硕士学位论文-地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 74页

硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究摘要本文主要研究了地面运动目标地震动信号的模拟技术。针对三种典型战场地面运动目标（人员、车辆、坦克）引起的地震动信号，实现实验室振动台的波形再现。其主要内容分为三大部分，即上位机串行通信软件部分，振动台驱动电路部分，振动台数据采集电路部分。文中首先对地面运动目标引起的地震动信号和振动台的随机振动作了分析，分析表明振动台实验系统准确再现地震动信号须要求两个随机振动统计特性相同；接着，介绍了串行通信并实现了上位机串行通信软件的编制；结合上位机软件设计了下位机接收、数模转换控制的振动台驱动电路，并对功率放大器，振动台作了详细的分析；最后，基于振动台设计了数据采集系统，实现了采集与传输、过零点算法的识别功能。关键词：地震动信号，振动台，串行通信，单片机69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究AbstractThesimulationtechnologyoftheSeismicsignalswhichbyatargetofmilitaryinterestmovingonthegroundismainlydiscussedinthearticle.Inallusiontothreetypesofrepresentativemovingtargets,werealizethewaverecurrenceofvibrationtestinstrumentinthelaboratory.Itconsistsofthreeparts,whichareserialcommunicationsoftwareonPC,thedrivecircuitofvibrationtestinstrument,thedataacquisitionsystembasedonvibrationinstrument.Inthisarticle,theSeismicsignalsandtherandomvibrationprocessesofvibrationinstrument,hasbeenanalyzedfirstly.Onthebaseofthistheory,wededucethatthevibrationtestinstrumentrecurSeismicsignalsexactlyinthelaboratory,whichneedtheyhaveasimilarstatisticalcharacteristicofrandomvibration.Secondly,weintroduceserialcommunicationandprogramserialcommunicationsoftware.Baseonthesoftware,wedesignreceiveanddigitaltoanalogycircuitwhichdrivevibrationinstrument,andanalyzethestructureandprincipleofpoweramplifierandvibrationinstrumentindetail.Finally,wedesigndataacquisitionsystembasedonvibrationinstrument,whichrealizedataacquisitionandtransfers,andtargetidentificationbasedonzero-crossingarithmetic.Keywords:seismicsignals,vibrationinstrument,serialcommunication,MCU69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究目录1绪论11.1引言11.2地震动信号模拟振动台技术发展背景21.3地震动信号模拟实验平台简介31.4本文的主要工作4本章小结52地震动信号与振动信号分析62.1地面运动目标地震动信号62.1.1地震波分类及其传播特性62.1.2瑞雷波72.1.3地面运动目标地震动信号采集82.2振动台振动信号92.2.1随机振动信号统计特性分析92.2.2随机振动控制112.2.3随机振动信号采集13本章小节143上位机的串行通信实现153.1串行数据通信153.1.1基本概念153.1.2串行通信接口153.1.3串行通信协议163.2串行通信软件实现163.2.1串行通信软件的总体结构163.2.2串行通信关键技术173.2.3软件实现18本章小结：204振动台驱动电路软硬件设计214.1系统设计概要214.1.1系统设计流程214.1.2系统设计描述224.2PC机与下位机通信接口电路2369\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究4.2.1PC机串行接口234.2.2电平转换芯片244.2.3AT89C51单片机244.2.4AT89C51串行通信的时钟配置254.3数模转换电路设计264.3.1D/A转换器的选型264.3.2AT89C51与MAX530接口电路274.3.3信号的低通滤波284.4系统外围电路设计304.4.1系统电源设计304.4.2系统时钟电路及复位电路304.5电路板制作314.5.1PCB设计314.5.2电源线和地线设计324.6系统软件设计334.6.1串行通信部分334.6.2D/A转换部分354.6.3软件抗干扰部分374.6.4下位机程序的总体设计384.7功率放大器384.8振动台40本章小结：425.基于振动台的数据采集系统的设计435.1系统设计435.1.1硬件部分435.1.2软件算法部分445.2测振传感器选型445.3信号调理电路465.4模数转换电路475.4.1A/D转换器选型475.4.2具有ISP功能的AT89S8252485.4.2.1AT89S8252的结构功能485.4.2.2ISP编程495.4.3AT89S8252与MAX191接口设计4969\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究5.4.4AT89S8252与上位机接口515.5数据采集系统的外围电路设计515.6数据采集与传输的软件设计525.6.1数字滤波部分535.6.2数据采集部分555.6.3程序总体设计565.7过零点识别算法575.7.1过零点识别算法介绍585.7.2人员、车辆信号的过零数分析585.7.3过零识别算法实现60本章小结616.课题前景展望626.1引言626.2上位机软件的改进626.3反馈控制部分626.4硬件部分636.5系统扩展63本章小结63结束语64致谢65参考文献6669\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究1绪论1.1引言现代战争已不是传统意义上的作战，而是高科技的、信息化的战争。传统的枪炮、飞机、坦克、军舰、导弹这些有形的“硬性”杀伤武器不能保证战争的胜利。而要在战争中取得主导地位，赢得战争的胜利，还必须掌握敌方的各种情报这个软性杀伤武器。正如拿破仑所说那样，战争的胜负90％取决于信息。现代战争中，敌对双方将紧紧围绕战场的“透明度”展开角逐，以此捕捉战机、创造战机和把握战机。从古到今，通过准确获取敌方军事情报而取得战争胜利的战例不胜枚举。如1942年中途岛大海战中，美军设在珍珠港的情报机构截收和破译了日军的两份电报。从而得知日军的意图，美军很快作了相应的兵力部署。结果，美军以极少代价，炸沉了日军的四艘航空母舰和一艘巡洋舰，而且击毁了日军海军航空队的332架飞机。战后，美国太平洋舰队的司令官说：“中途岛作战本质是情报的胜利。”由此可见，信息侦察在现代战争中所占据的重要地位。随着现代科学技术的不断发展，战场信息侦察也正向立体化、精确化、实时化、综合化方向发展。从信息侦察技术的发展轨迹来看，冷兵器时代的情报是分散产生，数量有限，侦察手段少，战争取胜主要靠指挥员的应变能力。热兵器时代情报比较集中，数量大，精确度提高，侦察手段多，地面、海上、空中、太空各种侦察设备组成一个联动化的有机整体。早期的侦察手段局限于侦察兵和特工情报人员进行侦察搜索敌方情报，获取的信息量相对较少；现代高科技的信息侦察使用电子侦察设备和光电侦察设备，利用地面侦察站、海上侦察船、空中侦察飞机、太空侦察卫星等手段，全面详细地查明敌方军事电子装备和武器系统的部署位置、数量、类型、技术性能参数以及军队的部署与调动和军事企图等重要军事情报。若使用侦察兵或特工人员则无法完成这些任务，而使用现代信息侦察手段，其侦察范围广泛，可覆盖敌方整个战区和后方，迅速获得可靠的军事情报，为作战计划和作战行动提供可靠的依据，在战争中会达到“知已知彼，百战不殆”的目的。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究在陆海空天四维空间侦察中，地面侦察是不可或缺的一维。这是因为地面侦察在复杂的地形物理条件下甚至是严密伪装的情况下仍能充分发挥其作用，而这正是光学侦察、无线电侦察和雷达侦察的盲区。人员、装备等在地面上运动时，必然会发出声响、引起地面震动、使红外辐射发生变化，携带武器的人员或装备还会引起电场、磁场的变化。地面传感器即可通过探测这些物理量的变化来发现与识别运动目标。本课题将围绕地面侦察技术进行，把地面运动目标的地震动信号作为研究对象，在实验室中重现地面运动目标引起的地震动信号。该平台的研究，可加快地面运动目标探测识别技术的研究进程，可以在实验室通过以前采集到的数据随时模拟出运动目标的地震动信号情况，以供研究；同时在军事学科教学当中，为同学们提供了一个完整的、半实物的地面运动目标地震动的仿真实验平台，使得教学更加直观、生动。1.2地震动信号模拟振动台技术发展背景为了满足各种实验研究和教学需求，各行各业都设计了适合自己专业特色的实验仿真平台。其中用于地震动信号模拟的仿真实验平台国内外的研究机构也有一些相应的研究开发。地震动信号模拟实验平台的研究应用非常广。在地震工程、建筑工程、交通工程等领域，地震动信号模拟振动台都是重要试验设备之一。在各种结构模型的抗震试验和重要设备的抗震性能考核试验中，地震动信号模拟振动台可以按照人们的需要，或者模拟地震波的再现，或者进行某种特定的振动，而被试验的结构和设备的反应，经相似换算后，可以作为原型在真实地震下的反应。自1966年日本建成世界上第一台正弦波振动台以来，经过30年的发展，目前世界上已经建成了不少的振动台。1971年前研制的振动台均为单自由度(单轴向)运动系统。1971年后开始研制双轴向运动的系统。1978年后，开始研制3轴向和6自由度系统。到80年代中期后，3轴6自由度地震模拟振动台系统已较为普遍，原来是单轴和双轴的系统也开始向3轴6自由度系统进行改造完善。在控制方式上，1972年以前均采用位移控制，以后逐渐发展到位移、速度和加速度的三参量反馈控制系统，拓宽了系统的使用频带，提高了系统的稳定性。在国内，于1996年8月由中国地震局工程力学所研制成功的大型地震动模拟振动台，是我国自行研制的最大的三向地震模拟振动台，于1997年5月通过国家鉴定。对于振动台控制系统的研究，一般需解决的两个问题：一是使试验台响应信号尽可能地接近振动台的驱动信号；二是保证计算机能够正确记录下所有传感器及振动台在试验过程中的振动信号。在国外，这方面的研究比较多，如：美国SD公司，研制开发的美洲豹振动控制仪系列是一种多通道的数字信号处理器，它能高速获得数据，高速分析和高速产生输出信号。具有振动控制程序（如随机、正弦或冲击）的美洲豹69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究VCS提供了数字式实时闭环振动台控制，诸如产品试验、设计品质认定、可靠性试验应用、原件定义、模拟正弦的闭环控制和振动台系统的瞬间励磁。在国内，由泰司电子公司研制的ZHT-1型综合实验平台，如图1.1所示。图1.1ZHT-1型综合实验平台这是一套综合实验平台的产品，配有相应的应用软件，功能较强大。可以实现简谐振动振幅、频率的测量；机械振动固有频率测量；二自由度及多自由度系统的固有频率和主振频率型测量；振动信号的FFT分析等等功能。该平台由压电加速度计，程控电荷放大器，程控应变放大器，并口采集仪，低频扫频功率信号源，笔记本电脑等组成。苏州东菱振动试验仪器公司开发的RVC-2随机振动控制仪，可实现振动实验、冲击实验和信号分析的仪器。该系统包括三大部分：智能接口，数据采集和低通滤波器。该系统能较好的实现正弦、随机、冲击实验控制，具有正弦+随机，随机+随机，扫频驻留以及数据分析功能。控制系统如图1.2所示。图1.2RVC-2随机控制仪诸如此类的控制实验平台，功能比较齐全，有很多值得借鉴的地方，但是它们都有着自己独特的特点，限于一定领域。对于地面运动目标震动信号模拟仿真这一特定领域的研究和教学应用，并不能直接拿来所用，而且有很多功能也是冗余的。针对这种情况，本课题将紧密结合地面运动目标地震动信号的特性，以及在室验室对地震动信号的一些研究需要，研究开发出一套地震动信号模拟仿真实验平台。1.3地震动信号模拟实验平台简介随着现代69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究电子技术，通信技术，传感技术，信号处理技术，计算机技术等先进技术的飞速发展，开发出一套完整的地震动信号模拟实验平台成为可能。低通滤波器平滑示波器已采集到的信号（存储于PC机中）串口发送D/A转换功率放大器振动台传感器信号采集及实时处理目标分类识别判断LED显示结果外场数据采集下位机接收串口发送PC机接收实现的模拟实验平台的主要功能为：通过上位机的串行通信软件的控制把实际场地中采集到的地震动数据，经计算机串口发送出来，由下位机接收，并实现数模转换、滤波等功能，通过功率放大器，对信号进行放大，以达到激励振动台的目的，激励起来的振动台能够实现现场地震动情况的模拟仿真。振动台起振后，通过测振传感器、数据采集系统，将振动信号采集传输到上位机，或进行信号处理，对目标进行分类判别，并由LED显示出判别结果。系统的结构框图如图1.3所示：图1.3地震动信号模拟实验平台结构框图1.4本文的主要工作目前国内外虽然有很多功能非常强大的振动控制实验系统，但他们普遍价格昂贵。附加在价格上的很多功能我们也不能用到，另外所运用的场合也稍有差异，因此我们针对这种情况设计了一套适用于地震动信号模拟仿真的实验平台。本文的主要任务有：1.分析介绍了地面运动目标引起的地震波的产生及传播机理，以及随机振动的一些算法理论，为实验平台的设计提供了一定的理论基础。2.设计了上位机的串行通信软件，实现了数据发送、接收、显示、保存等功能。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究3.设计了基于AT89C51的数模转换卡，实现了数据的接收，数字信号到模拟信号的转换，去噪等功能,并通过功率放大器，对振动台进行驱动。4.设计了基于振动台的数据采集卡，实现了信号的调理、采集、传输，以及在此基础上实现了人员、车辆的过零点算法识别。本章小结本章首先对国内外电子侦察技术作了一些简述，引出了课题研究的大背景，接着针对本课题的研究，介绍了国内外模拟振动台和振动控制系统的一些研究情况。然后，概要的介绍了地震动信号实验平台的基本组成，以及实现的功能。