壓電機敏結構嵌入式控制器的開發與驗證?

高守瑋, 朱曉錦, 趙 苗, 高志遠, 黃全振

(上海大學機電工程與自動化學院 上海,200072)

引 言

機敏結構內涵是將分布式傳感 /驅動元件緊密集成或融合于基體結構,同時將結構與控制器綜合起來,形成兼具控制功能與結構功能的一種主動結構。其主要功能之一是實現結構振動響應的主動監控,在航空航天領域獲得了廣泛深入的研究[1-2]。就機敏傳感和機敏致動材料而言,由于壓電 PZT材料存在正逆壓電效應,具有低功耗、電操作、頻帶寬和易布置等特性,是構成壓電機敏結構的最具代表性的機敏元件之一[3-4]。作為機敏結構研究核心內容之一的主動控制理論與實現技術,當前研究主要側重于智能控制方法與策略,而技術實現環節較之于工程實際應用還存在很大差距。從目前機敏結構振動主動控制研究的試驗環節和控制系統設計開發來看,試驗平臺硬件構建中主要使用了基于PC微機為核心的控制器,并輔之于測控板卡、信號放大調理、功率輸出、數據分析等諸多儀器構成試驗環境,如此眾多且體積龐大的控制單元和儀器設備,很難構成實際系統應用于高性能航空航天器。由于測控系統構成機敏結構是具體實現的關鍵手段之一,因此其嵌入式小型化是其發展的必然趨勢[5]。

筆者以壓電機敏結構振動主動控制為研究背景,著重進行了一種基于 DSP和 ARM雙核處理器的嵌入式控制器的設計與開發。DSP具有強大的數據處理與運算功能,具有速度快、實時性強等特點,而 ARM處理器具有多種類輸入輸出接口,中斷控制能力強[6-7];因此,結合機敏結構測控單元特點并發揮兩者特性,從而構建嵌入式控制器具有獨特的優勢。結合壓電機敏柔性試驗結構和自適應濾波前饋控制方法,使用所開發的嵌入式控制器進行了結構振動自適應控制驗證。試驗結果表明,嵌入式控制器相關技術性能和功能指標滿足研究工作的需要,取得了良好的模型結構振動響應控制效果,并較好地滿足了分布式測控的實時性與高速性要求。

1 設計背景與方案

當前主動減振機敏結構研究尚處于智能結構概念的前期形式,其基本構成原理如圖1所示。

圖1 具有振動主動控制功能的機敏結構組成

針對本研究所構建的壓電機敏試驗模型結構,圖1中結構基體表面分布粘貼了壓電 PZT傳感和驅動元件,結構振動信息通過分布式傳感 PZT轉換為電壓信號,經嵌入式控制器多路采集后依據控制算法進行處理并輸出控制信號,后經功率放大器激勵 PZT驅動網絡,最終實現結構振動響應的分布式控制。

針對機敏結構振動主動控制的特點,嵌入式控制器設計過程主要考慮以下幾個方面:

1)滿足多輸入多輸出方式的分布測控要求,同時依據結構振動響應范圍需要滿足多量程輸入要求;

2)具有多通道并行采集和 DA輸出能力,滿足實時測控的快速性要求;

3)具有強大的浮點運算能力,能將復雜的振動控制算法實時實現;

4)控制器能夠脫離 PC機獨立運行,重量較輕且體積較小;

5)具有良好的人機交互功能和界面;

6)具有海量數據存儲能力,能將大量運算和試驗結果予以保存;

