基于TMS320F2812的汽車(chē)內部噪聲主動(dòng)智能控制系統

噪聲主動(dòng)控制基本思想是由德國物理學(xué)家Paul Lueg于1936年發(fā)明“電子消聲器”時(shí)首次提出的。噪聲主動(dòng)控制技術(shù)相對傳統的被動(dòng)控制，具有對中、低頻段噪聲控制效果明顯、系統輕巧、實(shí)時(shí)性強等優(yōu)點(diǎn)，具有潛在的工程應用價(jià)值。

噪聲控制為實(shí)時(shí)控制，需要較大的計算量，普通的單片機難以實(shí)現。20世紀80年代，數字信號處理（DSP）芯片的問(wèn)世為信號的實(shí)時(shí)控制開(kāi)辟了廣闊的發(fā)展空間。隨著(zhù)芯片技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，DSP已成為現代智能控制器的核心部件。

本文采用DSP芯片TMS320F2812設計了既可以脫機獨立自主運行又可以通過(guò)USB接口在線(xiàn)仿真的智能控制器，并以該控制器為核心設計了汽車(chē)內部噪聲主動(dòng)智能控制系統。

智能控制系統的電路設計

1 設計過(guò)程及系統框圖

汽車(chē)內部噪聲智能控制系統的設計過(guò)程如圖1所示。

圖1 DSP智能控制器硬件設計流程圖

在器件選型時(shí)，要考慮器件之間的相互匹配性，以及器件的供貨能力和技術(shù)支持等。本設計選用的DSP芯片TMS320F2812性能如下：采用高性能的靜態(tài)CMOS低功耗設計技術(shù)，主頻高達150MIPS（時(shí)鐘周期6.67ns），支持JTAG邊界掃描接口；高效32位高精度CPU；并有最多可達128K×16的FLASH存儲器等。
電路板的設計需要傳輸線(xiàn)理論知識以及布線(xiàn)工藝和系統結構設計知識，以保證信號的完整性，另外著(zhù)重考慮電磁干擾和電磁兼容性問(wèn)題。

如圖2所示，智能控制器主要由模擬電路部分（包括數字信號采集電路和輸出信號處理電路）、DSP子系統（包括DSP芯片及外圍電路）、電源、時(shí)鐘及復位電路等構成。下面將介紹幾個(gè)主要電路的設計。

圖2 智能控制器結構框圖

2 電源與復位電路設計

DSP系統對電源的性能（如紋波、上電順序等）要求較高，因此在本設計選用了線(xiàn)性調壓電路芯片TPS767D301。TPS767D301為雙輸出低漏電壓調整器，其特點(diǎn)如下：每個(gè)電源輸出都有單獨的復位和輸出使能控制；具有快速瞬態(tài)響應功能；電壓輸出3.3V/1.8V可調。

采用TPS767D301構成的電源電路從外部穩壓電源引入+5V電壓，+5V電壓經(jīng)TPS767D301后輸出電壓為1.8V和3.3V。為減小電源本身對DSP的干擾，在電路中增加了濾波網(wǎng)絡(luò )，如圖3所示。

圖3 電源和復位電路

3 A/D、D/A電路設計

TMS320F2812芯片上有一個(gè)12位、轉換頻率為25MHz的ADC,其前端為兩個(gè)8選1的多路轉換器和兩路同時(shí)采樣/保持器。在要求不很高時(shí)，完全可利用其構成同步順序采樣電路,或者增加外部采樣保持器后構成同步采樣?？紤]到本系統對電量采集精度和速度的要求較高,采樣模塊中選用了外置的六通道16位ADC ADS8364。該器件內部包括6個(gè)高速采樣-保持放大器、6個(gè)高速ADC、一個(gè)參考電壓源及3個(gè)參考電壓緩沖器,可以提供250KSPS的同步采樣率,還可提供具有超低功耗(69mW/每通道)的所有6個(gè)輸入通道的轉換,這樣使得所有通道的單位成本均較低。6個(gè)通道的數據輸出接口電壓介于2.7～5.5V，便于與DSP直接接口，省去了中間的電平轉換。6個(gè)完全獨立的ADC可大大提高硬件整體的并行處理速度，在50kHz輸入信號下仍可保證大于80dB的卓越共模抑制能力，特別適合用于高干擾環(huán)境。圖4為ADS8364與TMS320F2812的接口電路。

為了實(shí)現系統的控制功能，D/A轉換電路中選用四路12位電壓輸出型DAC TLV5614，它具有靈活的四線(xiàn)串行接口，可以與TMS320 SPI、QSPI和Microwire串行口實(shí)現無(wú)縫連接。TLV5614的編程控制由16位串行字組成，即兩位DAC地址、兩個(gè)獨立的DAC控制位和12位的DAC輸入值。器件采用雙電源供電：一組為串行接口使用的數字電源，即DVDD和DGND；另一組為輸出緩沖器使用的模擬電源，即AVDD和AGND。兩組電源相互獨立且可為2.7～5.5V之間的任何值。雙電源應用的好處是DAC使用5V電源工作，而DAC的數字部分使用2.7～5.5V電源，可以和多種接口連接。