在本章的最后，总结了在课题研究中的主要工作。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究2地震动信号与振动信号分析本课题所研究的振动台振动系统用于模拟地面运动目标行进时对地表产生的震动情况。震源是人员行走、车辆行驶、坦克行进时对地表产生的激励，该激励引起非刚体的地球介质变形，这一物理变形将在地球内部形成弹性波，并在地球介质中进行传播形成地震波；而振动台振动系统将把地面运动目标引起的地震波动在实验室中再现出来。2.1地面运动目标地震动信号2.1.1地震波分类及其传播特性为了较好的分析目标运动的地震动信号特征，应该清楚地震波的种类，以及其在介质层中的传播特性。当地球表面由于激励产生震动时，地球介质层中地震波的传播波型一般有四种：a)压缩波：又称纵波，P波，由压缩扰动引起。质点的振动方向与波的传播方向相同。波速为：=，其中是剪切模量，是介质的拉梅（Lame）常数，是介质密度。b)剪切波：又称横波，S波，由剪切扰动引起。质点的振动方向垂直于波的传播方向，波速为=。其中是剪切模量，是介质密度。c)瑞雷波：瑞雷波是由英国学者Rayleigh于1887年提出的，它是一种在介质的自由界面附近传播的，它的形成与传播，直接与介质的物理特性有关．瑞雷波在二维空间传播时，其介质的质点振动图像呈逆时针椭圆形，椭圆的长轴垂直于自由界面，短轴与波的传播方向平行，长轴约为短轴的1.5倍。它的波速比横波略小，约为横波的0.92倍。乐夫面波只有当表层介质的横波传播速度小于下层介质的横波传播速度时才能传播，介质质点的运动方向垂直于波的传播方向且平行于界面。d)69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究乐夫波：当半无限弹性介质表面上有一层均匀介质的表层时存在，质点在与波传播方向成垂直的水平方向上进行振动。乐夫波与横波速度相差不大，通常很难从地震波记录上看出。在这四种波中，纵波、横波又称体波，它们能在地球内部各方向自由传播。瑞雷波、乐夫波称为面波，面波是体波在一定的条件下形成相长干涉并叠加产生出的频率较低、能量较强的次生波，主要沿着介质的分界面传播，其能量随着深度的增加呈指数函数急剧衰减。地震勘探、工程物探中，常选用纵波、横波或瑞雷波作为有效波。这三种地震弹性波中，纵波传播速度最快，频率较高；横波速度较低，能量较弱，以致来自同一界面的横波总是比纵波到达得晚而以续至波的形式出现，但它的分辨率较高；沿自由表面传播的瑞雷波频率较低，能量最强。图2.1各种波的频率谱与视速度这三种波的传播速度、频率之间的关系如图2.1所示。2.1.2瑞雷波在一圆形振板上作上下激振，得到纵波、横波、瑞雷波所占的相对能量如表2.1。表2.1P波、S波、瑞雷波的能量比波的类型占全部能量的百分比瑞雷波67纵波7横波2669\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究可见瑞雷波占全部能量的2/3，而且，体波振幅的衰减与（r为振源到波前的距离）成正比，瑞雷波振幅的衰减与成正比，即瑞雷波的衰减要比体波慢得多。瑞雷波因为具有能量最强、衰减较慢、频率较低、容易分辨，在自由表面传播且传播距离较远等特性，因而相比于纵波、横波，瑞雷波更适合用于远距离地面运动目标的探测与识别。瑞雷波的能量主要集中在地表下的某一波长范围，其频率特性主要表现为两个方面：1.一般来讲，瑞雷波的频率较低，其主要频率成分集中在0-150Hz范围内。2.在均匀介质条件下，瑞雷波的频率与其传播速度无关，即瑞雷波的传播速度没有频散性。而在非均匀介质条件下，瑞雷波速度随频率变化而变化，即非均匀介质将导致瑞雷波的频散。2.1.3地面运动目标地震动信号采集前面提到瑞雷波相对于纵波、横波能量较强、衰减较慢、频率较低、容易分辨，所以对运动目标震动信号检测采用瑞雷波检测法。瑞雷波检测方法一般分为瞬态法和稳态法两种，这两种方法的区别在于震源不同．瞬态法是在激震时产生一定频率范围的瑞雷波，并以复频波的形式传播；稳态法是在激震时产生单一频率的瑞雷波，并以单一频率波的形式传播。我们对地面运动目标震动信号的检测可以采用瞬态瑞雷波检测和稳态瑞雷波检测相结合的方法。人员走动时脚步施加于地面的激励为脉冲激励。地表在脉冲载荷作用下，在离震源较远处，传感器记录的基本上是瑞雷波的垂直分量。车辆行进时车轮或履带施加的激励是多频稳态激励，而且震源与传感器之间的距离随时间而变化。因此传感器测得的是各次激振各频率谐波的叠加。图2.2脚步与车辆时域波形图69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究我们在外场进行了人员行走、车辆行驶时的地震动信号数据采集实验；人员行走时其频率数一般不超过6步/秒，而轮式车或履带式车的信号的主频都大于20Hz，虽然地质条件复杂，但这个特征还是稳定的。图2.2给出了人员和车辆的典型信号时域图形。2.2振动台振动信号本课题是通过振动台模拟地面运动目标的地震动信号情况。在研究地表结构的响应时，通常将一定距离范围内运动引起的地震动信号近似归结为广义平稳随机信号。振动台的振动可分为确定性振动和随机振动两大类。为把平稳随机振动环境在实验室中准确的再现，须要求两个随机振动统计特性相同。2.2.1随机振动信号统计特性分析随机振动是一种非确定性振动。当物体作随机振动时，我们预先是不能确定物体上某监测点未来某个时刻运动参量的瞬时值。因此随机性振动和确定性振动有本质不同，是不能用时间的确定性函数来描述的一种振动现象。但是从总体来看，这种振动现象存在着一定的统计规律性，能用该现象的统计特性来描述。随机振动又分为平稳随机振动和非平稳随机振动。所谓平稳随机振动是指其统计特性不随时间而变化。严格地说，实际工程中一切随机过程都是非平稳的，但是从“近似”的角度出发，不少工程问题是可以看作为平稳随机过程的。对于平稳随机过程，随机振动的统计特征参数如下：一、均值随机过程{x(t)}在给定时刻t的随机变量x(t)的平均值，可以用x(t)的数学期望来计算，而对平稳随机过程，统计量不随时间而变化，有：E[x（t）]===常数(2.1)二、均方值随机过程{x（t）}在给定时刻t的均方值，就是x(t)的数学期望，同样对于平稳随机过程有：E[x（t）]===常数(2.2)69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究三、方差随机过程{x（t）}在给定时刻t的随机变量x(t)的方差，就是{x(t)-E[x(t)]}的数学期望，同样对于平稳随机过程有：D[x(t)]={x(t)-E[x(t)]}=x(t)–2x(t)E[x(t)]+E[x(t)](2.3)将式（2.1）、(2.2)代入（2.3），得D[x(t)]=E[x(t)]-E[x(t)]=常数四、自相关函数、功率谱密度函数自相关函数是研究平稳随机过程的重要统计量，它描述了信号x(t)在t,t+两个时刻的相互关系。对于广义平稳随机信号x(t)，自相关函数定义为(2.4)对于平稳的随机振动信号功率谱密度函数在给出波形信息的同时，也表示了与其振动频率对应的能量分布，是一个很重要的统计量。它从频率域对随机过程作统计描述，集中显示出过程的频率结构，可用它来判别该过程中各频率成份能量的强弱。自相关函数的傅氏变换就是自功率谱密度函数，简称自谱。对于平稳随机过程，自谱密度函数为：S()=S(f)=由于R()是的偶函数，且S(f)是非负的，所以S(f)一定是非负的实偶函数。自功率谱密度函数是描述随机振动的一个重要参数，它使我们知道哪一些频率的功率是主要的。通过对功率谱密度函数的了解，也有助于振动模拟的设计工作。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究当然，严格地来说，要想把地面运动目标地震动信号在模拟实验中精确地重现是不可能的，但是至少我们应该尽量做到试验结果的某些随机振动信号的统计特征与实际的统计特征是基本一致的。比如：对于高斯过程随机振动的模拟中，只要使它的功率谱密度与实际环境的相符就可以了。另外，实际的地面运动目标的地震动信号是比较复杂的，一方面，我们获得的反映地震动信号的数据不能算非常完整，实验中可利用的数据也是有限的；另一方面，为了激起振动台各点与实际情况下一样的运动，似乎应当安装许多的激振器，但是，我们的实验设备是有限的。因此，在一般情况下，我们只可能进行一定程度的近似模拟。而实际上，只用一套振动设备，一个激振器也可以获得虽然是近似的但也可基本满足我们要求的模拟。2.2.2随机振动控制随机振动试验控制方式一般有两种：频谱再现式宽带随机振动试验，时域再现式随机振动试验。频谱再现式控制技术是通过量化技术将模拟振动信号转换为数字信号。然后，利用快速傅立叶变换（FFT）技术，将振动时域信号转换为相应的频域信号（功率谱密度PSD），并在频域上进行均衡修正，使控制点的PSD达到预定要求。它能在较短的时间内“同时”激发具有特定谱形的宽频带的随机振动。它大致由四个部分组成：模拟信号的量化、时-频域的正向、逆向转换、频谱（PSD）均衡和激励信号的随机化，其框图表示如2.3所示。低通滤波抗混数模转换模数转换参考谱PSD计算时域随机化均衡IFFT相位随机化低通滤波平滑激振系统功放振动台电荷放大器图2.3频谱再现式随机振动控制系统69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究其工作流程为：通过传感器感应振动台振动信号，经电荷放大器转换为电压信号，对该电压信号进行A/D转换后，进行时频域变换，求出其功率谱密度函数（PSD计算），并将其与预先设定好的参考PSD进行比较修正，得出新的驱动幅值谱。新的驱动谱值与一组随机相位一起进行逆傅里叶变换（IFFT），之后经过时域随机化转变为随机信号，最后通过D/A，功放驱动振动台振动。对于频谱再现式随机振动试验控制，最基本的计算是快速傅里叶变换（FFT）及逆傅里叶变换（IFFT），而最关键的计算是频谱均衡和激励信号的随机化。傅里叶变换、逆变换比较熟悉，在这里只对频谱均衡、激励信号的随机化作一些介绍分析。对于振动试验系统其输入、输出的关系为：Y（f）=H（f）X（f）其中X（f）为输入的频域信号，Y（f）为输出的频域信号，H（f）为系统的传递函数。在频谱再现式随机振动控制过程中，关心的是频域的幅值特性，因此上式可变换为输入输出信号自功率谱函数的关系式，即S（）=|H（）|S()要使振动台的输入功率谱与输出功率谱相同，需要求：H（）=1。在实际的系统是不存在的，因此需进行人为的均衡补偿。一般补偿方法有两种：第一种方法是在试验系统前放置一组滤波器，使这组滤波器的频响为H()，这样就可得到相同的功率谱了，这种方法称为传递函数修正法。另一种方法，是对功率谱进行修正，使得S（）=|H（）|S()/H()=|H（）|S()=S()这相当于是修正了输入波形，这种方法称为波形修正法。对于一个确定的驱动信号谱将其在时域随机化需经过以下几个步骤：首先，需对驱动谱的离散序列进行逆傅里叶变换（IFFT），得到一个离散时间序列。其次，产生一个随机数发生单元（产生长周期随机数的方法很多），在产生的随机数序列中，取若干位的数值作为随机相位使用构成随机相位谱，将其与驱动谱的离散序列组合得到一个与复数输出谱相对应的随机时域序列{x}。{x}|S(k)|{A+jB}(k=0，1，…，...，N-1)其中，S(k)为驱动功率谱，A+jB为随机相位谱，因为相位的出现概率是随机的，因此这样构成的随机信号的幅值概率密度函数近似于高斯分布。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究通过上述两个步骤所得随机信号是以AD转换器一帧的采样时间T为循环周期的，因此还需对其进一步随机化。将上述周期为T的时间序列（假设序列长为N），取其中序列中的任一点作为起始点，顺序、倒序取N点，它们的谱是不变的，将会产生2N种时间序列，将2N种序列以随机的次序相连叠加，就可得到周期很长的时间序列，可近似为非周期的随机信号。另外在上述信号的叠加过程中，为了保证信号的连续性，将每组信号在叠加之前进行加窗处理。上面我们所讲的是关于频谱再现式随机振动试验，该方式涉及到A/D采样，快速傅里叶变换，功率谱计算、比较、修正，逆傅里叶变换，相位随机，时域随机化，D/A转换等繁多的步骤，为满足其控制的实时性，对硬件的性能要求非常高，另外算法硬件实现的周期也较长。另外还有一种随机振动试验控制方式：时域再现式随机振动试验。它一般用于低频的随机振动试验，如：地震模拟、汽车道路模拟等。这种方式相对简单，对硬件的要求也不太高，开发周期相对较短。鉴于我们模拟的是低频的地震动信号，并作为我们对振动实验平台系统开发的初步探索，我们拟采用该方式来实现振动控制实验平台，后面的章节将详细讲述该系统的软硬件设计。2.2.3随机振动信号采集在振动台实验系统中，为使振动台振动情况满足我们的需要，须通过振动采集系统准确、实时地采集振动台振动响应信号，以便对随机振动的分析和控制提供真实可靠的依据。在对振动信号进行数字化处理时，首先要进行采样。采样是以固定的时间间隔（t）依次抽取连续信号不同时刻瞬时幅值的过程，f=1/t为采样频率。为使采样后的离散信号能够不丢失原有信息内容，需满足采样定理：f2f，其中f为振动信号的最高频率。在任何一种随机振动试验中，振动信号都具有一定的频率带宽，可分为工作频带内、外两个部分。如果按照低频信号来确定采样率，会使得高频成分折迭到低频成分，发生频率混淆，为此，在采样前，用一截止频率为f的抗混淆滤波器，先将信号x（t）施行低通滤波，将不感兴趣或不需要的高频成分滤掉，然后再进行采样和数据处理。经过采样的信号，需要进行量化，量化是将采样得到的离散信号的幅值用最接近的有限长的二进制数字序列来表示。这个过程是由模数换器（A/D）来完成的。在量化过程中会产生量化误差，在信号处理中，量化误差是作为白噪声，叠加到x（t）上，故把信号功率与量化噪声功率之比称为信噪比，在数据采集时A/D转换器的位数是根据对信噪比的要求来选取的，它们有如下的关系：69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究SNR=10lg()=6b+10.8+20lg(A)(dB)其中，SNR为信噪比，及分别为信号和量化噪声的功率，A为修正系数，b为A/D转换器的位数。如果选取A的大小时考虑到溢出问题使A=2,则：SNR=6b-1.24(dB)比如：若要使量化信噪比为40dB，A/D转换器位数b=(40+1.24)/67，若要使量化信噪比为80dB，则A/D转换器位数b=(40+1.24)/614。因此，增加A/D位数可减少量化误差。在数据量化处理后，一般还须进行预处理工作，否则在进行计算后，就难以用一般方法来检测原始信号中混入的误差。数据预处理一般包括：奇异点剔除一般是由于采集系统中引入了较大的外部干扰，或信号丢失传感器失灵等原因。可以通过人工鉴别的方法剔除这些奇异点，或者将某一采集数x与其相邻的数据点进行比较，判别x数值是否为合理点。消除趋势项一般由于采集系统中的零点漂移或其它某些因素影响而产生随时间变化的趋势误差。工程上常采用的消除方法是最小二乘法，它既可以消除高阶多项式的趋势项，又可消除线性趋势项，是一种精度较高的方法。此外，在进行更深入的数据分析之前，还须对被分析的数据进行数据检验，这里不再作分析介绍了。本章小节本章分为两个部分，第一个部分对地震动信号进行了一些介绍分析，第二个部分对随机振动信号进行了一些介绍分析。