7)具有高速通信能力和較為豐富的傳輸接口,以便依據需要將運算數據和試驗結果進行傳輸,并方便試驗過程演示和控制算法分析。

嵌入式控制器設計方案如下:系統由 ARM和DSP兩個核心單元組成,以形成基于雙核處理器的嵌入式測控平臺。 ARM單元主要實現系統軟硬件資源管理,包括圖形化人機界面與參數設置、結構振動信號多路采集、向 DSP單元發送各種控制字、數據傳輸和實時保存等功能,并負責多種通信接口的操作。為完成上述復雜功能與操作,嵌入了實時操作系統uC/OS-II以實現多任務管理。DSP單元主要實現控制算法運行,包括密集型數據處理和高速性運算等操作,以及控制過程數據返回 ARM單元實現保存,并實時輸出多路控制信號于功率放大器,通過激勵 PZT驅動網絡實現結構振動響應的分布式控制。為保證DSP和ARM單元之間快速數據交換,采用高速同步串行接口SSP作為 ARM與DSP通信接口。嵌入式控制器設計結構見圖 2。

圖2 嵌入式控制器結構框圖

2 ARM處理器單元設計

ARM處理器單元選用了 NXP公司的 ARM7系列微控制器 LPC2378,它包含 10/100 Ethernet M AC,USB 2.0全速接口、4個 UART、2路 CAN通道、1個 SPI接口、2個同步串行端口(SSP)、3個 I2C接口、1個I2S接口、MiniBus、4個通用定時器、10位A/D轉換器、RTC、看門狗和 104個通用 I/O管腳。ARM單元設計按功能主要包括信號調理電路、人機接口界面、數據存儲與通信單元等。

2.1 信號調理電路

信號調理電路經電荷放大器實現壓電 PZT傳感元件多路結構振動信號采集和調理,設計能夠實現32通道單端 /16通道差分輸入,且滿足雙極性型±2.5,±5和±10 V的輸入量程。考慮到兼容差分和單端輸入要求,可以將一路差分信號作為兩路單端信號輸入,但為避免輪轉采樣延時造成采集信號差異,則 A/D至少具有兩個采樣保持器才能確保沒有時延。具體選用 ADI公司的 AD7862-10芯片,其擁有兩個快速 12bit ADC,輸入電壓量程為±10 V,且能夠同時取樣和轉化,并具有輸入過壓保護功能。此外,將 32路采集通道分為 A/B兩組,每組負責 16路通道的采集和調理,各組采集信號分別送入十六選一多路模擬開關,模擬開關選用 M AX公司的M AX306芯片,不僅具有通斷電阻小和電壓范圍寬的特點,而且具有控制信號兼容 CMOS電平的優點;因此,選用兩片 M AX306就可實現兼容 32路單端 /16路雙端的信號采集通道切換。

信號調理電路A組通道設計見圖3,信號MUXA首先經過單運放 U4跟隨,多量程切換如下:

1)若是-2.5～+2.5 V量程,短接圖 3中的VA1和 VB1,而 EA1斷開,這樣輸入電阻為 5 k,反饋電阻為 20 k,實現 4倍放大至-10～+10 V;

2)若是-5～+5 V量程,短接圖 3中的 VA1和VB1,同時 EA1也短接,這樣輸入電阻為 5 k,反饋電阻為 10 k,實現 2倍放大至-10～ +10 V;

圖3 信號調理電路

3)若是-10～+10V量程,斷開圖 3中的V A1和 VB1,同時 EA1短接,這樣輸入電阻為 10 k,反饋電阻也為10 k,僅進行反向而不作放大。

調理電路設計上,運算放大器的選擇較為關鍵,單運放選用 OP07,四運放選擇 OPA4277,經測試可以滿足信號采集與調理需求,且它們還具有較低的輸入失調電壓、較大的共模抑制比等優點。

2.2 人機接口界面

人機接口界面包括液晶顯示輸出模塊和鍵盤輸入兩部分。選用圖形點陣式液晶LM320240,可以滿足文字、波形、圖片等數據信息顯示要求,嵌入式控制器液晶顯示測試效果如圖 4所示。

圖4 嵌入式控制器液晶顯示效果

鍵盤檢測芯片選用 ZLG7289B,不僅具有非常方便的 SPI通信接口,還具備較寬的供電電壓范圍,很適合 5V/3.3V嵌入式測控單元開發的需要。

2.3 數據存儲與通信功能

為存儲控制過程的算法數據和試驗結果數據,需要設計大容量存儲器,具體選用一片串行 SPI接口的大容量 FLASH SST25VF016B芯片,它具有16Mbit的存儲容量,能很好滿足掉電存儲數據的需要,且由于采用SPI接口,芯片只有8個管腳,大大減小了電路設計體積。