圖4 ADS8364與TMS320F2812的接口電路

圖5 TLV5614接口電路

在設計中，D/A電路采用了2.5V的參考電壓，為了控制方便，在控制D/A時(shí)，使用TMS320F2812的GPIOB作為轉換芯片控制線(xiàn)，電路如圖5所示。

4 外部SRAM、FLASH擴展電路設計

由于該控制系統需要存儲大量的數據以備分析和利用，根據DSP與外部存儲器之間的“零等待”原則，采用IS61LV6416-12T擴展F2812的外部存儲器，IS61LV6416-12T為64K×16高速CMOS SRAM，3.3V供電，其與TMS320F2812的接口電路如圖6所示。

圖6 外部存儲器擴展電路

汽車(chē)內部噪聲主動(dòng)控制實(shí)驗系統設計

本控制實(shí)驗系統主要由4部分組成：汽車(chē)被控系統模型（含執行器）、外部聲源、控制器和信號監視（含傳感器），如圖7所示。需要說(shuō)明的一點(diǎn)是：在控制系統中，被控汽車(chē)模型包含多塊鋁板，在此為了表達方便，只畫(huà)出其中一塊。

在實(shí)驗系統中，采用外部揚聲器模擬艙體從外部受到的激勵。揚聲器發(fā)出的聲波迫使汽車(chē)模型的一個(gè)由鋁板構成的面發(fā)生受迫振動(dòng)，從而使汽車(chē)內部出現較大的噪聲；當放置在箱體內部指定位置的聲壓傳感器檢測到該處的聲壓變化，就把最新的聲壓值向DSP控制器傳送，控制器根據此時(shí)系統的輸入和輸出情況，及時(shí)做出判斷，對系統施加控制，此控制功能是通過(guò)粘貼在封閉艙體薄鋁板壁上的PZT執行器完成的，因為PZT在控制信號的作用下能夠產(chǎn)生振動(dòng)能量，同樣使鋁板受迫振動(dòng)，以此來(lái)降低汽車(chē)內部指定位置的噪聲。

圖7 實(shí)驗系統組成示意圖

1 汽車(chē)被控系統模型

由于本設計是針對汽車(chē)內部噪聲展開(kāi)的，為了研究方便，采用了粗略的轎車(chē)模型作為被控對象。該模型的四面由1mm的鋁板組成,在車(chē)身上和車(chē)身內部安裝有控制傳感器,其中該控制系統的執行器是PZT，對稱(chēng)地安裝在模型上。

由于壓電陶瓷具有把電能轉變?yōu)闄C械能的能力，因此當應用系統通電給壓電陶瓷時(shí)，材料的自發(fā)偶極矩發(fā)生變化，從而使材料的尺寸發(fā)生改變，這種效應可在20ms內產(chǎn)生50μm的位移，響應速度之快是其他材料無(wú)法比擬的，而且頻帶很寬，對溫度不敏感，隨著(zhù)加壓次數的增加，性能趨于穩定，并且容易集成，是高精度、高速驅動(dòng)器所必須的材料。本設計選用了壓電材料PZT作為執行器。

2 外部聲源

實(shí)驗中的外部聲源是由揚聲器代替的，揚聲器由信號發(fā)生器發(fā)出的信號經(jīng)過(guò)功率放大器后驅動(dòng)。

3 智能控制器

以TMS320F2812DSP芯片為核心的智能控制器既可以脫機獨立自主運行又可以通過(guò)USB接口在線(xiàn)仿真。

4 信號監視器

為了能夠監視箱內的控制誤差信號和壓電片驅動(dòng)信號并進(jìn)行信號處理，本控制系統的信號監視器采用了自行開(kāi)發(fā)的多功能信號采集和處理系統。

本設計所選用的座位傳感器的壓電材料為壓電薄膜PVDF，PVDF感知的信號作為系統的參考信號。PVDF很薄、柔軟、密度低且靈敏度很高，其機械柔韌性比壓電陶瓷高10倍。PVDF壓電材料的壓電性比石英高3～5倍，壓電系數更高，可貼在物體表面。

結論

本文以TMS320F2812 DSP為基礎設計了既可以脫機獨立自主運行又可以通過(guò)USB接口在線(xiàn)仿真的智能控制器。并以該控制器為核心設計了汽車(chē)內部噪聲主動(dòng)智能控制實(shí)驗系統。通過(guò)理論分析, 該控制系統具有較高的數據處理能力和處理速度，因此在實(shí)時(shí)控制中能夠發(fā)揮重要的作用。