在第一部分首先对地震波进行了分类，分析了各种地震波的传播特性；然后通过比较三种地震波的能量比、衰减特性选择了瑞雷波作为我们的研究对像；最后给出了我们在外场测得的人员、车辆的时域波形图。在第二部分，首先根据地震动信号实验室再现的要求，介绍了随机振动的一些统计特性参数，接着对振动台随机振动控制的两种方式作了分析和介绍，最后对随机振动信号的采集作了一些理论分析。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究3上位机的串行通信实现采集存储在计算机中的数据，是以文件的形式存在的，为了能够激励振动台的振动，首先需把这些十六进制或二进制表示的数据，通过计算机的串行口发送出来，由下位机接收，并由下位机的控制电路实现控制振动台的振动。3.1串行数据通信3.1.1基本概念数据通信是在相互连接的数字式设备间传送信息的过程，这些数据定义为不连续符号编码的信息，由一连串的二进制符号0和1表示。计算机以及与其工作的其它设备是这些二进制符号的处理者，这些符号通常称作“位”。因而，数据通信最终是一个从一处到另一处的位传送问题。数据通信传输的几个基本问题：数据通信的媒介体数据处理设备之间的路径称作通信通道或通信线路，通信线路的媒介体一般为电缆、电话线等。信息如何传输通过形成穿越媒介体的能量流通模式(电、无线电波、光、声音)，我们可以传输信息。信息如何理解制定统一的通信标准，如：RS-232、RS-485、USB、PCI等。信息的流通方向数据的流通方向为：单工、全双工、半双工和多工。3.1.2串行通信接口PC机与下位机的数据通信一般通过RS232串行通信接口进行传输。串行通信接口所起的作用主要有以下几点：实现数据格式化在异步通信方式下，接口自动生成有起始位、停止位式的帧数据格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待传送的数据块前加上同步字符。进行串并转换串行传送，数据是一位一位传送的，而计算机处理数据是并行的。因此当数据在计算机与数据收发器之间传送时，需进行串并转换。控制数据传输速率串行通信接口电路应具有对数据传输速率——波特率进行选择和控制的能力。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究进行错误检测在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验位或其他校验码；在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验或其他校验码。进行TTL与EIA电平转换CPU和终端均采用TTL电平及正逻辑，它们与EIA采用的电平及负逻辑不兼容，需在接口电路中进行转换。3.1.3串行通信协议通信协议是数据通信的基础，通信程序是在通信协议的基础上进行编写的。串行通信协议一般分为同步协议和异步协议。同步通信定义为“以相同的速率发生并且准确的协调”。在同步通信中，通过共享一个单时钟或定时脉冲源，发送器和接送器同步。它的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符。数据块的前后都加了几个特定的同步字符(synchronousCharacter)。异步通信按字符传输，每传输一个字符，就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方同步。在异步通信下，发送器和接收器都有自己独立的时钟。两个时钟不是连续锁定在同步方式下的，而是由一个“触发”信号实现主要时间的同步，同步通信，传输效率高,但同步协议需像传送数据一样传送定时信息，因此同步通信硬件通常比异步通信硬件更复杂和昂贵一些。异步通信，一般用于传输速率较慢的场合，但异步通信传输方便，可靠性性较高。3.2串行通信软件实现理解上述串行数据的基本概念后，结合编程环境和自己需要实现的功能就可以编制相应的串行通信软件了。3.2.1串行通信软件的总体结构根据课题需要，设计的串行通信程序流程框图如图3.1所示。串行通信程序大体上可分为3个模块：l程序主控模块：负责实现程序主界面，及WINDOWS常用操作；实现串口参数设置，数据转换，初始化等操作。l串口发送模块：负责串口发送任务，实现数据类型转换，实现发送字符或文件等功能。l69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究串口接收模块：负责串口接收任务，实现字符或文件的接收、显示和保存等功能。开始设置端口号、传输速度、校验位、数据位、停止位，发送缓冲区选择发送数据类型选择接收数据类型发送字符发送文件根据设置进行数据发送处理接收字符接收文件显示保存文件结束结束图3.1串口通信程序设计流程图3.2.2串行通信关键技术目前计算机与外部设备之间的通讯使用的开发工具主要有VisualBasic，Delphi，VisualC++。VisualBasic是Windows环境下简单易学、高效的可视化编程语言开发系统，以其所见即所得的可视化界面设计风格和32位面向对象的程序设计等特点，已广泛地应用于各个领域，是很多计算机软件开发人员采用的开发工具。VB不但提供了良好的界面设计能力，而且在微机串口通信方面也有很强的功能。采用VB开发Windows下的串口通信应用软件十分方便，尤其软件界面设计非常便捷，编程工作量较小，开发周期较短。VB6.0系统中可通过调用WindowsAPI函数、编写DLL程序或使用Activex控件三种方式，实现Windows环境下的串口通信接口。基于Windows的API接口函数是一些很复杂的函数、消息的集合，在windows环境中，执行基本的输入和输出功能、内存管理和支持多任务的功能都是依赖于API函数完成的，诸如句柄、窗口管理和消息传递都是和API函数紧密相连的。API函数在串行通信程序的编写中使用面也比较广，但是运用起来比较复杂，需要掌握大量的通信知识，其优点是可实现的功能更丰富、应用面更广泛，适合于编写较为复杂的低层次通信程序。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究动态链接（DLL）程序的编写，是直接利用windows的读写端口函数或开发驱动程序直接对串口进行操作，一般用C语言编写DLL程序，生成动态链接库，由VB来调用。这种方法能够扩展VB对硬件的访问功能，但是必须了解硬件电路结构原理，深入驱动层次，专业化程度较高。使用ActiveX控件的方法较简单，本课题制作的串行通信程序就是使用该方法。VB企业版的串行通信控件MSComm32.OCX，它提供了使用RS—232来进行数据通信的所有协议，使用事件驱动方式和查询方式来处理和解决各类通信软件的开发设计问题。事件驱动方式是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。事件驱动方式的优点是程序响应及时，可靠性高。每个MSComm控件对应着一个串行端口。而查询方式实质上还是事件驱动，但在有些情况下，这种方式显得更为便捷。在程序的每个关键功能之后，可以通过检查CommEvent属性的值来查询事件和错误。如果应用程序较小，并且是自保持的，这种方法可能是更可取的。VB为MSComm控件提供了标准的事件处理函数、过程，并通过属性和方法提供了串行通信的设置。它使用户能够方便地访问Windows串行通信驱动程序的大多数特性，包括输入、输出缓冲区的大小及决定何时使用流控制命令进行数据传输等。3.2.3软件实现在软件编写之前，我们首先要规划好整个程序，要考虑到如何实现各种功能，其次要注意界面的友好，表达清晰，直观明了，另外，各项功能的使用要简单方便，使得操作者可以更好地控制这个程序。程序实现的主要功能及步骤如下：主窗体设计设计主窗体的大小，根据需要实现的功能，在主窗体中安置相应的控件，并设置其属性。在安置各控件时，应注意整体的美观、简洁；另外，主窗体中应当能够响应整个程序的主要操作，并可调用程序的各个模块和功能。定义窗体变量、模块变量在这一部分，定义整个程序的全局变量，比如：串口号、协议设置、各种标志等。定义全局变量的原因是本程序中这些变量须在各子模块中互相传递。建立通信加入通信对像，也即MSComm控件，对通讯端口号、通讯协议、传输速度、输入输出缓冲区等参数进行编写设定；数据的发送与接收这一部分是串行通信的核心部分，主要是对数据或文件实现发送和接收的处理，包括ASCII码字符向十六进制、二进制的转换，十六进制、二进制向ASCII码的转换等；数据或文件的发送与接收的管理，数据的显示，文件的调用与保存等。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究软件的辅助功能的设计这一部分的设计是为了使操作者能够更加方便的对该软件进行操作，包括参数设置功能、初始化功能、状态显示功能、提供帮助信息等功能。错误处理设计在进行程序操作时，可能会有一些非法操作，应对操作时可能出错的地方加入相应的错误处理程序段，并给出错误提示消息框。程序调试首先排除掉语法错误，这一部分的调试编程坏境一般会给我们提示；其次对程序运行时错误进行处理，另外，如果程序并没有按照我们预计的方式运行，需要寻找程序内部的逻辑错误，这两部分的调试主要通过设置调试断点、单步执行程序以及检查程序代码不同变量值的变化情况等方法来解决；如果仍不能得到预期结果，需要重新考虑算法的可行性。程序发布在编写调试通过后，需要对程序进行发布。一种方式是生成.exe的可执行文件，这种发布方式简单，但是PC机中必须装有VisualBasic系统，否则，生成的执行文件可能无法正常运行，原因是应用程序运行时需调用大量动态链接库和各种ActiveX控件。另一种方式是生成安装文件，这种方式，是把程序中需要用到的各种动态链接库和ActiveX控件进行打包，生成Setup.exe文件。建成的安装文件，即使在没有安装VisualBasic系统的PC机上也能安装运行。程序测试编写好的程序最终能否实现各项功能，需要靠实际运行来测试。程序的测试可以通过在两台PC机上同时运行该程序，采用串口线连接进行测试；也可以连接一台计算机的两个串口进行测试；或者将计算机一个串口的发送脚与接收脚短接。在这里，我们采用了第一种方法，进行了测试，验证了软件的可行性。图3.2为程序的发送情况，图3.3为程序的接收情况。图3.2程序发送情况69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究图3.3程序接收情况本章小结：本章首先对串行通信的概念作了一些简单介绍，引出了数据传输的一些基本问题；接着对串行通信接口实现的功能作了具体的解释；然后对最常用的两种串行通信协议：同步协议、异步协议之间的优缺点作了详细的分析；最后介绍了上位机串行通信软件的功能框图及实现的关键技术和编程思路，并给出了程序的测试结果。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究4振动台驱动电路软硬件设计存储于PC机中的地震动数据，通过上位机的串口通信软件发送出来的高低电平并不能直接驱动振动台，必须通过下位机接收并进行数模转换变为模拟信号，然后通过功率放大器放大，才能实现振动台的驱动。4.1系统设计概要4.1.1系统设计流程单片机系统的设计开发，与一般的应用系统开发在方法和步骤上基本相同。首先，设计者必须对系统的应用有一个整体把握；然后根据系统的应用场合，实现的功能提出研制的任务，接着对提出的任务进行分析、论证，论证后便开始进行硬件设计、软件设计，样机调试，直到最后定型。它的应用开发的简要流程如图4.1所示。应用系统功能的分析，任务的提出对任务进行分析、研究，确定系统功能及组成方案确定软、硬件功能分配及相互关系硬件开发：芯片选型；确定各芯片间接口方案；绘制原理图及PCB图；软件开发：选择编程语言；根据硬件划分各程序模块；编写、仿真、调试在样机下运行软件；反复修改、调试；排除故障，直到符合要求硬件定型、软件固化，编写使用说明书。交付使用图4.1单片机系统开发流程图69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究4.1.2系统设计描述本系统的功能是把在外场中人员、车辆、坦克在行进时对地表的激励引起的震动情况搬进实验室，实现人工通过计算机、驱动电路、功率放大器激励振动台振动以模拟地表震动的时域特性、频域特性。在本章中，我们将具体介绍驱动电路的软硬件实现。在对电路设计之前，我们首先应当对电路有个整体的了解，对系统的组成有一个总体的框架。系统组成框图如图4.2所示，主要包括电源部分，与PC机接口的部分，电平转换部分，单片机对数据处理与控制部分，D/A转换部分、低通滤波部分等。RS-232串口电平转换芯片单片机DA转换芯片低通滤波器电源供电、稳压芯片图4.2系统组成框图对系统的总体有了一个概念后，接下来将要对系统有一个详细的规划。比如：功能的实现、性能指标、应用环境、功耗、电路板大小、布局、成本货源等等；然后根据这些要求，对其进行分析，比如：输入信号的特点，输出信号应达到什么样的要求，采取什么方法实现；工作环境的噪声干扰情况，采取硬件方式解决还是软件方式解决；输入到输出的响应时间，根据时间响应要求选择高速芯片抑或是中低速的芯片就可以了；整个电路板的功耗要求，是否需要专门选择低功耗的芯片；根据元器件的多少，布线的密集程度确定电路板的大小、电路板层数等。经过了上述的一些考虑，结合芯片成本、市场货源等情况，便可以对芯片进行选型。在芯片定型后，将根据各芯片的外围引脚、接口逻辑绘制总体逻辑框图，构划出硬件系统总体结构，并进行具体的功能分配，地址空间的划分以及有关技术措施的实现。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究在硬件系统基本确定，即开始应用系统软件设计。软件设计之前首先要针对程序的可读性、可移植性、代码转换的效率、设计的效率以及各人对不同语言的熟悉程度选择合适的开发语言和汇编环境。其次要根据硬件系统的结构对软件的任务和要求进行仔细分析、明确，进一步具体化，对单片机资源进行具体分配。然后，在总体设计的基础上，划分各程序子模块，进一步细化，明确各模块之间的关联及与主程序的关系，最后进行程序的编写。软、硬设计完成后，要对其进行调试，调试应充分利用万用表、示波器及仿真开发器提供的调试手段，采用科学的调试技术，提高调试效率，缩短调试时间。经过反复的修改、验证，排除故障，直至符合要求后，就可以对产品定型，交付使用。4.2PC机与下位机通信接口电路PC机与下位机之间的通信接口广泛采用RS232串行通讯接口。RS-232C是美国电子工业协会（EIA）正式公布的，是目前在异步串行通信中应用最广的标准总线，能够很方便地把各种计算机、外部设备、测量仪器有机地连接起来，构成一个测量、控制系统。它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。通信距离可达15m，最高数据传送率可达19.2Kbps。RS-232C标准的电平采用负逻辑，规定+3v~+15v之间的任意电平为逻辑“0”电平，-3v~-15v之间的任意电平为逻辑“1”电平，与TTL和CMOS电平是不同的。因此在应用中，必须把微处理器的信号电平(TTL电平)转换为RS-232C电平，或者对二者进行逆转换。我们在这里选用专用电平转换芯片MAX232来实现的。4.2.1PC机串行接口PC的主板上通常都预留有一个或两个九针(DB-9)全双工串行接口(COMl、COM2)，其电气标准遵循RS-232C标准。在通常的异步串行通信中只使用其中三个引脚，即引脚2(接收RXD)、引脚3(发送TXD)、引脚5(信号地GND)．