所設計的嵌入式控制器在結構振動控制試驗完成后,為方便進行試驗過程演示和控制算法分析,需要將運算數據和試驗結果進行傳輸,為此設計了多種通信電路和傳輸方式。具體為:利用 LPC2378的UART控制器擴展了 RS232通信電路;利用一個兼容 USB2.0全速規范,并且支持 DMA傳輸的 USB設備控制器設計了 USB DEVICE接口電路;結合LPC2378內部集成的以太網媒體訪問控制器,外擴的以太網物理層芯片 DM9161,以及網絡變壓器HR601860設計了以太網接口電路,滿足了網絡數據傳輸要求。

3 DSP處理器單元設計

DSP單元設計選用 TI公司 TM S320F28335芯片,其主頻為 150M且支持浮點運算,指令周期最小為 6.67ns(150M Hz狀態下),能很好滿足復雜運算和實時處理的需要。

控制算法由 DSP單元進行運算,并實時產生控制數據經 D/A轉換后輸出,電路設計上數模轉換芯片選用12位SPI接口的D/A轉換器DAC7715,它采用±12 V雙電源供電,因此不經調理可以直接輸出±10 V的電壓信號,避免了額外加入調理電路造成的校正問題。該芯片支持4路D/A同時輸出,因此僅需4片芯片就可滿足控制器16路控制輸出端口的技術要求。此外,DAC7715芯片采用雙緩存技術,具有LOADREG和 LOADDACS兩個控制信號。前者為數據裝載 DA的控制信號,后者能夠控制模擬信號的輸出時間。通過這種方式即可實現串行分時裝載DA數據,同時又可無時延實現多路控制信號并行輸出。

4 系統軟件設計

4.1 ARM單元軟件設計

ARM單元軟件設計包括嵌入式實時操作系統、底層驅動程序和上層應用程序等。根據功能劃分主要包括鍵盤輸入任務、顯示輸出任務、同 DSP交換數據任務、串口通信任務、USB通信任務和網絡通信任務等。總體任務關聯圖如圖 5所示。

圖5 ARM單元軟件任務關聯圖

上述任務中,鍵盤屬于事件觸發任務,即當有鍵按下,ZLG7289B會產生一個下降沿中斷,此時應將該中斷和鍵盤任務直接關聯,在中斷服務程序(ISR)中通過信號量觸發關聯任務,完成發送命令字并將鍵值讀回。對于顯示任務,由于液晶屬于低速設備,任務優先級設置一般較低,它通常是為多個任務所服務,所以需要為該任務分配一個消息隊列來更新顯示畫面。 ARM單元與 DSP數據交換劃分為關鍵任務,執行過程中必須盡可能與其他功能剝離,通過通信方式完成后續工作。網絡和USB功能劃分為數據處理任務,優先級一般較低,配合信號量和郵箱,實時完成數據傳輸。

4.2 DSP單元軟件設計

DSP單元軟件設計包括硬件系統初始化、控制算法執行程序、D/A控制輸出、與 ARM通信接口等,軟件設計流程如圖 6所示。

圖6 DSP軟件設計流程圖

4.3 通信接口與數據傳輸

ARM單元與 DSP單元的數據交互功能,是嵌入式控制的重要組成部分,設計上采用 ARM作為控制主機和 DSP充當協處理器的方式。為此,構建協議格式由以下 5部分組成:同步位(0x5A)、通信序列號(用于檢測是否出現了丟包)、命令字 (區分不同功能)、數據域(根據命令字不同而不同)和校驗(累加和校驗)。命令字代碼及功能描述如表1所示。

