遏制电压的正弦驱动实现振动电机在0.1～30Hz

4

电平移动

仪用放大器放大

霍尔传感器输出电压

同相放大器放大

安装霍尔传感器SS495A

输入ADC引脚

安装磁钢

内振动频率连续可调（额定振动频率除外），其中正弦波发生通过直接频率

（DirectDigitalFrequencySynthesis）

AD9851实现。

AD985X是系列化的DDS

，其中AD9851是由数据输入寄存器、频率/相位

寄存器、

高速比较器几个部分组成，具有32位相位累加器、正弦函数功能

查找表、D/A转换器以及具有特殊专利技术的低通滤波器，

时钟频率可达

180MHz，输出频率可达70MHz，分辨率为0.0372Hz。其控制有并行和串行两种方

式，本设计采用并行方式进行频率控制。AD9851

有5个输入寄存器，

来自外部数据总线的32个频率控制字、5个相位控制字、1位6倍参考时钟倍乘器使能控制、1位电源休眠功能控制和1位逻辑0。DDS通过并行方式连续送入5组8位控制字，其中前8位控制输出相位、6倍参考时钟倍频器、电源休眠和输

入方式，其余各位

32位频率控制字。DDS输出频率、参考频率及频率控制

字FSW之间满足公式（3）。

frFSW

f

o

232

（3）

振动电机振动频率调制电路框图如图4所示。本文中TMS320F28334的I/O口通过SN74ALVC164245电平变换后输出到DDS的3位控制端口和8位数据端口控制其频率发生。DDS的控制相位为0，控制频率范围为0.1～30Hz，频率分辨率为0.1Hz。

DDS输出的幅值为0～0.5V的正弦信号经过放大和电平移动后送入功率放大器LM1875进行放大输出，驱动振动电机的振动并调制其振动频率。本设计通过正弦波驱动实现了振动电机起振和停振的柔顺，通过反向遏制电压（负电压）实现振动电机的快速停振。经测试本电路可以实现调制振动电机以0.1Hz为步长，在0.1～30Hz频率范围内可靠振动。

图4振动电机振动频率调制电路框图

振动信号检测电路

振动信号通常都采用加速度传感器进 量，取样头的振动存在扭振和横

振，因此至少需要

正交加速度传感器。

模拟器件公司（ADI）的双轴加

速度传感器ADXL203和ADXL204是一种高精度、低功耗的iMEMS型双轴加速度计，输出量为与加速度成比例的模拟电压信号，既可以用于测量动态加速度，又可以实现诸如重力加速度的静态测量，因此其低频加速度测量能力很强，比较适合取样头振动信号的测量。其典型测量范围为±1.7g，可以承载3500g的极限加速度，

其下拉电流小于700A，灵敏度达到1000mV/g。该加速度传感器在-40～+125℃

范围内具有±0.3%的温度灵敏度性，±25mg的零点偏移精度，在小于60Hz的带宽下具有小于1mg的解决方案，以及优于0.1mg/℃的稳定性。其中ADXL203电

5

正弦信号

放大和电平移动

LM1875放大

控制振动电机振动

AD9851

电平转换

控制信号

DSP28334

源电压为5V，ADXL204的典型电源电压为3.3V，本文DSP的电源电压为3.3V，因此选用ADXL204用于振动信号的检测。ADXL204加速度传感器体积较小，为5mm

×5mm×2mm的LCC封装，比较适合固定安装在取样头上。

ADXL204输出幅值与所测加速度成正比的

信号，经过信号放大、相敏检

波、低通滤波，得到与加速度成比例的电压信号。其带宽是通过XOUT和YOUT引脚连接的电容CX、CY来设置的，通过外接电容实现对信号的去锯齿和消噪。-3dB带宽的计算公式为式（4），或化简为式（5）。

F3dB1/[2(32k)C(X,Y)]

(4)

5F/C(X,Y)

F3dB

(5)

ADXL204的固有噪声与带宽的关系如式（6）所示。

RMSNoise(110g/ Hz)(BW1.6)

(6)

取样器的最大振动频率为30Hz，为了后续振动信号的分析，保留3次谐波，因此振动传感器的带宽设置为100Hz，根据上式，CX和CY电容值取为0.047uf。

振动传感器的

输出信号XOUT、YOUT的后续处理电路相同，其中YOUT输出加速度

信号处理电路如图5所示。

图5加速度信号处理电路

ADXL204输出的振动信号经过电容C62滤波后通过运放U61A实现阻抗变换，经大电容实现低频交流信号传输，信号再经过运放U61B同相放大后输入到由运

放U62组成的四阶切

低通滤波器。通过滤波器仿真工具FilterLab

仿

真的低通滤波器幅频特性曲线如图6所示，当频率小于100Hz时信号幅度没有衰

6

减，当频率超过200Hz后幅值急速下降，当频率为320Hz时信号衰减到-30dB，经过信号源扫频实际测试，滤波器电路实际幅频曲线与仿真结果吻合很好。滤波后的信号再经过运放U63进行电平变换，变换成0～3V的信号送入DSP的ADC端口。

