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基于DSP和DDS的商品防窃监视器扫频信号源
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1 引言

    商品防窃监视器(Electronic Article Surveillance)简称EAS，是目前超市普遍使用的安检防窃设备。其原理是由发射电路产生7.8MHz~8.8MHz的扫频信号，该信号由近场 天线发射，当天线附近有标签存在时(标签为高Q值的LC振荡回路，谐振中心频率为7.8MHz)，标签发出谐振电磁波信号，该信号被EAS接收天线接收， 经解调、放大和数字化处理后，最终发出报警信息。传统的扫频信号发生电路通常包含变容二极管组成的 LC振荡回路，通过周期性地改变二极管的偏压来改变振荡频率。由于分立元件参数的一致性差，振荡频率难以精确控制，频率变化的线性度、扫频宽度等诸多指标 也受到元件性能的严格约束。在数字化技术飞速发展的今天，由直接数字频率合成(DDS)技术产生所需要的信号波形，是EAS扫频信号发生电路发展的趋势。 笔者采用AD公司的AD9834型DDS实现扫频信号合成，同时，考虑到信号的高速频率变化特点，需使用数字信号处理器(DSP)对AD9834进行控 制。笔者采用TI公司的TMS320VC5410型数字信号处理器(以下简称C5410)。下面介绍这些器件的特点及电路实现方法。
2 TMS320VC5410和AD9834简介

    本设计要求C5410通过多通道缓冲串行口向AD9834发送命令和数据，由AD9834产生EAS系统需要的扫频信号。C5410是TI公司生产的新一 代低功耗TMS320C5000系列定点数字信号处理器，它有3个高速、全双工、多通道缓冲串行口(McBSP)，每个串行口可以支持128个通道，速度 可达100Mb/s。该系列提供的McBSP支持多种串行通信的方式和协议，可以根据用户的不同需要进行配置。多通道缓冲串行口遵循SPI协议是以主从方 式工作的，这种模式通常有1个主设备和1个或多个从设备，其接口包括以下4种信号：串行数据输入(也称为主进从出或MISO)；串行数据输出(也称为主出 从进或MOSI)；串行移位时钟(也称为SCK)；从使能信号(也称为SS)。McBSP的时钟停止模式与SPI协议兼容，当McBSP处于时钟停止模式 时，发送器和接收器是内部同步的。
    AD9834的原理框图如图1所示。它使用的DDS技术是一种利用正弦信号相位线性增加的原理直接由数字累加和数/模转换合成所需频率的技术。 AD9834主要由数控振荡器(NCO)、相位调制器、正弦查询表ROM和1个10位D/A转换器组成。数控振荡器和相位调制器主要由2个频率选择寄存 器、1个相位累加器、2个相位偏移寄存器和1个相位偏移加法器构成，它的最高工作频率可达50MHz。

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    AD9834的频率控制字由式(1)求得

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    式中，0<Δphase<228-1，fMCLK最高可达50MHz，它是由高稳定度晶体振荡器获得或由其他器件编程提供，用来同步整个合成器的各个组成部分。

    相位控制字由式(2)求得

   ΔP=Kx2π/4096    （2）

    式中，0即1个单频点持续一段时间后增加4，，再跳跃 到另1个单频点，因此，如果扫频信号的扫频范围为8.2MHz±-O.5MHz，将该lMHz频率跨度等分为32个频点，于是相邻频点之间的频率间隔Δf =1MHz/31=0.0323MHz。如果扫频信号的扫频周期为 180Hz(即5.6ms)，则每个频点占用的时间为ΔT=5.6ms/3l=181pμs。该ΔT又分为二部分，第一部分△T1为振荡时间，即单频率波 形持续时间；第二部分ΔT2为延时等待时间，在这段时间内理论上没有波形输出。在实际应用中可通过动态改变△T2在ΔT中所占的比例以控制EAS的发射功 率，对系统很有用。如果每个单频率波形持续时间(频率振荡时间)△T1=10μs，则每个单频率波形的延时等待时间ΔT2=(5.6-0.01x32) /31=170.3μs。多通道缓冲串行口发送1个单频率字只需71μs左右，能够完成控制字和频率字的发送，而且还能够在此时间内完成复杂的计算。图2 为180Hz周期内完成的32频点扫频信号波形示意图。其中，每个频点展开后都是频率一定的正弦波，每个周期内32频点扫频信号的频率范围都是从7． 7MHz到8．7MHz台阶性变化。