各引脚功能如图1所示．图4.1九针串口引脚示意图69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究4.2.2电平转换芯片MAX232芯片是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双RS232发送／接收器．适用于各种EIA-232E和V．28／V．24的通信接口．MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5v电源变换成RS-232C输出电平所需10v电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5v电源就可以。MAX232外围的4个电解电容Cl、C2、C3、C4及V+和V-是内部电源转换电路部分。其取值均为1F／25V，宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片，用于提高抗干扰能力。在实际应用中，器件对电源噪声很敏感，因此VCC必须对地加上去耦电容C5，其值为0.1F。MAX232的引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTL／CMOS电平的引脚。引脚TlOUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS-232C电平的引脚。因此TTL／CMOS电平的T1IN、T2IN引脚应接MCS-51的串行发送引脚TXD；R1OUT、R2OUT应接MCS-51的串行接收引脚RXD。与之对应的RS-232C电平的T1OUT、T2OUT应接PC机的接收端RXD；R1IN、R2IN应接PC机的发送端TXD。图4.2为MAX232的典型工作以及与PC的串口连接图。图4.2MAX232与PC机串口连接图4.2.3AT89C51单片机AT89C51单片机是由Atmel公司开发的低功耗高性能CMOS8位微处理器。带有4K字节可编程和可电擦除的只读存储器。指令与MCS-51系列的MCU的标准完全兼容，包括指令的寻址方式，各种数据的操作和管脚兼容等。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究AT89C51提供3种封装形式：PDIP（40脚塑料双列直插式封装）、PLCC（44脚塑料有引线芯片载体封装）、PQFP（44脚塑料四边引出扁平封装）。其内设P0、P1、P2、P3四个端口，其中P0为数据、地址双向的多用端口，P3口为双功能口。内部有两个16位定时器T0、T1，4K的FLASH只读存储器，和128B的片内RAM。有五个两层中断源，一个全双工的串行通信接口。此外AT89C51还提供两种节电方式：冻结运行方式和掉电保持方式，从而使得单片机能以低功耗的操作方式运行。同时，AT89C51单片机具有3级单向一次性可编程的密码锁存，可以防止芯片内的程序被非法读写、拷贝等，在安全性方面性能非常高，提高安全性的同时也保护了知识产权。综上所述，AT89C51是具有高性能和性能价格比的微处理器。已经广泛地应用于各种内嵌式控制系统和设备。鉴于AT89C51的优良性能，在PC机与下位机的通信中，多以AT89C51系列单片机作为核心。4.2.4AT89C51串行通信的时钟配置在选用时钟进行AT89C51与PC机的串行通信时，应考虑两个问题：即时钟频率和工作期限内的时钟精度。51系列单片机所支持的时钟频率一般小于24MHz，如果我们选择12MHz，采用定时方式2、异步模式1串行通信。我们通过波特率计算公式：BaudRate=*，其中BaudRate为波特率，SMOD为波特率倍增位，fsoc为振荡频率，TH1为定时器1自动重装载值。可以得到采用12MHz时实际波特率与标准波特率之间的误差如表1所示。表112MHz晶振的实际波特率与标准波特率误差表定时器1重装载值实际波特率标准波特率误差率25531250288008.5%25415625144008.5%2531041796008.4%249/2504464/520848007%/8.5%2432403.824000.158%2301201.912000.158%69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究在一般情况下，用RS232标准进行串行通信，一旦波特率误差超出3%，即使数据传送时有起始位和停止位进行同步，也有可能造成通信错误。因此在3%的容许误差范围内，运用12MHz的时钟频率，最高传输速率只能限制在2400波特以内。我们的课题需要19.2K的波特率，所以通常的12MHz的晶振并不能保证通信的正确率。根据这种情况本课题选择了11.0592MHz的晶振。运用11.0592的晶振进行波特率运算，正好可以整除，所得波特率与标准波特率完全吻合。这样，便可保证串行通信的正确性了。4.3数模转换电路设计4.3.1D/A转换器的选型在单片机接收到上位机传来的数据后，我们要对这些数据进行数模转换。因此根据课题需要选择一种适合的DA转换器是非常必要的。现在市场上各种类型的数模转换器层出不穷，品种繁多。根据传送方式的不同有串行DA、并行DA；根据转换精度的不同有8位、10位、12位、16位等等；根据内部是否有运算放大器，又分为电流输出型DAC和电压输出型DAC；根据转换器内部结构可分为权电阻网络D/A转换器、T型R-2R电阻网络D/A转换器、2^nR电阻分压式D/A转换器等。面对如此多的DAC，选择一种适合自己需要的转换器，应当首先从以下几个方面来考虑：芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技术要求；在结构和应用特性上应满足接口方便、外围接口电路简单、价格低廉等要求。在性能上主要考虑的有：静态指标，包括各项精度指标，如分辨率、精度、失调误差、线性误差等；动态指标，通常包括建立时间，数码发生变化时刻产生的尖锋等；环境指标，主要包括环境温度影响的增益温度系数等。在结构特性与应用特性的选择上主要考虑的有：数字输入特性，如是并行码输入还是串行码输入；数字输出特性，如是电流输出还是电压输出等；数字锁存特性及转换控制，如DAC内部是否有输入锁存器，能否对输入数字进行锁存；参考源，内部是否带有精密参考电压源等等。考虑了系统的实际要求，如系统要求的精度、数字输入特性、输出特性、数字锁存和参考源等。本系统采用了MAXIM公司生产MAX530数模转换芯片。该芯片是一种低功耗，12位并行输入，采用+5V单电源、69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究5V双电源供电的双电源D/A转换芯片。当+5V供电时，消耗电流仅250A，而处于待工作状态时电流仅为40A。其并行输入具有双缓冲器，可与4位、8位、16位微处理器的并行口相连。片内含有经激光微调的R-2R电阻网络、基准电压、输出运放。通过调整管脚接线可使输出电压设定于0~+2.048V，0~+4.096V或–2.048V~+2.048V等不同增益范围。而且无需外部电阻或外部运放即可用作四象限乘法器。4.3.2AT89C51与MAX530接口电路MAX530是12位并行输入D/A转换器，但输入仅为8位，其中8位共用4根输入管脚，它的输入端与TTL/CMOS电平兼容。它的内部包含有2.048V基准源和一个输出电压缓冲器，输入选择锁存器以及控制逻辑电路。由于内部自带运算放大器，因此不需要外接运算放大器就可以实现单极性或者双极性的输出。本系统中转换的信号是双极性的，因此采用双极输出接线。双极性接线图如图4.3所示。MAX530的DA转换可按照8+4的接线方式，也可按4+4+4的接线方式。我们采用的是4+4+4的接线方式。图4.3双极性输出（-2.048V~+2.048V）AT89C51与MAX530的接线图如图4.4所示。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究图4.4AT89C51与MAX530接口图图中，利用P2.7脚实现对DA芯片寄存器的清零，并加入一个非门隔离驱动，以提高驱动能力。芯片的数据寄存器选择位A0、A1、直接与单片机的P2.0、P2.1和引脚相连。引脚与P2.0和P2.1脚相或后相接。MAX530芯片内部的数据寄存器、DAC寄存器是通过、A0、A1、等信号线进行选择，更新和装入的。它们之间的组合逻辑功能如表4.2所示。表4.2输入寄存器地址使能表数据操作L复位DAC寄存器HHH空操作HHH空操作HLLHHH装入D8~D11数据寄存器HLLHHL装入D4~D7数据寄存器HLLHLH装入D0~D3数据寄存器HHHL装入DAC寄存器HLLLL装入D0~D7数据寄存器HLLLHH装入D8~D11数据寄存器4.3.3信号的低通滤波地震动信号的频率范围一般在10Hz~150Hz，属于低频信号。数字信号经过计算机串口、单片机、DA转换器转变为模拟信号，其间很可能会有高频干扰加入，因此系统中串入了一个低通滤波器，用来滤除高频干扰，以得到所希望的信号，另外低通滤波器对DAC输出的模拟信号还具有平滑作用。滤波器的种类很多，按处理信号的类型可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择和信息选择。按通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类别。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究针对本课题，我们所选择的是一种开关电容滤波技术构成的8次频率低通滤波器MAX291。该芯片是由MAXIM公司生产，采用8引脚DIP和SOP两种封装形式。开关电容滤波技术是利用MOS开关电容来模拟有源滤波器中的阳性元件，其等效模拟电阻值受外部时钟频率控制，改变外部时钟频率就可改变R、C时间常数，从而达到改变滤波器截止频率的目的。MAX291的时钟频率（f）必须限制在10Hz~2.5MHz范围内，滤波器的截止频率与时钟频率有如下关系式：f=f/100，因此MAX291的截止频率的范围在0.1Hz~25KHz。时钟频率的供给可以采用处部时钟方式，也可以采用内部时钟的方式。如果采用外部时钟方式可选用专门的波形发生器芯片MAX038，通过配置其引脚所接的电容值可以得到想要的时钟频率。如果采用内部时钟方式只需在时钟引脚上接上一个电容，就可以使内部时钟工作。内部时钟频率与外部电容有一个计算式：f(KHz)=。使用内部时钟方式简单方便，但是也有其缺点，就是集成电路内部的振荡频率误差一般为20%，因此只能用在对频率精度要求不太高的场合。本系统由于对截止频率的精度要求不高，因此采用了简单方便的内部时钟方式产生截止频率。在电源方面，MAX291可采用双电源5V的方式供电，也可采用单电源+5V的方式供电。如果采用+5V单电源供电，需将芯片的GND端由电阻进行分压偏置在电源中点上，V-端接电源的0V。从芯片的角度来看，实际上，V-端的电压为-2.5V，因此滤波芯片是工作在2.5V的双电源下的。MAX291确保数据不被丢失的电源电压为2.375V~5.5V，实际工作中电源电压在2.5V~5V的范围内一般都是没有什么问题的。因此采用+5V的单电源仍能正常工作。本系统中前面介绍的DA转换芯片是用双电源5V提供的，在这里可共用其双电源，这样就省去了额外的偏置电阻。MAX291的外围电路接线图如4.5所示。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究图4.5MAX291外围电路接线图4.4系统外围电路设计4.4.1系统电源设计在系统中DA数模转换卡、低通滤波器采用5V供电，其它诸如单片机、电平转换芯片采用+5V供电。基于此我们应为系统提供一个稳定的5V电源。三端集成稳压器7805、7905能够完成这样的任务。三端集成稳压器仅有输入端、输出端和公共端三个引脚，芯片内部设有过流、过热保护以及调整管安全保护电路，其所需外接元件少，使用方便、可靠，因此应用非常广泛。如图4.6为7805和7905的典型接法，7805可接受的电压输入范围为7.5V~35V，输出电压为55%V，最大输出电流为1.5A；7905可接受的电压输入范围为-7V~-35V，输出电压为-55%V，最大输出电流为1.5A。因此可以满足系统的实际要求。图4.67805和7905典型接法4.4.2系统时钟电路及复位电路69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究单片机外部的振荡电路与单片机内部的时钟电路一起构成了单片机的时钟方式，根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。同时，振荡周期和时钟周期又决定了CPU的时序。在本系统中我们选用了内部时钟方式，时钟电路图如图4.7所示。其中XTAL1和XTAL2引脚分别为单片机片内反相放大器的输入/输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶体一起构成自激振荡器。这个自激振荡器便可以驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。在选用晶体和电容时，它们有一个选择范围，晶体可以在1.2MHz~24MHz，电容可以在5pF~60pF之间，电容C1和C2的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微图4.7时钟电路调作用。在本系统中，我们选择的晶振为11.0592MHz，选择的电容为30pF。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统稳定后，撤消复位信号。为可靠复位，电源稳定后还需经一定延时才撤消复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。复位电路如图4.8所示。在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现2个机器周期以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。复位电路是根据电容上电瞬间，电压不图4.8复位电路能突变的原理，通过电阻对电容充电，充电时间由RC决定。图中的无极性电容Ch可避免高频谐波对电路的干扰。SW1为手动复位开关。复位电路中增加了二极管，在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究4.5电路板制作4.5.1PCB设计印制电路板(PCB)是集成芯片、电阻、电容等元器件的支撑件。它提供电路元器件之间的电气连接。随着电路功能的不断复杂，PCB的布线密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时．必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。在PCB设计中，布线是其中最重要的步骤，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线之分。布线的方式也有三种：自动布线、手工布线和交互式布线。自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。