基于数字信号处理器实现激励器控制系统的设计

作者：赵国辉，何一，暴宏瑞，李娜

1 引言

激励器是为发射机提供高精度、高稳定载波的器件。目前许多激励器的控制系统因其核心器件（如MCS-51）速度和精度的限制，存在频率同步精度低，校频速度慢等问题。DSP可实现复杂控制规律、抗干扰能力强、性价比高，是实现控制激励器输出精密载波的理想选择。这里介绍以DSP器件TMS320F240为核心的激励器控制系统设计与实现。

2 控制系统原理

该激励器内5 MHz压控晶振的输出不能满足频差小于每天0．01 Hz的实际稳定性需求，因此需用标准的频率信号（简称标频）校正其晶振输出的频率（简称校频）。要提高输出频率精度，首先要处理好标频，达到其频率准确度高、抖动小、信号输出稳定、且满足幅度要求。

图l为激励器模型。该控制系统插在鉴相电路板与5 MHz压控晶振（VCX0）间，与二者组成锁相环路。锁相环路以彩色电视副载波信号（4．43 MHz）为标频，定时校对压控晶振的频率。鉴相电路输出包含晶振频差的电压Vp。校频过程中控制系统对Vp进行数据采集和数据处理，并使输出控制电压Vc加到压控晶振的电压控制端，调整各自振荡频率，使其与标频源的准确度一致。校频完成后，系统保持校频处理后的控制电压，压控晶振输出校准后的频率。

3 控制系统设计

3．1 硬件电路设计

该控制系统的硬件电路主要由TMS320F240、复位电路、12位A／D转换器与D／A转换器接口电路、键盘与LED显示接口电路、鉴相与输出的状态检测指示、微型打印机并行接口以及系统与PC机通信的串行接口等组成。其结构如图2所示。

3．1．1 TMS320F240简介

根据该系统指标和任务要求，以及系统的性能和成本，TMS320F240采用高性能的DSP内核和微处理器的片内外围设备完全满足该控制系统设计。TMS320F240是传统的微控制单元（MCU）和昂贵多片设计的一种廉价替代产品，每秒2千万条指令的处理速度，以及丰富的硬件接口资源，使其提供远远超过传统的16位微控制器和微处理器的性能。

3．1．2 MD转换接口设计

根据该系统的实际功能需求，考虑到MD转换器的性价比因素，选用MAXIM公司的MAX1296。A／D转换器的接口设计中应注意以下关键问题：

（1）MAX1296输出端与DSP的连接 A/D转换器分为内部含有和不含输出锁存器两种类型，后者通过锁存器或I／O接口与CPU相连；而前者则直接与CPU相连，本系统采用内部含有输出锁存器的MAX1296。图3为其接口电路。

（2）MAX1296的启动方式 A／D转换器需外加启动信号才能开始工作，具有脉冲和电平两种启动方式。MAX1296是脉冲启动转换器。只要在A／D转换器的启动转换输入引脚加肩动脉冲即可启动A／D转换器。

3．1. 3 其他硬件电路设计

系统处理后的控制电压值通过RC-232接口传到PC机内，以供维护人员参考；并可直接送入微型打印机。若鉴相和输出偏离过大，则系统告警指示，维护人员通过键盘输入经验电压值控制晶振。

3．2 软件程序设计

TMS320F240具有丰富的汇编指令系统，侧重于数字运算、信号处理以及高速测控等通用目的的应用。该控制系统在软件设计中用到外中断、软件定时器中断、模数转换中断等。具体包括主程序及键盘处理、时钟处理、定时校频等子程序。主程序中，CPU首先初始化时钟、工作状态显示、输出控制电压和有关寄存器等。若到达定时时间，则执行定时校频子程序，否则循环执行主程序。图4为其主程序流程。校频子程序的部分程序段如下：

3．3 抗干扰设计

由于本激励器控制系统所处环境具有强磁强电干扰，故在系统的软、硬件设计方面尽量考虑抗干扰，主要表现：（1）软件设计采用抗脉冲干扰平均值法、算术平均值滤波法处理采集的数据；（2）系统+5 V电源由一个单独的220 V降压变压器提取，以保证不受其他部件拔插和工作影响；（3）为确保A／D转换器和D／A转换器的转换精度，MAX1296和MAX530的参考电压均由精密基准源提供；（4）在MAX232E和TMS320F240之间采用光电隔离措施，二者之间使用光电耦合器，以避免干扰而对信号进行隔离传输；而且MAX232E的+5 V电源和其他电源也不能共用。

4 结束语

经过初步软硬件调试，本控制系统大大加快了激励器校频的速度，使其校频精度达到了指标要求（频差远小于每天0．01 Hz，校频精度优于5x10-10），提高其强磁强电环境下的抗干扰能力，各项功能均达到预期设计目的。

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