基于DSP的高精度信号发生器设计及其在机械测试中的应用

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机械装备的可靠性是故障诊断和设备监测中研究的重要课题。随着科技水平的不断提高,机械设备的系统越来越庞大,各部分之间的联系也越来越紧密,其中某个零件的故障都可能会引起整个系统的停滞,给企业或国家带来巨大的损失。因此,设备的检测和故障诊断对于安全生产,民生来说非常重要。在机械工程中对一些重要部件(主轴,机床底座等)进行可靠性测试时,经常需要激振器来产生激励信号,测试机械运行中的振动量是否对机械的使用寿命和正常运转造成影响。除此之外,在一些振动试验建模中也很重要。在机械测试中经常会用到各种激励信号,因此,本课题研发了以DSP为核心的数字信号发生器系统,系统由CPU模块、D/A输出模块,存储模块,无线通信模块等组成。OMPL138芯片是TI公司的近几年刚推出的一款采用达芬奇构架的处理器,包括ARM9和C674x系列的DSP,两大CPU为采用非对称式达芬奇结构的低功耗处理器,兼具DSP的高速数字信号处理性能和ARM9精简指令计算机(RISC)技术的优点。系统的主要实现过程为:利用DSP的高速数据处理能力对信号代码复杂算法进行运算处理,产生的波形数据储存在发送数据缓存区;再利用EDMA(Enhanced Direct Memory Access快速直接内存存取)技术对数据进行搬运,传送到McASP(多通道音频串行端口)的发送端,然后以IIS的方式传送到D/A芯片进行滤波放大等处理输出。本系统可以产生标准的正弦波,三角波,方波,窄带随机,白噪声五种波形,满足了机械测试需要。同时,还可以对正弦波、三角波、方波进行扫频和扫幅,输出电压范围为-10V~+10V。其中正弦波的失真度能达到0.0064%频率精度达到10-7,能够适用于大多数的机械振动测试实验要求。本文在正弦波、三角波、方波和白噪声等信号理论的基础上,以DSP为核心,进行了硬件设计和软件设计。其中,硬件设计包括CPU复位电路设计、D/A数模转换电路设计、WIFI电路设计和电源电路设计;软件设计包括:McASP和EDMA的通信设计以及信号代码的编写;最后进行系统的调试和测试等工作。测试试验表明,系统满足大多数的测试要求。论文中的主要工作如下:1.采用DSP作为数据的处理核心,充分利用DSP的高速数据运算能力,能够有效地对波形代码中的复杂算法进行快速运算,从而有效的产生波形;2.采用函数计算生成波形数据的方法,舍弃了传统的模拟电路和DDS(直接数字合成)芯片生成波形的方法,采用函数计算生成波形数据的方法,不仅精度高能达到10-7,而且还降低了系统硬件上的设计成本;3.采用EDMA(增强型直接内存存取)传输数据,充分利用EDMA独立于CPU的后台批量数据传输的能力,不占用CPU的资源,从而能使DSP专注于数据的处理;4.为了验证所研发信号发生器的频率精度和失真度,试验测试得到了100Hz正弦波各项参数。测试结果,波形的失真度为0.0077%,频率精度为3E-6,幅值精度为1.8E-3。并将该系统在机械测试工程中进行了试验研究,在隔振台上进行了模态测试,达到了测试要求。
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