手工布线需要布线人员有丰富的经验，并且要花费大量的时间，不过这种布线方式效果最好。大多数情况下我们常采用交互式布线，首先对要求比较严格的线进行布线，如：输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰；电源线，地线的合理布设、加粗等；然后再进行自动布线。另外，PCB布局也是PCB板设计中关键的一环。一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻。在PCB布局时我们应考虑到：PCB的布局能否符合制造工艺要求？有无定位标记？元件在二维、三维空间上有无冲突？元件布局是否疏密有序，排列整齐？需经常更换的元件能否方便的更换？插件板插入设备是否方便？调整可调元件是否方便？信号流程是否顺畅且互连最短？插头、插座等与机械设计是否矛盾等等。4.5.2电源线和地线设计在PCB板设计中，因电源线和地线的考虑不周而引起的干扰会使系统性能下降，因此对电源线和地线的布设要认真对待。电源线的布线将根据电流大小，尽量加大导线宽度，这有助于减少环路电阻。同时，采取使电源线、地线的走向与数据信息传递方向一致，也有助于增强抗噪声的能力。在电源、地线之间加上去耦电容。在电路板的入口处的电源线与地线之间并接退耦电容。并接的电容为一个抗干扰效果较好的大容量电解电容（100F）和一个无极性电容（0.1F）。并接两个电容的目的是：并接大电容为了去掉低频干扰成分，并接小电容为了去掉高频干扰部分。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究地线宽度的设计：加粗地线能降低导线电阻，使它能通过三倍于电路板上的允许电流。尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系满足：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm,最细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5mm；地线宽度应为2～3mm。另外，接地线构成闭环路能明显提高抗噪声能力，显著缩短线路的环路，降低线路阻抗，从而减少干扰。且环路所包围的面积越小越好。还有用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。这些方法都有助于地线的抗干扰作用。数字地和模拟地的共地处理：因为本系统是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等），数字地与模拟地有一点短接。对于低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。4.6系统软件设计在硬件系统基本确定，明确软件设计任务之后，即可开始应用系统的软件设计。软件是系统的灵魂，只有把软件部分和硬件部分很好的协调起来，系统才能稳定、可靠的工作。该系统软件采用模块化结构和子程序嵌套设计，由主程序，子程序，中断程序组成。在功能上主要分为三个部分：串行通信、DA转换控制和软件抗干扰设计。因为我们所设计的是针对几百赫兹的低频信号系统，我们直接采用了接收一次数据便数模转换一次的方式，经计算时间是够用的。由于本程序实现的功能并不繁杂，程序量也不是很大，我们仍采用汇编语言的方式进行设计；但是在设计之前我们仍需做好程序的规划。首先，我们应根据硬件对软件的编写进行分工，编写主函数并规划各子函数功能。最好的方式，是对各功能模块分别进行编写、调试，各子模块功能调试成功后，然后在对各模块程序进行组合，对整个程序进行编写、调试，最后编译、汇编源程序，定位链接后产生目标文件，烧写入单片机。4.6.1串行通信部分69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究这一部分将实现PC机到下位机的通信功能，PC机与下位机是按照异步串行通信的模式进行传输的，数据通过异步串行口，一位一位的进行传输，在每字节数据传输之间的时间长度是无关紧要的，但是构成字节的位传输时序是很关键的。每字节通过串行口进行传输时，发送数据的序列格式为：启动位校验位空闲位发送数据位停止位在每字节的传输之间是可以允许任意时间间隔，但组成每一字节的位数据流必须精确定时。传输数据线的空闲状态为高电平，当传输线上有一低电平出现时，便启动新字节开始传输，传输完数据位后，接着是奇偶校验位，最后发出一个或两个的停止位。硬件电路和上位机的通信软件设计好后，我们设计了下位机的接收和发送程序对硬件电路进行测试,程序采用查询方式进行设计。发送和接收的程序框图如图4.8所示：开始定时器，串行口初始化地址指针赋值，寄存器清零等待接收信号是55H吗？向上位机回送01H接收正确返回YN向上位机回送00H图4.8下位机接收程序框图69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究在程序编写前首先要对定时/计数器控制与状态寄存器(TMOD、TCON)和串行控制寄存器(SCON)进行初始化设置。AT89C51有T0，T1两个定时器，我们采用T1定时器的方式2用作串行通迅中的波特率发生器，方式2是将两个8位计数器TH1，TL1，分成独立的两个部分，组成一个8位可自动再装入的定时/计数器。其中TL1作为计数器，TH1作为计数初值寄存器。我们采用的是19200bps的波特率进行数据传输，波特率加倍位(SMOD)置成1，根据波特率计算公式：波特率=2*f/32*12(256-N)=19200，其中f为11.0592MHz可以计算出预置初值为N=FDH。对串行控制寄存器（SCON）的设置，我们采用了工作方式1，该方式是8位UART模式，波特率可变。另外，对PCON寄存器，内部数据寄存器等也做了相应的初始化，这里不再过多介绍。数据的发送和接收采用了查询等待方式，PC机发送数据55H给下位机，当从上位机接收到的数据是55H时，回送给PC机01H表示正确，如果不是回送数据00H给PC机，重新进入等待状态。在进行调试时，如果出现问题，应考虑硬件故障和软件故障两个方面；对于硬件故障一般是接触不良、通讯线路中的芯片损坏。为了查明故障点，可以编写一个连续发送一个字符的程序，在该程序中不安排回送信息。这时我们用示波器在AT89C51的RXD引脚观察对方发来的信号波形，若观察不到，即可断定这个通路存在问题。这时就用示波器查看该通道中各连接点、沿线所涉及到的芯片中的出端、入端各点的波形，从而迅速故障定位。在通讯调试过程中，如出现有时正常有时不正常现象，那么很可能是某芯片不可靠或某接触点接触不良，排除的方法同上，将测试程序长时间运行，一直等到故障现象重新出现，再用示波器观察各点波形，查明原因。对于软件故障，可以通过单片机的一个引脚控制LED来进行测试。从程序的开始一步步的进行测试，在程序的每一个可能出错的地方加入LED闪烁的程序段，闪烁次数可设为不同，以便于观察程序在哪个位置出错。4.6.2D/A转换部分在前面的硬件部分，我们已经详细的介绍了DA转换器的功能特性。我们采用的是MAX53069\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究12位D/A转换器，硬件线路采用的是4+4+4方式的数模转换方式。为了专门的测试AT89C51控制DA转换的硬件接线的正确性，在编制程序时，我们并不是用上位机传过来的数据进行DA转换，而是直接由程序调用程序存储器中预置的数据，预置的数据为一组递增递减的数据，如果硬件线路正确，我们将可以在示波器上看到一个呈阶递状类似正弦波方式的波形图。循环进行DA转换，在示波器上便呈现出连续的波形图。MAX530是通过把ROFS脚连接到REFIN端、RFB脚连接到VOUT端实现双极性信号输入转换的。值得注意的是，由于我们采用的是双极性的DA转换，因此DAC锁存器的内容与输出电压的关系与通常的单极性DA转换有些区别。在进行程序编写的时候，这一点需要注意，否则在示波器上看到的波形将会与预期的完全不一样。DAC锁存器的内容与输出电压的关系在表2中列出。表2双极性信号输入与输出关系表D/A转换的程序框图如图4.9所示。开始DAC内部各寄存器清零选中DAC高4位输入锁存器从指定存储器中读取数据，并写入高4位输入锁存器选中中间4位输入寄存器从指定存储器中读取数据，并写入中间4位输入锁存器选中低4位输入寄存器从指定存储器中读取数据，并写入低4位输入锁存器把高、中、低三个输入锁存器内容装入DAC锁存器，启动DA转换延时69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究图4.9DA转换程序框图4.6.3软件抗干扰部分对于系统的稳定性而言，不仅与硬件抗干扰措施有关，而且还与软件抗干扰设计有关。由于软件设计具有灵活性和稳定性，并能节省硬件资源，因此软件抗干扰设计受到大家的普遍重视。通常的干扰一般是以脉冲的形式进入系统的，干扰窜入系统的主要途径有三种：空间干扰，通过电磁波幅射窜入系统；供电系统干扰；过程通道干扰，干扰通过主机相连的前向通道、后相通道及与其它主机的相互通道之间进入。在单片机应用系统中，A/D、D/A与MCU的接口之间通常采用查询和中断的方式进行工作，而这些接口对干扰很敏感，干扰信号一旦破坏了某一接口的状态字后，就会导致MCU误以为该接口有输入/输出请求而停止现行工作，转去执行相应的服务程序。但由于该接口并没有输入、输出数据，从而使CPU资源被该服务程序长期占用而不释放，其它任务无法执行，整个系统出现死锁。还有可能由于干扰和接插件的接触不良，引起接口无法向MCU返回正常的工作状态，使系统出现死锁。另外，当程序计数器PC值受干扰后，往往会将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱，导致程序“跑飞”等。因此为了保证系统受到干扰后，使系统能够恢复正常工作，采用软件抗干扰技术是不可少的。软件抗干扰技术很多，本系统采用的抗干扰技术主要有以下二种：1.指令冗余系统使用的单片机的指令有单字节指令、双字节指令和多字节指令。如果单片机的程序计数器受到干扰就会跑飞，如果跑到单字节指令便会自动纳入正常程序运行轨道，但是如果跑飞到多字节指令的操作数上，把操作数当作指令码来用，程序将继续出错。为了使跑飞的程序能够在程序区内迅速的纳入正轨，应当多用单字节指令。并在关键的双字节、多字节的指令地方人为的插入一些单字节指令NOP，或者将有效单字节指令（比如：RET）重写。但也不必加入太多冗余指令否则会明显降低程序运行效率。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究2.软件陷阱软件陷阱的意思就是运用一条引导指令，强行将捕获的跑飞程序引向一个指定的专门的对程序进行出错处理的程序，它是针对程序跑飞到非程序区或表格区时，指令冗余无法解决的时候采用的。软件陷阱一般安排在：未使用的中断向量区，未使用的大片ROM空间，数据表格区的周围，程序区中的程序分支之后。它一般有三条语句组成：NOPNOPLJMPERR转到出错处理程序。采用了以上的两种抗干扰措施对系统程序运行时程序跑飞及陷入死循环起到了一定的保护作用。4.6.4下位机程序的总体设计开始以上的三个子程序模块设计测试完成后，需要把它们综合在一起，进行测试。对于串行数据接收数据格式转换DA转换延时整个程序的设计，需要考虑到串行通信的速率和DA转换输出频率的时间匹配，上位机和下位机数据表示形式的匹配。RS232串口通信的速率一般最高为19.2Kbps，一个字节发送加上起始位和停止位为十位，因此通过232串口每秒钟可传送1.92K字节，对于12位的DA，忽略掉单片机的处理时间，最高转换频率可达960Hz，如果需要达到500Hz全部数据转换结束，N需相应的在单片机程序中加入延时程序。而对于上、下位机的数据匹配问题，需要根据DA卡所采用的DA芯片的数据转换格式（关于MAX530的数据格式前面已有介绍）Y结束以及上位机的数据的格式，在下位机程序中进行相应的数据转换处理，以达到上、下位的数据匹配。下位机的总体程序框图如图图4.10下位机程序总框图4.10所示。下位机的程序经过编译生成目标文件后，通过专用的51系列单片机烧写器TOP151，就可以烧写入AT89C51，在目标板上运行了。上下位机程序调试成功后，就可以把PC机中的数据传送到DA卡上，转换后便可以在示波器上显示相应的波形。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究4.7功率放大器功率放大器在振动控制系统中是一个必不可少的重要环节，它的作用是激励振动台振动。如果从DA卡输出的模拟信号，不经过功率放大器是无法驱动振动台的。振动台内部有一个激振器，也就是振动台的激振源，对于广泛运用的电动式激振器，它是有一定自重的，而且还不小。要想让激振器产生振动，必须要有一个足以克服激振器自重的力才可以，也就是说，输入激振器的电信号需要达到一定的功率强度，才能转化为足够的电动力来推动振动台振动。MAX530DA转换芯片采用双极性输出时电压在2.048V之间；输出电流用万用表测得在10mA左右，相对于功率放大器的负载万用表对于MAX530的负载是非常小的，可以忽略不计，也就是说，MAX530芯片的最大输出电流的量级是在10mA级的。输出功率P=U*I，即MAX530DA转换芯片的最大输出功率只有20mW（0.02VA）。而我们通常的振动台的输入功率是在几百VA，几千VA。由此可见，在DA卡与振动台之间需要加入一个大的功率放大器，才能真正的实现振动台的驱动。功率放大器的实现可以用三极管、电阻等分立元件组成甲类、乙类、甲乙类等功率放大电路，但是这样效果并不好，易受干扰，不稳定。现在有专门的功率放大芯片，把这些分立元件组成的电路集成在一块芯片中，在芯片外围加入一些外围元器件，即可实现功率放大。如果我们自行设计一款方便实用的功率放大器，除了选用功率放大芯片并进行相应的外围电路设计外，还需要考虑的问题有：1）功率放大电路在工作时，功放管的集电结电流很大，而晶体管的电压降基本上都降在集电结上，二者使得集电结功耗较大，导致晶体管温度升高，温度升高到一定程序后，晶体管便会损坏。因此需进行散热、冷却设计，一般采用风冷。2）为了防止功率放大输入的过压和过流需进行功率放大器的保护设计。3）功率放大器与DA卡输入、振动台输出的匹配设计。4）以及增益粗调、细调，电源指示，输出电流、电压指示，温度保护、电源保险等诸如此类的设计。为了节省开发投入，以及考虑到功率放大器的可靠性、稳定性的要求，我们拟选用一款成熟的功率放大器产品。市场上的功率放大器品种繁多，对于驱动振动台的功率放大器的选择应考虑的问题有以下几点：输出功率应尽可能大由于要求有足够的功率输出，所以就要求功放管的电压和电流都要有足够大的输出幅度，以输出尽可能大的功率。输出效率要高69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就要求把直流电能转换成信号电能的功率要高。低频信号放大的性能要好由于我们是对低频信号进行功率放大，因此对这一性能必须注意。通常采用的OTL（无输出变压器）的互补对称放大电路，是运用大容量的极性电容与负载耦合，影响了低频性能。采用OCL（无输出电容）的互补对称放大电路，去除了电容，能实现良好的低频放大性能。非线性失真要小由于功放电路是经过几级放大，功放电路将在大信号情况下工作，因为晶体管特性曲线的非线性，所以不可避免地会产生非线性失真。同一个晶体管的输出功率越大，非线性失真也越严重。所以要求功放电路要有较大的动态范围。