4 硬件设计方案和软件实现

4．1 硬件设计方案

    基于上述设计思想的硬件连接方案如图3所示，包括C5410、10MHz晶体振荡器、AD9834及滤波放大电路。由于AD9834的电源电压在2．3V 到5．5V范围内可选，C5410的电源电压为3．3V。所以在连接时无需电平转换。10MHz晶体振荡器向C5410提供输入时钟。初始化C5410使 其工作频率为100MHz，因为只有此时才能使其定时器周期寄存器从TOUT引脚输出50MHz时钟信号。该时钟信号输出到AD9834的MCLK脚，作 为AD9834的工作时钟。理论分析指出：输出信号的相位噪声取决于时钟信号的相位噪声，在输出信号频率不变的情况下，输入时钟信号频率越高，相位噪声恶 化越小。

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    滤波放大电路对AD9834输出的扫频波信号进行进一步滤波处理和幅度放大，以滤除高频信号干扰和噪声，将信噪比控制在允许范围内。由于杂波信号干扰，从 AD9834出来的扫频信号在没有滤波的情况下含有丰富的高频成分，采用RC或LC无源滤波电路处理后可以得到一组以8．2MHz为中心频率，扫频范围在 7．7MHz~8．7MHz的较为清晰的扫频波。具体实现方案是先通过由1只去耦电容器和1只电阻器组成的RC回路滤掉由：DDS输出的扫频信号中的高频 成分，然后使用带有电感器的复式滤波电路(可以选择LC滤波电路)，经电感器滤波后不但负载电流及电压的脉动减小，而且波形也变得平滑，L、c的具体值可 由f=1/(LC)1/2求得，其中f=8.7MHz，滤波电路如图4所示。由于AD9834的输出信号幅度最大只有O．8V，所以需将其幅值放大才能作 为扫频信号源，在系统中可由1个高速运算放大器实现。
    由于该电路是高速数，模混合电路，因此电磁兼容性能非常重要。特别是DSP和DDS共用1个电源，使得器件的工作信号通过电源线传输形成干扰。通常必须在 电源接入处并人大容量的电解电容器和钽电容器，滤除低频噪声。还应该在每个器件的电源引脚处接1只0．01pF一0．1pF的去耦电容器。
4．2 软件实现

    软件的流程如图5所示，主要包括复位、初始化、写频率字和控制字等部分。

    初始化部分包括对DSP多通道缓冲串行口的初始化及其配置和对AD9834写入控制字，应设置多通道缓冲串行口工作模式和DDS的SLEEP、RE- SET、SIGNPIB、HLB等位。在该系统设计中，AD9834采用串行控制比特位方式选择相位、频率寄存器；PIN/SW=0．选择控制字模式； FSEI=0，选择使用频率寄存器0(FREQ0)；D13=0,将28位的频率寄存器分成2个14位的寄存器工作，且频率字的高14位和低14位可以独 立改变。由于系统要求在上电后立即工作，故将AD9834的RESET引脚接低电平。必要时，也可以由系统中的其他模块如CPID控制DDS启动。 SDATA、SCLK和FSYNC 3个引脚向AD9834中写数据和控制字。当FSYNC=0时，表示正向AD9834写入1个新字，并将在下1个SCL．K的下降沿读人第1位，其余的位 在随后的SCLK的下降沿读入，经过16个SCLK下降沿后，置 FSYNC=1，实现了DSP对AD9834的控制。
    由于将C5410的McBSP配置为时钟停止模式，串口接收控制寄存器SPCRl的时钟停止模式位cLKSTP和串口引脚控制寄存器PCR的发送时钟极性 位CLKXP配置为CLKSTP=11，CLKXP=1(时钟开始于下降沿，有延时)，因此，发送时钟模式引脚设为内部时钟输出(BCLKX=I)；采样 率发生器时钟源来自CPU时钟(CLKSM=I)；发送帧同步模式引脚设置为输出(FSXM=1)；发送帧同步极性引脚设置为低电平有效(FSXP= 1)；发送时钟极性设置为下降沿采样 (CLKXP=1)；数据发送和接收延时时间为l位(RDATDLY=XDATDLY=01b)；采样率发生器时钟的降频因子为49(CLKGDV= 49)。因为16xbaud rateCLKOUT／1+CLKGDV为100/49，所以MCBSP的采样率发生器产生2MHz的时钟信号。
     下面是通过McBSP口向AD9834传送频率为8．2MHz的频率字和控制字的程序段：     L

