基于DDS技术的电磁阀检测平台的设计

丁 磊，周凤星

（武汉科技大学 故障诊断及检测实验室，湖北 武汉 430081）

汽车电磁阀在汽车工业生产中需求量极大，模拟电磁阀工作环境，从而检测出其质量的优劣值得关注研究。笔者设计的电磁阀检测平台是基于DDS技术与单片机相结合，同时运用CPLD技术，模拟出电磁阀在工作期间的相关参数环境，从而判断电磁阀的好坏。

本设计采用直接数字合成（DDS）[1]技术，采用专用集成芯片AD9834作为三角波产生模块，利用51单片机和CPLD[2]来控制完成整个系统的设计。该系统输出的三角波低频特性好并且可以模拟斜坡信号，能产生可调占空比的方波信号，可调范围达1%～99%。

1 系统设计方案

本文设计的数字信号源的系统框架如图1所示。

图1 系统框架Fig.1 System framework

本系统产生输出频率为0～25 kHz，最小精度为1 Hz的信号，占空比在0～100%范围内可调，变化周期为10 s的整数倍。系统输出电压VOUT范围0～40 V，最小精度0.01 V，输出电流最大可达10 A，方波低电压可调范围0～10 V，并且波形较好，可以连续变化，误差不超过1%。

单片机完成键盘扫描和按键处理，通过SPI总线对AD9831进行控制处理，通过AD7541进行采样处理。系统中的CPLD完成对单片机的扩展和测频功能。单片机发出的指令通过CPLD控制DDS以完成信号的产生。

2 模块电路设计

2.1 控制系统

单片机控制整个系统工作，采用 12 MHz晶振，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5 接一块 3×3 矩阵键盘 ，P0 口为扩展接口，连接一块8255芯片扩展端口，并且同时连接LCD的DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7 数 据 控 制 端 口 。P2.3、P2.4、P2.5 分 别 接 AD9834 的 FSYNC、SCLK、SDATA 端口。单片机各种数据和命令通过CPLD送出。

单片机向CPLD写数据时，读信号都一直置低电平，写信号口在上升沿时，CPLD开始读地址，写信号口在下降沿时，CPLD开始读数据；单片机从CPLD读数据时，将读信号口一直置低电平，读信号口在上升沿时，单片机开始读地址，写信号口在下降沿时，单片机开始读数据。时序图如图2所示。

图2 单片机读取数据Fig.2 Reading the data by Microcontroller

2.2 DDS信号产生单元

DDS原理：直接数字频率合成器 （Direct Digital Synthesizer）[3]是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术，一个直接数字频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器 （LPF）构成。DDS框架图如图3所示。

图3 DDS信号发生原理图Fig.3 Schematic diagram of DDS signal happening

其中K为频率控制字，P为相位控制字，W为波形控制字，fc为参考时钟频率，N为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D/A转换器的字长。相位累加器在时钟fc的控制下以步长K作累加，输出的N位二进制码与相位控制字P波形控制字W相加后作为波形ROM的地址，对波形ROM进行寻址，波形ROM输出D位的幅度码S（n）经D/A转换器变成阶梯波S（t），再经过低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形。合成的信号波形形状取决于波形ROM中存放大幅度码，因此用DDS可以产生任意波形。使用50 MHz的晶振理论上DDS可以产生15 MHz左右的失真度小于1%的正弦信号[4]，信噪比可以达到60 dB，信号的输出频率可以表示为：

f0=（fc/2n）×M

fC为DDS时钟频率；N为相位累加器位数；M为相位累加器步长；f0为输出频率。

DDS与单片机的连接方式以及自身外围电路如图4，图5所示。

图4 单片机与DDS连接图Fig.4 Connection diagram between microcontroller and DDS

DDS9834驱动程序模块如下：

void write_word（uint word）

{

uchar i=0；

SCLK=1；

图5 DDS外围电路Fig.5 DDS peripheral circuit

FSYNC=0；

for（i=0； i<16； i++）

{

if（word&0x8000）

SDATA=1；

else

SDATA=0；

SCLK=0；

SCLK=1；

word<<=1；

}

FSYNC=1；

}

ulong send_fre（ulong freq）

{

ulong water；

water=268435456.0*freq/30000000；

return（water）；

}

void set_freq（ulong Freq_value）

{

ulong value1，value2；

uint LSB_D，MSB_D；

value1=Freq_value；

value2=Freq_value；

LSB_D=（value1%0x4000）+0x4000；

MSB_D=（value2/0x4000）+0x4000；

“Fish vie to swim upstream, in early summer less rain.

write_word（LSB_D）；

write_word（MSB_D）；

}

void AD9834（uint freq2）

{

uint j，freq3；

freq3=freq2；

FSYNC=1；

SDATA=0；

write_word（0x21C2）；

set_freq（send_fre（freq3））；

write_word（0xC000）；

write_word（0x2002）；

for（j=0；j<100；j++） ；

SCLK=1；

FSYNC=1；

SDATA=0；

}

2.3 模块控制单元（CPLD）

复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）[5]，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围，是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。本系统中，采用Altera公司的EPM3128[6]来连接单片机和DDS，单片机发出的指令通过CPLD来控制DDS芯片，同时检测频率为0～25 kHz的信号，检测误差小于 0.1%[7]。

2.4 信号调理单元

使用DDS9834所提供的互补输出信号IOUTB、IOUT，从IOUTB输出的信号是微弱的三角波电流信号，图6中端口3接AD9834的IOUTB，将输出三角波信号放大，图7的端口2接图6的端口6，图7的端口3接AD7541输出的平稳电压，经过比较，得出平稳的方波[8-9]。

图6 放大电路Fig.6 Amplifying circuit

图7 比较电路Fig.7 Comparative circuit

3 系统软件设计方案

单片机采用C语言编程，在执行指令之前首先要完成各种初始化工作。其中包括时钟初始化、端口设置、看门狗设置、开机初始化，尤其注意对DDS9834的初始化驱动程序的设置，然后等待中断，进入键盘扫描和各种按键的处理程序[10]，整体流程如图8所示。

4 结束语

直接数字频率合成（DDS）是DDS信号发生器的核心部分。本检测平台以单片机为核心，采用DDS技术实现了一种新型的低频特性好并且可以模拟的斜坡信号，可以产生可调占空比的方波信号，可调范围达1%～99%。经过测试，该检测系统平台可以实现信号源工作稳定，并且操作方便，成本低，通过样机的研制，测试效果较好，精度较高。

图8 系统流程图Fig.8 Flow chart of system

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