另外，功率放大器的散热和保护，在选择功率放大器时也是应注意的。据此，我们选择了由苏州东菱振动试验仪器有限公司生产的DA-1200型功率放大器，外观如图4.11所示。DA-1200型功率放大器的功率放大部分采用了硅晶体大功率管放大电路，OCL输出方式，因此提高了低频放大性能。同时，设置了包括开机延时、瞬时关机、中点直流偏移和负载短路保护在图4.11DA-1200型功率放大器内的完善保护系统，从而保证了本机的良好可靠性。其技术指标为：方式：晶体管线性放大输出功率：1200VA频率范围：5-10000Hz信噪比：90dB以上输入信号电压：<1Vrms谐波失真：0.5%输入阻抗：>10K电源：AC220V10%50Hz250VA冷却方式：强制风冷功率放大器的前后面板上有：电源开关，电源指示，增益调整器（粗调、细调），开机延时/输出零点偏移保护指示，温度保护指示，信号输入插孔（AC为交流耦合，DC为直流耦合），输出端子（AC为交流输出，DC为直流输出）等按键、旋钮和插孔。DA卡的输出信号接入DA-1200型功率放大器的信号输入插孔，开机后通过增益调整器就可在输出端子处得到驱动振动台振动的大功率信号。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究4.8振动台在各种类型的振动试验系统中，不论是模拟正弦振动，还是随机振动，不论是定频振动，还是扫频振动，是宽带振动，还是窄带振动，振动试验系统都离不开振动的执行机构一一振动台。因此，振动台是振动实验系统中核心的一环，其性能指标的优劣直接影响每一次振动试验的成功与否。我们最终也将根据振动台的振动情况模拟出地面运动目标引起的地震动信号的特性，并以此为切点对地面运动目标地震动的时域特性、频域特性进行进一步的研究。在前面我们介绍到，振动台的标准振源是激振器。激振器是按人们的意图对系统施加一定驱动力的装置。根据驱动力产生的原理，一般可分为：机械式、电动式、电磁式、电液式、压电式、液压式等。它们各有优缺点，现在被广泛使用的是电动式、电磁式激振器。电动式振动台其频率范围宽，可以从几Hz到几KHz数量级，承载能力范围也较大，且可按需要给以一定波形的信号，便能产生一定波形的力，适宜于实现各种复杂的试验波形和谱型。基于以上特点，我们将选择电动式振动台作为我们的振动执行机构。电动振动台的工作原理是基于载流导体在磁场中受到电磁力作用的安培定律。内部一般由动圈、磁极、铁芯、永磁磁钢等组成。交变信号经过功率放大器后，输入到动圈，它与磁场作用即产生一个交变的力F，推动可动系统运动。力F值为：F=BLi=BlIsint其中，B为环形气隙中磁感应强度（Wb/m），l为动圈绕线的有效长度（m），I为动圈中的电流（A）。试件与台面一起在激振力F的作用下振动，其频率决定于交变信号的频率，振动幅度取决于电流I。对于电动振动台的选择需根据实际需要考虑如下一些性能：频率范围我们所需模拟的频带是否在振动台响应的频率范围内；可产的波形种类如能否实现正弦、三角、矩形、随机波形的模拟等；波形质量失真情况，在哪个频带失真小，哪个频带失真大；另外还有诸如振幅范围、负载重量、噪音抑制、漏磁等方面的考虑。据此，我们选择由苏州东菱振动试验仪器有限公司生产的ES-150S型振动台，它的外观如图4.12所示。其技术指标为：型号ES-150S69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究激振力正弦振动150N频率范围5-10000Hz最大加速度200m/s最大位移6mm最大负载2Kg图4.12ES-150S型振动台运动部件有效质量0.75Kg连续工作时间8小时环境条件温度：5-35℃湿度：85%保护装置过热保护过电流保护放大器输出零点偏移保护开机延时保护ES-150S型垂直振动台的特性曲线如下图4.13所示。ACC(m/s)200m/s3mmf(Hz)541.110000由图可见，5Hz~41.1Hz为最大位移段6mm，41.1Hz~10000Hz为最大加速度段200m/s。也就是说各个振动参数的最大值不是在全部频率范围内都能达到的，更不能在某一点或某一段频率同时获得所有振动参数的额定值。振动台确定后，将功率放大器的输出端子与振动台的输入端子连接，功率放大器的输入端子接入信号发生源（在这里是存储于PC机中的地震动数据通过DA转换后的模拟信号），便可根据地震波形给出相应的波形力，激励振动台振动了。本章小结：69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究本章首先提出了振动台驱动电路的软硬件设计方案，然后具体介绍了驱动电路的硬件电路的芯片选型、接口设计、PCB制作以及应注意的事项，接着对驱动电路软件的各个程序功能模块进行了详细介绍，对于程序调试中出现的一些问题，也给出了相应的解决方案。最后介绍了功率放大器和振动台的功能、原理及选型时应考虑的问题，并最终确定了功率放大器和振动台的选型，且给出了相应的性能指标。5.基于振动台的数据采集系统的设计在激励起振动台振动后，需要对其进行实验分析。首先需要把振动信号采集过来，发送到上位机，与发送过来的数据进行比较；其次，需要在振动台起振的基础上做一些目标识别的试验。基于这种情况，本文设计了一套数据采集系统。该系统包括信号预处理、A/D转换以及数据传输等模块。该系统的设计实现了激振台振动信号的数据采集与传输，并在此数据采集系统的基础上，实现了基于过零点算法的识别功能。5.1系统设计在本文中将介绍基于振动台的数据采集系统的设计。数据采集是将被测对像（振动台振动信号）通过传感元件作适当转化后，经过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到处理器进行数据处理的过程。数据采集系统设计分为硬件设计和软件设计两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分，软件部分则包括采集控制部分和数据处理算法部分。5.1.1硬件部分本文所介绍的数据采集硬件电路总体框图如图5.1所示，包括前置信号预处理部分、A/D转换部分、数据传输部分等。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究电源供电、稳压芯片传感器转化后的信号信号前置预处理AD转换芯片单片机电平转换芯片RS-232串口LED指示、蜂鸣报警图5.1数据采集硬件组成框图对数据采集系统硬件结构有了整体的了解后，需进一步考虑数据采集系统性能要求和应用环境及目的。对于系统的性能需考虑的有：系统分辨率、系统精度、采样速率、动态范围等，而这些又与应用环境和目的紧密相关。这些将在后面有详细叙述。5.1.2软件算法部分数据采集硬件电路是一个平台，而软件算法则是灵魂。软件设计有两个部分：数据采集传输、数据采集处理。这两个部分是独立的，它们分别在相同的硬件电路上运行实现不同的功能，也就是说，不需要改变硬件电路，只需改变软件算法就可实现两种不同的功能。框图表示如图5.2所示。软件设计数据采集部分串行数据传输上位机数据接收数据采集部分过零点算法识别LED显示、蜂鸣器报警图5.2软件设计部分框图69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究5.2测振传感器选型传感器是一种测量装置，它能将速度、位移、振动、声音、温度等各种非电物理信号按照一定规律转换为易于测量、输出和传输的装置。它的工作机理是基于各种物理量、化学量、生物量和状态量的效应，并受相应的定律和法则所支配，变换为可用信号。传感器是振动测试系统的一个重要组成部分，必须要有良好的性能，一般应有下列指标：1)、转换灵敏度，可重复性：其输出信号与被测输入信号成确定关系(通常为线性)，比值较大；且同一输入量值所对应的多次测量所得的一组输出量值之间的偏差小。2)、准确度高：传感器在测试结果中系统误差和随机误差小。3)、稳定性好，漂移小：传感器在一个较长时间内能保持其性能；传感器输出的零点漂移、灵敏度漂移小。4）信噪比高，内部产生的噪声小，并有抗外部噪声干扰的能力。5)、反应速度快，工作可靠性好；使用经济，成本低，寿命长，且易于使用、维修和校准。根据系统的实际使用要求，如系统所采集的低频段振动信号、灵敏度、测量量程、成本、经济性及产品来源等，最终确定采用动圈磁电式传感器为系统的地震动传感器。动圈磁电式传感器是地震勘探中广泛使用的一种成熟传感器，而对于我们模拟出来的振动台振动信号具有与地震动信号相似的时域特性和频率特性，因此小型化地震动传感器在此运用也是可行的。该传感器作用可靠、价格低廉，而图5.2小型化地震动传感器且输出信号对后续电路要求不高，可以简化系统电路设计。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究针对低频特性（10～150Hz），传感器应有良好的低频响应特性，而实际所选择的小型化动圈磁电式地震动传感器（如图5.2所示）在20～150Hz的频率范围内具有很好的线性特性。传感器频率响应特性曲线图如图5.3所示，在10～20Hz的频率范围内线性度误差仅为0.04EU/Hz，其中单位EU：100mv/（cm/s）。因此，小型化的地震动传感器能够很好的用于检测低频的振动信号。图5.3小型化地震动传感器频率特性响应曲线小型化的地震动传感器的技术参数如下：外形尺寸总高：31.5mm；直径：Ф21mm；输出电阻：344±4Ω；并联电阻后的阻尼：0.68±0.04；灵敏度：在传感器总阻尼值为0.7倍临界阻尼时为18V/（m/s）；自然频率：10±0.3Hz频率范围：4~200Hz5.3信号调理电路振动台振动后，通过地震动传感器转化后的信号幅值是根据传感器的灵敏度与振动台振动速度计算得出：信号幅值=传感器灵敏度振动台振动速度振动台振动时的具体振动速度并不容易得到，因此我们通过给予振动台一个激励信号，用示波器测定出传感器输出的电压量级，以决定是否需要信号放大电路对信号进行放大。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究经过实验，我们得到传感器输出的电压量级是伏特级的，12位的AD芯片是可以分辩得到的，因此并不需要进行信号放大。关于这一点作如下解释：我们用同样的传感器测定的地震动信号一般都是毫伏级的，这是因为人员、车辆、坦克在行进时，地表震动的幅度非常小，通常为级的；而我们把采集来的数据经过DA、功率放大激励起振动台的振动，振动幅度则为mm级的。在同样的时间内完成一个波形，根据振幅比值，自然振动台的振动速度就为地表震动速度的千倍级，根据信号幅值计算公式，相同灵敏度的传感器感应振动台的振动信号输出的电压幅值，就应为感应地表震动输出电压幅值的千倍。因此我们通过该传感器感应振动台振动的信号输出电压幅值应在伏特级。虽然振动台的振动幅值和地表震动的幅值有着很大的差异，但是它们时域特性（波形）和频域特性都是相似的，因此并不影响我们在实验室中通过激励起的振动台的振动信号来研究地面运动目标的地震动信号。根据上面分析，在该数据采集系统的信号预处理电路中，不需要加入放大电路；如果针对现场mV级的微弱信号进行数据采集，只需在该采集系统前加入放大模块，就可以拿来所用了。地震动信号的频率一般在10Hz-150Hz之间，根据采样定理，我们选取的采样率为0.5KHz。在数据采集系统中，难免会混入一些高频干扰，如果不加以去除将会产生频率混淆。因此需在数据采集系统的前向通道加入一个抗混叠的低通滤波器，以滤除掉高频干扰。由MAXIM公司生产的8引脚DIP和SOP封装的MAX291低通滤波芯片是一种使用开关电容滤波器技术(SCF)构成的8次巴特沃斯低通滤波器(LPF)，其截止频率取决于时钟频率，允许从0.1Hz到25kHz可控。关于MAX291的特性和接口电路介绍在前面第四章中的4.3.3小节有详细的介绍，这里不再赘述。在本数据采集系统中将选用该滤波芯片进行系统的前置滤波。5.4模数转换电路5.4.1A/D转换器选型信号经过放大、滤波调理后，初步成为我们希望得到的信号。这时，我们还需要经过A/D模数转换将其变换为数字信号，为微处理器接收、处理。AD转换器的种类很多，除了各类AD转换器传送方式、转换精度有所不同以外，根据AD转换的实现方法不同，也有很多类型，如：积分式、逐次比较式、并行比较式和二进制斜波式等等。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究选择AD转换器，主要考虑的有以下几个方面的问题：AD转换器输出数据的位数是多少；提供给AD转换器的输入信号范围是多大，是单极性还是双极性，是否经过了采样、保持；是用内部时钟还是用外部时钟，输出代码需要二进制码还是BCD码，是串行输出还是并行输出；AD转换器的转换时间是多少，采样速率为多少，孔径时间有何要求，是用于高速场合还是低速场合；参考电压是内部的还是外部的，是否要求可调；另外还有其它的诸如：共模抑制、电源电压稳定度、功耗、外形尺寸、成本、芯片来源等等。结合以上和实际系统需求，我们选用了12位单片CMOS，AD转换器MAX191。它既可以输入双极性信号，这时采用5V电源供电；又可以输入单极性信号，这时采用+5V电源供电。MAX191器件的主要特性总结如下：（1）针对单级性信号、双极性信号采用+5V或5V工作电源；（2）12位AD转换器，线性度为1/2LSB；（3）具有采样保持功能，数据转换时间为7.5S，获取时间为2S，采样速率可达100KPS；（4）可使用串行接口（与SPI、QSPI等接口标准兼容）和8位并行接口与微处理器进行接口；（5）具有调节功能的内部参考电路，可以使用内部时钟工作，也可以使用外部时钟工作；（6）两种封装：24脚窄DIP封装和宽SO封装；（7）功耗低（3mA工作电流、掉电20A）、速度快(100KPS)、精度较高，适用于微弱信号数据采集。5.4.2具有ISP功能的AT89S82525.4.2.1AT89S8252的结构功能本章所讲述的数据采集系统，实现了两种功能：一种功能是数据采集并传输到上位机中，另一种功能是数据采集并利用过零点算法进行信号识别处理。这两种功能的硬件实现是一样的，因此可在一块板卡上实现。它们功能的区别主要体现在软件算法上的不同，实现不同的功能就要向主控制器中烧写不同的程序，而制作焊接好的板卡经常的插拔是很不方便的。基于这种情况，我们选择了一款具有ISP（InSystemProgrammable）功能的单片机AT89S8252。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究所谓ISP技术是指对器件、电路板或电子系统的功能可随时进行修改和重构的能力。具有ISP功能的器件不需要像以前单片机实验或开发时，需要借助编程器写入单片机内部或外接的程序存储器中。而只需通过计算机接口和编程电缆直接在目标器件或系统上进行编程。AT89S8252是ATMEL公司推出的具有ISP功能的8位CMOS单片机，性能高、功耗低，可通过SPI串行接口对内部的8KBFLASH存储器和2KBEEPROM存储器进行在系统编程。该器件与工业标准80C5l指令集和引脚完全兼容。AT89S8252不但具有51系列单片机所有功能外，还增加了一些新的功能。现将其结构及功能特性总结如下：＊提供PDIP、PLCC、TQFP3种封装形式，引脚与89C51的引脚相同；指令兼容51系列单片机。＊8K字节下载的FLASH闪速存储器，2K字节的EEPROM，256字节的RAM，32条IO线，可循环擦写1000次，可提供12V和5V两种可选择的编程模式。＊4.0~6.0V的工作电压，静态设计0~24MHz，具有三级程序加密。