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    程序设计中应该注意的重点就是对发送和接收准备好位的查询，如果在程序中没有查询或者查询的地点不对，则程序在单步运行时可能会正确发送和接收数据，但是 当全速运行时，由于速度较高，因而不能进行正确的数据收发。正确的查询应该是在数据发送前查询SPCRl或SPCR2中的RRDY位或XRDY位，当 RRDY位或XRDY位为0时，表明尚未接收或发送完数据，一直查询到RRDY位或XRDY位为1，表明上一组数据已接收或发送完毕，可以进行下一组数据 的接收或发送。
5 结束语

    由DDS技术产生的扫频信号源不仅频率稳定、信号精度高、抗干扰能力强，而且由于它是在计算机控制下直接实现的，因而易于实现智能化处理。无论是实用电路 还是测量仪器，凡是需要产生扫频信号的地方原则上都可以使用DDS技术。在频率迅速变化的场合，DDS中寄存器更新的速度有时会成为关键指标，这时必须 使用高速电路和高速串行口，由合理的硬件设计和软件流程来实现预期设计目标。
摘  要：本文介绍了一种基于TMS320VC5416的多路加速度采集与处理系统的设计方法。该系统采用AD73360作为数据采集前端，通过DSP的McBSP和AD73360级联，可实现多路模拟加速度信号的实时采集和处理。

关键词：TMS320VC5416；AD73360；加速度；数据处理
基于TMS320VC5416的多路加速度采集系统设计
引言

多路加速度采集系统在平台式惯导系统中起着至关重要的作用。在早期的产品中，控制和处理核心都采用冯·诺衣曼总线结构的微处理器，由于其指令执行速 度较慢，设计一个高性能的实时采集与处理系统显得比较困难。本文介绍了一种采用TMS320V C5416(DSP)作为处理器，用十六位高精度AD73360作为ADC的多路加速度采集系统设计方法。

图1 系统硬件原理图

图2  加速度信号预处理电路

图3  AD73360与TMS320VC5416接口电路图

图4 系统软件流程图

系统硬件设计

系统由A/D转换电路、DSP及其外围电路和通信接口电路组成，如图1所示。

A/D转换电路设计

AD73360简介

AD73360 工作模式控制起来非常方便，当器件加电以后，DSP通过XF或者写I/O 的方式将AD73360的片选SE引脚置为高电平，此时AD73360处于上电复位状态，输出同步帧信号SDOFS，当采用图3的接法时，可以通过DSP 的McBSP串口向AD73360写入控制字。AD73360由8个寄存器来控制，控制字字长为16位。

在用AD73360进行电路设计时，可直接用单极性输入方式，也可采取差动输入方式将单片AD73360接成三通道转换器。不过在用AD73360器件内部参考电压对模拟输入前端进行直流偏置时，最好采用高输入阻抗的运算放大器进行隔离。

加速度信号预处理电路设计

加速度信号预处理电路主要对输入的多路加速度信号进行取样、直流偏置和抗混叠滤波处理，具体电路如图2所示。

在直流偏置之前，首先采用精密电阻网络R1和R2对加速度信号进行取样。为了尽可能提高A/D转换精度，减小电路板的体积，系统使用AD73360 片内参考电压REFOUT作直流偏置。在送到运算放大器OP2进行直流偏置之前，采用运算放大器OP1进行隔离，以确保ADC的REFOUT端子没有输 入、输出电流，从而保证ADC片内精密电压源电压恒定和较高的A/D转换精度。最后，经R5和C1组成RC网络，抗混迭滤波后送到AD73360进行 A/D转换。

