基于DDS技术的电磁阀检测平台的设计[图]
发布时间：2025-03-06 点击：12
摘要：为了测试电磁闽在各种工作状态下（即在不同的输入脉冲供电的情况下）的性能，研制了一种模拟电磁阀工作状态的pwm脉冲电源。该电源依靠cpld构成数字pwm发生器，由单片机控制，具有短路保护和浪涌保护功能。系统软件部分以模块化的方式实现，能够连续地输出不同的pwm脉冲。该电源目前已成功应用到电磁阀的生产企业，为企业创造了显着的经济效益，为我国电磁阀的出口做出了贡献。
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cpid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）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。
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,方波低电压可词范围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3x3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ad98 34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。
2.2 dds信号产生单元
dds原理：直接数字频率合成器（direct digitalsynthesizer）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。
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，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。
dds9834驱动程序模块如下：
2.3 模块控制单元（cpld）
复杂可编程逻辑器件cpld（complex programmable logic device），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0~25khz的信号，检测误差小于0.1%。
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。
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，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。
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本设计采用直接数字合成（dds）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%.
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本文设计的数字信号源的系统框架如图1所示。
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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。
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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3x3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ad98 34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。
2.2 dds信号产生单元
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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，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
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