＊3个16位定时计数器，6个二级中断源结构。＊一个通用USART串行口，一个SPI串行接口，不需要插拔芯片，可在线对8KBFLASH存储器和2KEEPROM存储器进行编程插写，也可采用电话线进行远距离擦写。＊具有双向数据指针，可以极大的方便了对外部RAM的读写。5.4.2.2ISP编程AT89S8252不但可以采用12V的编程器高压并行编程方式，而且可以采用在线的5V的串行ISP编程。ISP编程是通过单片机的串行数据输入线、串行数据输出线、时钟线等对单片机进行编程的。ISP编程接口如图5.5所示。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究图5.5AT89S8252与并行口的ISP编程接口进行ISP编程一般按以下步骤进行：1.加电源VCC和GND，并且置RST为高电平；2.发送编程使能信号MOSI；3.编程代码或数据按每次1个字节通过写指令传送，在写数据之前存储单元自动清零；4.使用读指令通过MISO校验编程数据；5.编程结束后，设置RST为低电平，单片机开始正常工作。另外请注意，编程时钟频率应低于单片机时钟频率的1/40。5.4.3AT89S8252与MAX191接口设计在本系统中用AT89S8252对MAX191进行控制，实现数据采集。在这里，我们采集的是低频信号，采样率为500Hz，因此运用AT89S8252完全能够完成采集控制的任务。AT89S8252与MAX191的接口电路如图5.6所示。MAX191的主要引脚的功能如下：＊引脚1（），掉电控制端，为低电平，AD转换器不工作，置高电AD转换器正常工作，在内部参考的外部补偿情况下，悬空，AD转换器也能工作。＊引脚3（AIN+），引脚4（AIN-），被采样的模拟量输入端。＊引脚8（BIP），BIP引脚为逻辑低时，选择单极性信号转换，BIP引脚为逻辑高时，选择双极性信号转换。＊引脚9（），转换其间，其输出为低电平，转换结束后，其输出为高电平。＊引脚16、17、18，为双功能引脚，第一功能作为并行方式下的三态数据输出端，第二功能分别作为串行方式下的连续扫描输出端、连续时钟输出端、连续数据输出端。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究＊引脚21（HBEN），高字节使能输入端，在并行工作方式下，HBEN低电平使转换结果低8位送入数据总线，HBEN高电平使转换结果高4位送入低位输出端。HBEN高电平也可使转换不进行，当要进行第二次读操作时，必须使HBEN为低电平。＊引脚22（PAR），PAR置高，选择并行工作方式，PAR置低，选择串行工作方式。图5.6AT89S8252与MAX191接口电路在该系统中，ADC采样的是双极性信号，电源采用5V提供，与单片机的传输采用的是并行方式，因此PAR脚应置高。AD转换器的工作由、、HBEN三个输入端控制，当HBEN为低电平时，在、的下降沿，T/H进入保持方式，并且转换开始。下降沿时刻输入模拟量被采集，转换期间为低电平，以前的转换结果保持在数据的输出端直到新的转换结束，此时，为高电平。在D0~D7上输出新的8位LSB，然后，使HBEN置高，执行第二次读操作，这时在D0~D3上输出4位MSB，D4~D7上为低电平。MAX191的内部参考电压可以通过在VREF与AGND之间接入一个4.7F的电解电容，然后该电容再并联一个0.1F的无极性电容，实现4.096V的内部参考电压输出。另外，为了能够根据实际工作需要改变VREF端的参考电压输出，可以采用外部补偿电路的方式进行调节，通过调节可变电阻的阻值，改变参考电压输出值，从而得到所采集信号的满刻度值读数。在这种补偿方式作用下，4.7F的电解电容能够补偿参考输出放大器，从而达到的最大的转换速度和最小的转换噪声。外部补偿电路及与AT89S8252的接线图如图5.6所示。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究5.4.4AT89S8252与上位机接口AT89S8252与上位机的接口，是通MAX232电平转换芯片与PC机的RS232串口相接的，单片机采集过来的数据通过RS232串口发送到上位机，由上位机的串口通信软件接收，并保存。上、下位机的接口电路图与我们前面谈到的DA卡与PC机的接口电路图相同。请参见图4.2，这里不再赘述。5.5数据采集系统的外围电路设计在该系统中，我们采用5V电源供电，为了能给系统一个稳定的5V电源，我们采用三端稳压器7805和7905来完成任务。7805和7905的具体功能及用法，我们在第四章的4.4.1节有详细介绍，这里不再重述。系统的时钟电路，我们采用单片机内部时钟方式，晶振选择11.0592MHz，关于时钟电路的详细介绍请参阅4.4.2节的相关内容。在数据采集系统中，常常受到各种各样的干扰，这些干扰很可能引起程序跑飞，造成死机或程序的非正常运行，如不及时恢复，容易造成损失。因此数据采集系统中的抗干扰设计和应用显得比较重要。实践经验表明，在数据采集系统因外部干扰而引起的故障中，80%以上是由电源产生的。因此我们在数据采集应用系统设计当中，选用了MAX813L芯片对电源进行监控和保护。MAX813L是具有监控电路的微处理芯片，它具有四个功能：※具有独立的看门狗计时器，如果看门狗输入在1.6S内无变化，就会产生看门狗输出；※上电、掉电及降压情况下，产生RESET输出；※上电时能自动产生200ms宽的复位脉冲；※具有手动复位功能；其引脚主要功能如下：/MR人工复位输出端PFI电源故障监测输入端PFO电源故障监测输出端WDI看门狗检测输入端/WDO看门狗输出端在本系统中的MAX813L的外部接线如图5.7所示。它实现的主要功能有：能够实现上电复位和手动复位，当电压超过图5.7MAX813L外部接线图69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究复位门限电压4.65V时，RESET端输出200ms的复位信号，使系统复位，当按下S1键并释放，就可以使单片机手动复位；当+5V电源正常工作时，RESET为低电平，单片机正常运行，当电源电压受到干扰降到+4.65V以下时，RESET输出高电平，对单片机进行复位；正常工作时，看门狗定时器被定时清零，/WDO维持高电平，当程序跑飞或进入死循环时，AT89S8252的P1.3端不能在1.6秒内给出“喂狗”信号，WDI端高或低电平维持时间超过1.6S，看门狗定时器溢出，则/WDO跳变为低电平，/MR端有一个内部的250mA的上拉电流，于是D导通，/MR获得有效低电平，RESET端输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，/WDO又恢复成高电平。该数据采集系统，通过利用MAX813L芯片，实现了单片机的看门狗电路，电源故障监控和复位电路、使系统更加紧凑、有效地克服了干扰信号，提高了单片机系统的可靠性。5.6数据采集与传输的软件设计本系统是采用以单片机为内核的软件开发，在前面的DA卡的程序设计当中，我们是运用汇编语言进行编写的。采用汇编编写能够更加清楚单片机内部的运作，执行效率也较高，但是可读性和可移植性比较差，对于稍大一些的程序开发周期较长，调试和排错也比较困难。因此在该系统中的数据采集与传输的程序设计和后面将要介绍到的过零点算法识别软件设计都将采用高级语言进行编写。由KEILSOFTWARE公司开发的KeilC51是一种专为具有51核的单片机设计的高效率C语言编译器，符合ANSI标准，生成的程序代码运行速度极高，所需要的存储空间极小，可以和汇编语言相媲美。在本课题的软件开发中，采用了Keil公司的基于Windows环境的C51软件开发平台Vision2。Vision2集项目管理、源程序编辑、程序调试于一体，是一个强大的集成开发环境（IDE），它支持KeilC51的各种工具，包括：C编译器、宏汇编器、连接/定位器及Object-HEX转换程序。5.6.1数字滤波部分在上一章的4.6.3小节，我们讲述了软件抗干扰的一些措施，主要是针对程序运行出现异常情况（如：程序跑飞、进入死循环）时的一些处理手段，在该数据采集程序中我们同样加入了这些处理，这里不再重述。在本章前面的数据采集硬件部分，也介绍了低通滤波芯片的外围及接口设计，该芯片的功能是滤除高频信号干扰,属于模拟滤波方法。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究基于MAX291的模拟滤波方法因采用硬件实现，其速度非常快，这对实时性要求比较高的场合很实用；但从前面的介绍我们可以知道，其截止频率是通过外接在其引脚1上的电容值决定的，一旦确定就很难更改。本节将专门针对数据采集系统中，出现的一些干扰，而引起的数据偏离真实值的情况作一些软件算法上的数字滤波处理。这一部分的数据处理，将与硬件实现的模拟滤波相辅相成，拓宽其应用范围，使该数据采集传输电路在相类似的应用中无需改变硬件电路，只需将MAX291的引脚8和引脚5短接，将MAX291旁路，使其无效，通过改变软件算法来设置其截止频率。当然数字滤波算法也有其缺陷，就是实时性不高，特别是在以单片机为主控的系统中，耗时较多。因此，在该系统中以硬件的模拟滤波为主，只是在截止频率不为硬件已确定频率的情况下，才采用数字滤波灵活的改变截止频率。数字滤波方法较多：如程序判断滤波，中值滤波，算术平均滤波，加权平均滤波等。这些滤波方法一般针对目标参数变化较慢、频率较低的场合。现在最常用的数字滤波方法有FIR滤波和IIR滤波。它们具有稳定性高、精度高、灵活性大等优点，能方便的实现低通、高通、带通滤波。在本系统中采用FIR滤波方法，FIR滤波具有线性相位稳定，硬件实现容易等特点。FIR滤波器系统函数为:H(z)=其差分方程表示为：y(n)=在该系统中以单片机作为主处理器，单片机因为自身的结构问题，如没有专用的硬件乘法器，未采用可并行执行指令的流水线结构等，导致处理大量的乘法累加运算，信号延时过大。考虑到这些问题,我们只采用了8阶的FIR滤波器,其差分方程可写为:y(n)=hx(n)+hx(n-1)+hx(n-2)+…+hx(n-7)因为FIR滤波器线性相位特性的系数具有对称性,上式可写成:y(n)=h[x(n)+x(n-7)]+h[x(n-1)+x(n-6)]+h[x(n-2)+x(n-5)]+h[x(n-3)+x(n-4)]通过以上简化，使得8阶的乘法运算由8次降到4次，在数据处理中，乘法运算是最占用硬件资源和耗时的，因此，简化后可大大提高运算效率。在上式中，x(n)为采样的输入数据，y(n)是经过FIR滤波后的数据，h到h为8阶系数，可通过MATLAB软件进行提取。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究MATLAB软件提供了丰富的数字滤波函数，可模拟出数字滤波器的幅频、相频特性。在该数据采集系统中，采样率为500Hz，低通滤波的截止频率设为150Hz，可通过下面的滤波函数来实现：b=fir1(n,Wn)其中n=8,表示8阶，Wn＝0.6,它是低通截止频率150Hz除以Nyquist频率250Hz所得，b为一向量与h相对应，即为滤波器的8阶系数。其频率特性图如图5.8所示。图5.88阶FIR滤波器频率特性图在单片机8阶FIR数字滤波中，需在内部RAM中开辟一个16字节的数据暂存区，用于存放8个采样数据（12位，一个数据占两个字节），把这8个采样值排成一个队列，每新采集一个数据，便把该数据存放在队尾，而去掉一个队首数据。每采样一个数据，就与暂存在内部RAM的7个数据，并调用MATLAB提取的滤波系数，通过y(n)的计算公式，便可算出该采样值滤波后的值。其程序流程图如图5.9所示。调采集子程序，得到新采样值新采样值加入队尾去除队首值队尾指针调整69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究取整个队列值，并调用8个滤波系数根据Y（n）计算式，求得滤波值得到有效采样值返回图5.98阶FIR滤波器程序实现流程图5.6.2数据采集部分MAX191与AT89S8252的接口如前面图5.6所示。MAX191的地址为#DFFFH,在数据采集过程中，利用P2.4控制HBEN端，P2.3控制端。采用并行的方式进行数据采集，SLOW-MEMORY方式进行数据输出。其输出格式和管脚控制如表5.1所示。表5.1管脚控制与数据输出格式PINNAMED7/DOUTD6/SCLKD5/SSTRBD4D3/D11D2/D10D1/D9D0/D8HBEN=0,PAR=1,CS=RD=0FirstreadD7D6D5D4D3D2D1D0HBEN=1,PAR=1,CS=RD=0SecondreadLOWLOWLOWLOWD11D10D9D8其程序流程如图5.10所示。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究开始选中A/D芯片AD进入保持方式，并开始转换查询等待，直到转换结束选中低8位，从三态缓冲器中读入到指定RAM选中高4位，从三态缓冲器中读入到指定RAM返回图5.10数据采集程序流程图5.6.3程序总体设计该部分的数据采集程序设计主要是将采集到的数据传输到上位机，传输的方式采用串行通信的方式。关于串行通信传输，在4.6.1节已有介绍，只不过4.6.1节讲述的是上位机到下位机的串行传输，而在这里是下位机到上位机的传输，一个接收，一个发送，不过原理是相同的，这里不再介绍。总的程序设计是将数字滤波、数据采集，数据传输这三个部分融为一体的。在单片机采集数据时由于FIR滤波的需要，单片机的内部RAM需存储8个采集数据，以供滤波计算，得到有效采样值。在每新采集一个数据，队首的数据舍去并通过串行通信传输到上位机。其程序的总体流程图如图5.11所示。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究开始调采集子程序，采样值加入数据队尾进行FIR滤波，得到有效采样值将舍去的队首数据，传输到上位机采集是否结束结束NY串口，定时器寄存器初始化图5.11程序总体流程图下位机的程序编写调试完成，经过编译生成目标文件后，通过AT89S系列专用的下载电缆线，如图5.12所示，就可以下载到AT89S8252的FLASH内，在目标板上运行了。图5.12AT89S系列专用下载线5.7过零点识别算法本算法将根据地震动信号模拟的振动信号进行目标属性识别。目标属性识别也即模式识别，模式识别最基本的思想就是对原始信号进行变换处理，把由维数较高的空间中表示的模式映射到维数较低的特征空间，从而使识别更加方便、有效。模式识别的方法有：有师监督识别，无师监督识别，参数与非参数方法。模式识别的方法虽然有所不同，但大体都由四个部分组成：数据获取，数据预处理，特征提取和选择，分类决策。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究在本节中，将介绍关于过零点识别算法在振动信号时域特征提取中的应用，提取振动信号在时域上的特征，计算出过零数，并根据过零数的大小进行分类决策。5.7.1过零点识别算法介绍过零率分析的原理是在时域对信号幅值进行判别，通过检测信号过零点的时间间隔变化规律来提取特征。信号的过零率分析与频谱分析有相似之处，但也有本质区别。显然，标准正弦波的主频f越高，信号的频谱也位于高频段,其过零率也越高，有关系：=kf式中，k为比例系数，即过零率与信号的频率成正比。但是，对于复杂的信号波形，信号的过零率与主频f的对应关系不明显。