AD73360与TMS320VC5416的接口设计

AD73360 片内集成有同步串口SPI，通过和DSP的McBSP简单连接便可组成一个多通道同步数据采集系统。AD73360的复位信号/RESET、片选信号SE 分别由DSP器件的/RESET和XF引脚通过一个上升沿双D触发器提供，这样可以确保AD73360的复位信号、片选信号和DMCLK保持同步，以免发 生读写错误。McBSP的输入/输出时钟均由AD73360提供，即DSP的同步缓冲串口工作于外部时钟模式。通过多片AD73360级联，最多可以实现 48路同步采集系统(见图3)。系统在收到主控单片机的启动命令后，将XF置为高电平，AD73360处于上电复位状态，DSP将控制字依顺序写到所有 AD73360中，最后启动A/D转换，系统开始对加速度信号进行采集。

DSP外围电路和通信接口电路设计

DSP 外围电路包括时钟、电源、复位以及片外程序存储器电路。系统采用外部时钟模式，电源和复位电路采用TI公司专用芯片TPS767D301和TPS3707 -33。由于TMS320VC5416无片内Flash，因此系统采用AM29LV200B作为程序存储器，此芯片是16位Flash存储器。系统上电 后，DSP片内引导程序将AM29LV200B中的工作程序加载到片内SRAM,提高程序执行效率。

系统通信电路包括并行通信和串行通信两部分由于主控单片机采用5V逻辑，故并行通信的握手信号和数据线均需采用SN74LV245B进行电平隔 离，同时数据总线需用 SN74LV373进行锁存。并行通信的握手信号若采用I/O读写的方式实现，数据传输效率会降低许多，所以系统将McBSP2定义为通用I/O口，用 McBSP2来和主控单片机握手，从而减少硬件开销，同时提高数据传输速度。

TMS320VC5416片内无UART端口，要实现和主控单片机的串行数据通信，本系统采用ST16C650，通过I/O读写访问ST16C650，从而实现DSP和主控单片机之间的串行通信。

系统软件设计

为了编写出模块性强、执行效率高的DSP程序，该系统在开发过程中采用汇编语言和C语言相结合的方式进行软件开发。用C语言编写程序主体，用汇编语言进行硬件接口程序编写。

系统软件执行过程如图4所示，其中左图为主程序流程，右图为中断程序流程。系统加电后，首先对McBSP、AD73360、DMA和串/并通信接口 等进行初始化，然后等待主控单片机的启动命令，接收到启动命令后开始进行多路加速度信号的采集和处理，并将经过线性修正和滤波的加速度数据实时发送给主控 单片机。

中断响应程序包括定时器中断程序、DMA中断程序和数据传输请求中断程序。当系统打开中断后，一旦收到启动命令，便启动AD73360，同时定时器 开始计时；AD73360将转换后的离散加速度数据经McBSP0直接送到DMA,并分类装到各个RAM区间，当DMA指定的数据块缓冲区充满以后， DSP响应 DMA中断，对加速度值进行线性修正和数字滤波；若主控计算机数据请求中断产生，DSP通过并口、串口向主控计算机发送加速度值和空间位置信息；若定时器 产生中断，DSP将开关变量T置为1。当中断返回后，继续进行加速度数据处理，并判断开关变量T的状态，决定是否给出控制信号。

试验结果

因为在地面模拟三维加速度输入较为困难，在数据采集试验中，选用三路100Hz正弦信号作为模拟输入，用1kHz采样率进行采样。采集系统幅度和相位一致性较好，需要在实际应用中进一步检验其采集精度。

结语

利用AD73360和TMS320V C5416进行加速度采集系统设计需注意以下几个问题：由于DSP系统具有低功耗、双电源和高速度性能，在设计时需考虑芯片引脚的外接方式和工艺特性； 左右的电阻；在用WAD73360的模拟电源和数字电源要隔离；DSP和AD73360之间的接口在布线时需注意抗干扰，必要时可在串行数据线上串接10 AD73360提供的参考电压作直流偏置时，最好先用运算放大器隔离。