图6低通滤波器的幅频特性曲线

振幅标定电路

振动加速度传感器的信号经过消除趋势项、两次积分后可以得到取样头的振幅信号。为了对其进行标定需要测量取样头的实际振幅。对振幅信号进行标定有很多方法，为了不影响振动系统的工作，必须选择非接触式测量方法，如超声法、光电法等。其中超声测距法测量的精度为1mm左右，而实际的振幅信号小于1mm，因此超声测距法不宜使用。故采用光电法测量取样头的振幅，具体测量原理如图7所示。在取样头没有振动时（图a），红外发光管的光经过取样头反射后刚好全部覆盖红外光电接收管，当取样头振动幅度最大时，红外发光管的光经取样头反射后刚好没有覆盖红外发光管，此外因为取样头振幅较小，因此在取样头振动过程中，红外光电接收管上光通量的变化量与取样头振幅成近似反比关系，通过对光电接收管光强信号的测量可以实现加速度信号的标定。

发光管

光电接收管

光电接收管

发光管

取样头

取样头

（a）取样头初始位置

（b）取样头振动后位置

图7光电法测量取样头振幅原理示意图

光电法测量振幅的电路如图8所示。红外光电接收管D72接收到红外发光管D71的光信号，经U71放大，再经过U72电平移动（用于调零）后输出到DSP的ADC口进行模数转换。

7

图8振幅标定电路

与上位机通信电路

在DSP28334与上位机通讯方式上，

采用蓝牙/USB可选择通讯方式。蓝

牙模块使用HC-06，在上位机上使用虚拟串口COM7来实现，通讯可靠，速度快；

USB通讯则采用CH341

，上位机安装相应驱动即可实现通讯功能。两种通讯

方式均基于DSP28334的SCI通讯模块，可在硬件上通过切换开关实现选择。

系统

设计

DSP28334的固件程序通过CCS3.3编译

进行编写，其流程图如图9所示。

系统采用模块化设计流程，既能够保证DSP快速响应上位机的控制，又

本

可以保证采样速率和等时间间隔采样。

DSP28334的

系统首先完成系统和

数字电路部分的初始化。为了实

现控制系统的低功耗要求，在正常状态下，系统尽量采用中断响应设计。在控制系统运行的同时，能够随时接受来自上位机的控制命令，这一点通过片上SCI

对基于SCI通讯模块的上位机的控制指令也进行了优化设

接收中断实现。

计：当28334接收到上位机的控制指令后，28334将立即执行对月壤取样器的控

指令后，则启动片上的AD模块

制；当接收到振动

振动数据；当收

到系统参数汇报指令后，将发送控制系统的所有实时参数提供给上位机。需要强调的是，为了保证振动数据采样的正确性以及等间隔采样，在28334的AD采样模块部分，采用了定时器精确定时来触发AD采样。

取样杆的长度测量则采用外部中断

1实现，当伸缩电机正转时，取样杆

长度L+1，当伸缩电机反转时，取样杆长度L-1。程能够实时保护取样杆和电机免于损坏。

根据预设的伸缩杆工作行

8

开始

1

位机

N

伸缩电机工作中？

Y

Y

制指

正转？

Y

N

取样杆长度l+1

取样杆长度l-1

N

伸缩杆超行程？

Y

N

图9 DSP系统

流程图

扫频控制算法的流程图如图9所示。振动控制模块首先进行初始化，同时DDS模块完成校零。然后，DDS模块以0.1Hz为步距，产生振动控制信号，再经过功率放大电路进行放大后驱动振动电机。振动电机工作时，DSP28334通过加速

度传感器ADXL204

振动电机振动信号，并通过DSP片上数字信号处理找

出该位置的取样头与月壤的

频点并将该频点

。在收集了不同深度下的共

振频点之后，DSP对

频点进行拟合，计算出下一取样深度时的

频率。在

下一取样深度时，DDS产生该频率的振动信号。通过以上振动控制算法，取样器实现了月壤取样效率最大化，有效提高了取样的钻进深度和钻进效率。

9

退出中断

上传取样杆长度信息

控制伸缩电机停止

退出中断

N

指令？

N

令？ 标志为1

N

Y

是启动 指令？

Y

标志置1

伸缩电机电流信号

上传 信号

取样勺位置信号

加速度传感器Vy信号

加速度传感器Vx信号

取样电机电流信号

收到上

是控

Y

控制伸缩电机

控 样电机

控制振动频率

标志置0

系统初始化

图10扫频控制算法流程图

虚拟仪器（VirtualInstrument）编程语言Lab