SPI是一個高速同步串行輸入輸出結構,它允許長度可編程串行位流(1～ 16位),以可編程的位傳輸速度移入或移出器件,也允許采用不同的時鐘相位和極性。由于LPC2378和TMS320F28335均支持多種 SPI格式,只要設計雙方通信格式與協議一致,即可完成數據傳輸功能;因此,設計上雙方均采用 SPI CLK下降沿無延時方式,可以確保數據傳輸的一致性。

表1 命令字代碼及描述

5 試驗平臺與驗證

5.1 試驗模型與平臺

壓電機敏試驗模型結構基材選擇環氧樹脂板,主要參數為:彈性模量Ep=22 GPa,泊松比v=0.3,密度d=2 100 kg/m3,尺寸為 950 mm× 120 mm×2 mm。通過分布粘貼 PZT傳感 /驅動元件構成,并以懸臂梁方式固定。懸臂梁根部粘貼一排 4片 PZT壓電片作為結構激振器,尺寸為 50 mm×16 mm×1 mm;通過優化配置在模型結構上粘貼8個PZT壓電片作為振動控制作動器,尺寸為 40 mm×8 mm×1 mm。粘貼2個PZT壓電片作為結構振動檢測傳感器,尺寸為20 mm×6 mm×0.4 mm。構建完成的壓電機敏柔性梁的前 4階模態頻率為:FREQ1=1.18 Hz,FREQ2=7.37 Hz,FREQ3=21.20 Hz,FREQ4=39.80 Hz。

試驗平臺主要由固定支撐架構、試驗模型結構、嵌入式控制器、信號發生器、低通濾波器、示波器、功率放大器以及相關測控單元等組成,如圖7所示。

圖7 試驗模型結構與平臺

5.2 試驗驗證與結果

基于所設計開發的嵌入式控制器,使用文獻[8-10]所述的 FXLMS算法,結合試驗平臺進行了壓電機敏柔性結構振動主動控制試驗,具體控制過程如下。

采用 33220A信號發生器產生 7.37 Hz的正弦信號,并經寬頻壓電驅動功率放大器Model 7602放大至±200 V作為激振信號,施加于模型結構激振PZT,使結構持續振動。2路傳感PZT感知結構振動信號,并經電荷放大器送入嵌入式控制器采集端口。控制器 ARM單元進行調理并由 SPI接口送入控制器DSP單元,開始進行FXLM S控制算法運算。同時生成控制數據經 DA轉化為±10 V量程的控制信號,再經功率放大器成為±300 V激勵控制信號,并施加于模型結構的 8路作動 PZT元件,以實現結構振動響應的自適應對消。

圖8為未施加控制時,2路傳感 PZT所測得的結構振動響應狀況圖。圖9為施加控制作用后,2路傳感 PZT所測得的結構振動響應狀況圖。對比圖 8和圖 9可見,基于嵌入式控制器施加控制算法取得了良好的結構抑振效果,較好地體現了控制器設計與開發的可行性和有效性。

圖9 施加控制后結構振動響應狀況

為驗證嵌入式控制器能否取代 PC計算機控制系統,在所構建的試驗平臺上,使用數據采集卡、DA輸出卡與高性能 PC計算機,開展對比控制試驗,受控結構振動響應如圖 10所示。可見,控制效果與使用嵌入式控制器基本相當,故嵌入式控制器可以取代基于PC計算機所構成的控制系統,并在本試驗過程中進行壓電機敏結構振動的實時主動控制。

圖10 PC計算機控制結構振動響應狀況

6 結束語

主動減振機敏結構研究進程中,測控系統是必備的關鍵實現手段之一,相關測控裝置的嵌入式設計與開發,對于該領域研究從基礎研究層面向工程應用方向推進具有積極促進作用。筆者通過設計與開發一種基于DSP和 ARM雙核處理器的嵌入式控制器,據此進行了積極的探索和有益的嘗試,并通過構建試驗平臺和試驗過程,驗證了嵌入式控制器相關實現技術的有效性。設計開發的雙核嵌入式控制系統由于做到了 DSP芯片算法處理功能的專用,為后續研究實現更復雜控制算法的操作提供了保證,同時針對測控系統的軟件功能升級也具有良好的意義。

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