基于DDS技术的电磁阀检测平台的设计

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，为企业创造了显著的经济效益，为我国电磁阀的出口做出了贡献。
关键词：AD9834；单片机；CPLD；占空比

    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。