基于DSP的實(shí)時(shí)震動(dòng)信號(hào)分析處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　震動(dòng)信號(hào)分析作為戰(zhàn)場(chǎng)傳感偵察系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，主要探測(cè)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的震動(dòng)信號(hào)，對(duì)其信號(hào)實(shí)時(shí)分析和處理，并給出相應(yīng)的識(shí)別信號(hào)，以判別震動(dòng)目標(biāo)類型、數(shù)量等信息。為了得到良好的震動(dòng)信號(hào)，并能初步分析處理該信號(hào)，給出了一種基于DSP信號(hào)的實(shí)時(shí)震動(dòng)信號(hào)分析處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 震動(dòng)傳感器信號(hào)檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)傳感器采用EG GICSENSORS公司的3028型加速度傳感器。由于該傳感器的輸出為差分輸出，所以采用一個(gè)儀表放大器將其差分輸出轉(zhuǎn)換為單輸出；又由于該傳感器具有 16．8 mV的零位輸出電壓，因此第1級(jí)放大倍數(shù)應(yīng)盡可能小，目標(biāo)震動(dòng)信號(hào)疊加在放大的零輸出電壓上可能產(chǎn)生飽和失真，即可能被削頂，因此Rg1應(yīng)取得大一些。在此Rg1=10 MΩ，這樣第1級(jí)放大倍數(shù)G1≈1，于是傳感器的零輸出電壓幾乎未放大，目標(biāo)震動(dòng)信號(hào)不至于由于其零輸出電壓的影響而失真。由于第1級(jí)放大電路的儀表放大器的輸出信號(hào)中仍疊加有傳感器的零位輸出電壓，該電壓為直流或接近于直流的信號(hào)，為避免其在后續(xù)電路中被放大，在第2級(jí)放大電路前需加一個(gè)高通濾波電路隔離該信號(hào)。在此用RC二階高通濾波器消除零輸出電壓對(duì)后續(xù)目標(biāo)信號(hào)放大的影響。這里選取R=36 kΩ，C=1μF，則此高通濾波器的截止頻率為：

　　第2級(jí)REF接1．5 V參考電壓，調(diào)節(jié)Rg2使輸出信號(hào)在滿量程時(shí)的輸出范圍在0～3 V之內(nèi)，以便DSP的A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)，傳感器的調(diào)理電路如圖1所示。

　　2．2 DSP單元設(shè)計(jì)

　　數(shù)字信號(hào)處理器采用TI公司的TMS320F2812，該器件是一款用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP，最高可在150 MHz主頻下工作，可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用一個(gè)8 MB的串口FlashM25P80。

　　DSP實(shí)時(shí)震動(dòng)信號(hào)分析和處理系統(tǒng)主要由震動(dòng)傳感器、前置放大電路、濾波電路、DSP數(shù)據(jù)采集分析模塊以及存儲(chǔ)模塊組成。圖2為系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3．1 信號(hào)采集預(yù)處理

　　信號(hào)采集后為了能夠在DSP中快速處理，需要進(jìn)行去均值與歸一化，這樣可有效限制信號(hào)幅值，并將信號(hào)統(tǒng)一到同一數(shù)量級(jí)。有助于計(jì)算開方時(shí)需要利用解一元二次方程的算法；計(jì)算除法時(shí)，為了減少機(jī)器周期的占用，需要將除法轉(zhuǎn)換為乘法。去均值與歸一化處理的計(jì)算方法可參見文獻(xiàn)。

　　3．2 程序流程

　　圖4為系統(tǒng)軟件主程序流程。首先對(duì)系統(tǒng)初始化，看門狗定時(shí)復(fù)位，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)，主程序進(jìn)入死循環(huán)；當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完畢，進(jìn)入中斷子程序，讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存人數(shù)組進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和緩存。

　　3．3 DSP主程序設(shè)計(jì)

　　主程序先初始化系統(tǒng)控制寄存器，初始化PIE向量表禁止和清除所有CPU中斷，采用TMS320F2812片內(nèi)集成的A／D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)。程序首先對(duì) A／D轉(zhuǎn)換器初始化，用DSP內(nèi)的EVA事件管理器產(chǎn)生SEQ1A／D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，首先設(shè)置T1比較值為0x0080，設(shè)置周期寄存器為0xFFFF使能事件管理器A的EVASOC，使能定時(shí)器1比較遞增計(jì)數(shù)模式，DSP事件管理器EVA的配置程序如下：

　　EVA為SEQ1產(chǎn)生ADC SOC信號(hào)后，開始對(duì)通道1轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A／D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生中斷信號(hào)并調(diào)用中斷處理程序讀取ADCRESULTO中的值存人數(shù)組。當(dāng)采滿512個(gè)點(diǎn)后將程序跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)處理程序，調(diào)用FIR和FFT子程序，其中DSP A／D轉(zhuǎn)換器初始化程序代碼為：

　　DSP整個(gè)系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，中斷函數(shù)模塊用匯編語(yǔ)言，可提高程序的效率，F(xiàn)FT和FIR數(shù)字濾波運(yùn)算主體用混編語(yǔ)言編寫，可從TI網(wǎng)站下載。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力，將該系統(tǒng)在震動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將3028型傳感器固定在激震臺(tái)上，用激震臺(tái)分別模擬坦克、卡車和人員3種震動(dòng)信號(hào)，這3種信號(hào)各取20組用于該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)輸出信號(hào)判斷識(shí)別的正確率，在震動(dòng)臺(tái)達(dá)到穩(wěn)定后DSP的解算時(shí)間均小于1 s。DSP解算識(shí)別結(jié)果如表1所示。

　　5 結(jié)論

　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，該系統(tǒng)能夠?qū)δ繕?biāo)的識(shí)別起到一定的輔助分析作用，系統(tǒng)解算時(shí)間均小于1 s，達(dá)到實(shí)時(shí)分析要求，系統(tǒng)能夠較好分析人員產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)，而對(duì)坦克和車輛產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)分析結(jié)果較差，這主要是由于坦克和車輛產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)特征較為相似，單純從震動(dòng)信號(hào)的頻率和強(qiáng)度區(qū)分難度較大；另外由于震動(dòng)臺(tái)是磁激勵(lì)式的，對(duì)外有較強(qiáng)的電磁輻射，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)需采取屏蔽電磁干擾的措施，震動(dòng)信號(hào)分析算法還需進(jìn)一步提高。