对于频率范围从f到的平稳高斯随机信号，单位时间内的过零点数与功率谱的关系为：上式反映，若信号频谱处在高频段，则单位时间的信号过零点数就较多。5.7.2人员、车辆信号的过零数分析振动台的振动信号，是人员、车辆、坦克行进时地震动信号的模拟，它们很多特性（如：波形、频率等）是相似的，只不过幅值由于功率放大以及振动台不能达到级的振动精度而使得百倍、千倍于地震动的震动幅度。但这不并影响我们通过研究振动台的振动信号来得知一些地震动信号的情况，这样研究虽然并不精确，但是某些方面是满足要求的，而且非常方便，因为我们不再需要重复的进行大型的外场实验，而只需通过这套系统就可近似模拟出来。基于振动台的数据采集系统的过零点算法识别是试验性质的，一方面验证振动台振动系统的正确性，另一方面是验证地震动目标识别在实验室环境能否实现。对于人员、车辆的地震动信号特性及识别方法前人积累了很多的经验，因其相似性，在这里，我们将充分的借鉴，并将其运用到振动台的数据采集与识别上来。根据前人的研究，人员脚步信号一般不超过6步/秒，而轮式车或履带式车的信号主频一般都大于13Hz，虽然会有地形地质条件、信号传播距离等因素影响，但这一特征还是很稳定的。图5.13给出了在相同采样率下两类目标的典型信号波形。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究图5.13脚步与车辆时域波形图对比（a）脚步信号（b）车辆信号图5.142s内的脚步与车辆时域波形图从图5.13中可以看出，人员脚步信号作用时间很短，信号可近似看作周期性的脉冲信号，而车辆信号可看作是连续的。显然，脚步的频数远低于车辆的频数。若分别取两类信号2s时间内的信息，并按一定规则设定过零阈值，如图5.14所示，可计算两类目标的过零数N。由于脚步信号的离散性较大，车辆信号的离散性较小，当两类的过零数差别足够大，就可以将两类目标区别开来。如果采集时间越长，差别就越大，区别起来越容易。选取阈值的方法有多种，根据对大量外场试验所得地震动数据的统计分析的经验，在振动台实验系统中，我们采用两个时间段信号的最大值的均值的30%作为过零阈值，以2秒作为时间段，选取过零数分界值为80，可以以高于90％的分辨率将人员与车辆区分开来。5.7.3过零识别算法实现在算法实现当中，由于我们激励振动台的样本数据不同，阈值也将会不同，因此在程序里事先设定好阈值是不可行的，须先实时的采集数据，用来计算阈值，阈值计算出来后，接下来的2秒时间用来进行识别。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究在过零算法识别当中，阈值的计算、选取非常关键，选取不当将会导致过零识别程序无法作出正确的判断。对于过零算法的阈值计算，可以采用以下方法：取所选时间段信号的最大值作为基本阈值。设所取时间段信号为｛x｝,令x=max{x},设P为浮动比例因子，则有＝P*x。为了提高算法的抗干扰能力，可取两个时间段信号的最大值的均值作为基本阈值。即：＝（max{x}+max{x}）。因此基本阈值为：＝P*（max{x}+max{x}）第二个时间段采样完调采集子程序，将采样值存储在指定内部RAM中继续采样，将新采样值与内部RAM中的采样值进行比较，如果大于则覆盖，小于则舍去1024点采样完NYN将内部RAM中的两个最大值取平均，并乘以系数0.3，即为阈值返回其中比例因子P取为30％。对于该阈值的计算取2s作为一个时间段，采样1024个点（0.5KHz采样频率），得出该时间段的最大值。以同样的方法得到下一个2s的最大值，将两个最大值取平均，即为过零阈值。其单片机实现的子程序框图如图5.15所示。图5.15过零阈值计算子程序框图获取过零阈值后，就可以在接下来的2s时间内通过与过零阈值比较，计算过零数，并与过零数分界值比较从而进行人员、车辆的判别。其程序框图如图5.16所示。69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究开始调计算过零阈值子程序，将值存入内部RAM中继续采样，采样值与阈值比较，大于则寄存器R0值加1NYN目标为车辆目标为人员结束R0值大于过零分界数YN1024次采样完R0溢出Y图5.16过零点算法识别程序流程图本章小结本章讨论了基于振动台的数据采集系统的设计，内容涉及硬件部分和软件算法部分。在硬件部分，给出了总体方案，并对测振传感器的选型、ADC芯片的选型，及其各芯片间与主控制器的接口设计作了详细介绍。在软件算法部分，介绍了数据采集与传输程序的设计思想及流程，以及讲述了过零点识别算法在该数据采集系统上的实现。6.课题前景展望6.1引言69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究由于地面运动目标地震动模拟振动实验平台系统是比较复杂的，国内在这方面的研究也并不多，本文所做的工作也仅仅是对地震动模拟振动实验平台系统的研究做了一个铺垫，对整个系统的完善还需进一步的研究。根据本人对该系统研究的一点体会，进一步研究的工作可从下面所述的几个方面改进，这几个方面的改进也是本人想做但是由于时间关系没有完成的工作，现把它们列在下面。6.2上位机软件的改进已实现的上位机串行通信软件，完成了数据的发送、接收管理，数据的显示、保存，数据的转换等功能。如需进一步完善，还需将发送窗、接收窗的数据，表示为直观的波形形式，以及实现这些波形在软件环境下的一些必要的信号处理计算。软件的进一步完善这将是主要工作。如果直接用VB来编写这些功能，将是非常繁琐的事情。应借助MATLAB的强大功能，MATCOM提供了这样的一个接口，MATCOM主要通过MatrixVB与VB进行通讯，MatrixVB是矩阵数学函数库，它包括基本的数学运算和功能强大的信号处理，同时还具有强大的图形支持功能。运用MATCOM与VB相结合就可以弥补VB对图形处理，信号处理的不足。软件的进一步完善在这一方面还有很多的开发空间。6.3反馈控制部分在振动台驱动后，我们将采集的振动数据发送到上位机，这样可以比较出发送数据与采集数据的时、频域特性差异，但这依然属于开路控制。并不能对振动台驱动进行补偿。进一步的研究是在振动台控制系统部分加入反馈控制回路，反馈可采用频谱均衡方式，有两种方法：传递函数修正法，波形修正法，这两种方法第二章有过介绍。由于系统或多或少存在非线性及缓慢的时变，因此均衡过程，应反复的进行，直到所复现的波形达到规定的误差要求，整个回路为闭环控制。因此准确再现地震动波形还需在这一方面做一进步的研究，并将其实现在控制系统的硬件当中。6.4硬件部分69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究在地震动试验平台系统研究中，我们采用了单片机作为控制部件。运用单片机作为中央控制单元设计驱动电路和数据采集电路，以及在采集电路的基础上实现过零点算法识别功能，单片机都是可以胜任的。在进一步的研究中，需在控制系统中加入反馈回路，反馈回路的硬件中需实现FFT、IFFT、PSD等算法，也就是前面谈到的频谱均衡，这时单片机由于自身的结构、工艺将无法实时完成这些工作，需采用一种更高性能的器件来实现。DSP由于其内部设有专门的乘法器，采用了流水线操作，提供特殊的DSP指令，这些设计使得DSP能够实时的完成上述的信号处理算法。因此，进一步的研究中，算法的硬件实现及硬件外围设计还有很多的事情需要解决。6.5系统扩展本振动实验平台系统的研究是地面运动目标探测识别的一个子项目，其目的是为了在实验室重现地面运动目标引起的地震动信号，以促进地面运动目标探测识别技术的研究，并在军事学科教学当中，为同学们提供了一个完整的、半实物的地面运动目标地震动的仿真实验平台，使得教学更加直观、生动。因此，它实际上是一个很灵活的试验系统，为了能让该试验系统能够更加广泛的为我们的振动实验所用，可对其进一步的扩展。如：加入正弦、随机、冲击信号发生器，能自由组合我们想要的波形，并激励振动台振动。本章小结在本章中，对今后的振动台实验系统研究的主要工作方向作了阐述，主要讨论了四个方面：第一部分是上位机的软件改进，第二部分是反馈控制回路的研究，第三部分是算法的硬件实现，第四部分是系统的扩展。结束语69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究本文主要对地面运动目标地震动信号模拟技术进行了大量的研究。针对三种典型战场地面运动目标（人员、车辆、坦克）引起的地震动信号，实现实验室振动台的波形再现。在本文开始，首先对地面运动目标引起的地震动信号和振动台的随机振动作了分析，根据振动台实验系统准确再现地震动信号需两个随机振动统计特性相同这一要求，对随机振动的统计特性参数作了分析介绍；并对随机振动试验控制的频谱再现式控制技术的频谱均衡、信号随机化作了详细分析；最后对随机振动信号采集的理论知识也作了一些分析和介绍。文中对振动实验平台系统的软硬件设计作了很多的研究工作。设计了上位机的通信软件，解决了PC机到下位机、下位机到PC机的数据通信。该软件且有在线设置串行通信参数，文件、字符的发送、接收管理，文件的显示、保存，数据的转换等功能。针对PC机传输的地震动数据及驱动振动台的要求，设计了基于单片机的驱动电路。该驱动电路包含：数据传输部分、单片机控制部分、D/A转换部分、低通滤波部分以及功率放大器部分。接着针对激励起的振动台设计了数据采集与传输电路，它包括：信号调理部分、A/D部分、采集控制部分、数据传输部分，并在此数据采集电路的基础上实现了过零点算法的识别功能。最后，本文还根据个人的研究体会谈到了今后振动实验平台的几个主要研究方向，即：上位机软件部分改进，反馈控制回路研究，算法的硬件实现，系统的扩展。由于地面运动目标地震动模拟振动实验平台系统是比较复杂的，国内在这方面的研究并不多，本文在这方面做了一些探索，提出了一些思路，希望能给以后的研究起到抛砖引玉的作用，相信随着研究的进一步深入，一定会取得理想的结果。致谢69\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究在论文即将完成之际，我衷心感谢在硕士学习期间给予我关怀和帮助的所有人。首先，我衷心的向我的导师朱继南教授表示最诚挚的谢意！在两年的硕士研究工作期间，导师倾注了大量的心血和智慧，使我受益终身。导师高瞻远瞩和敏锐的洞察力、严谨的治学态度、细致认真的工作作风、不断进取的创新精神将永远激励着我在人生的道路上不断攀登。衷心感谢聂伟荣副教授，在论文上她给予了我许多直接的指导和帮助，在科研道路上提出了很多宝贵建议。从聂老师的身上，我不仅学到了许多知识，更重要的是学到了精益求精、学无止境的治学精神。特别感谢王剑宇硕士，在二年的学习生活中，我们结下了兄弟般的友情，这是我人生的又一大收获。不论在工作上，还是生活中，他给予了我很大的帮助，使我能够顺利的走过人生的这一程。感谢张志明、张磊硕士，他们在研究中做了大量的先期工作，使我的课题能够较顺利的完成。感谢杨攀博士在学习、科研上，曾给予我耐心、细致的指点。感谢史亚峰、束志松、谢世强、张宁硕士在学习、生活上给予的友谊和帮助。最后深深地感谢养育我、对我的成长注入无数心血的父母，他们对我的无私奉献与期待，是我前行的永恒动力。付彬2004年6月于南京参考文献1林锋.电子对抗.北京：科学出版社，198769\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究1王汝群、丁伟.信息侦察：天线和枪刺一样多.解放日报,2001.10.112聂伟荣．多传感器探测与控制网络技术——地面运动目标震动信号探测与识别.南京理工大学博士论文．2001.63侯尧.地震动信号的特征提取与目标识别.南京理工大学硕士论文.2000.124朱明霞.小型便携式地震动目标探测识别系统的实现.南京理工大学硕士论文.2001.125杨亦春.反直升机智能雷弹声复合技术——时沿估计、目标定位和识别及系统设计.南京理工大学博士论文.2000.46杨成林.瑞雷波勘探.地质出版社.1993.107张志明.基于DSP的地面运动目标识别系统研究.南京理工大学硕士论文.2003.128张磊.基于三轴地震波检波器的目标识别与定位.南京理工大学硕士论文，2003，129兰贵禄、黄浩华、刘达.日本地震工程领域的研究概况.世界地震工程1985.310甘幼琛、谢世浩.随机振动的基本理论与应用.湖南科学技术出版社,198211黄浩华.地震模拟振动台发展情况介绍.世界地震工程1985.212杨敏霞、杨泽群、陈建秋.地震模拟振动台技术的开发与应用.世界地震工程1996.513胡志强、法庆衍等.随机振动试验应用技术.中国计量出版社,199614张思.振动测试与分析技术.清华大学出版社,199215赵红怡.DSP技术与应用实例.电子工业出版社，200316黄友仙、杨永新.用振动台模拟冲击环境的数字控制方法.强度与环境1983年第三期17胡广书.数字信号处理一一理论、算法和实现.北京：清华大学出版社,199718王世一.数字信号处理(修订版).北京理工大学出版社，200120楼顺天、李博菡.基于MATLAB的系统分析与设计——信号处理.西安：西安电子科技大学出版社，199821田学锋、周予滨.计算机通信与RS-232接口实用指南.北京：电子工业出版社，199522[美]PeterW.Gorton著.王仲文等译.精通串行通信.北京：电子工业出版社，199523[日]下乡太郎著.沈泰昌、王新义等译.随机振动最优控制理论及应用.宇航出版社，198469\n硕士论文地面运动目标地震动信号的模拟技术研究22仵俈、齐燕杰、宋文超.VisualBasic串口通信工程开发实例导航.北京：人民邮电出版社，200323龚建伟.串口通讯.龚建伟技术主页24徐宏波、徐保国、徐迈.Windows中基于API的接口技术.上海电力学院学报，2001，1225童诗白、华成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社，200126[美]HenryW.Ott著.王培清、李迪等译.电子系统中噪声的抑制与衰减技术.北京：电子工业出版社，200327向敬成.信号检测与估计.北京：国防工业出版社，199028张志涌，许彦琴.MATLAB教程——基于6.X版本.北京：北京航空航天大学出版社,2001,429周鸣争.单片机实时控制软件抗干扰编程方法的探讨.计算机应用研究，1990.430余瑞芳.传感器原理.航空工业出版社，199531杨宝清.现代传感器技术基础.北京：中国铁道出版社，200132杨振江.A/D、D/A转换器接口技术与应用线路.西安电子科技大学出版社，199633李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社，200334边肇祺.模式识别.清华大学出版社，200035肖忠祥.数据采集原理.西安：西北工业大学出版社，200136孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用.南京：东南大学出版社，200237胡大可、李培弘、方路平.基于单片机8051的嵌入式开发指南.北京：电子工业出版社，200338卢文祥、杜润生.工程测试与信息处理.武汉：华中理工大学出版社，199439马忠梅等.单片机的C语言应用程序设计.北京航空航天大学出版社，200140王宏禹.随机数字信号处理.北京：科学出版社，199841吴康.8051高速单片机串行通信时钟的新配置.国外电子测量技术，2003.342刘艳玲.采用MAX232实现MCS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