噪聲主動控制基本思想是由德國物理學家Paul Lueg于1936年發明“電子消聲器”時首次提出的。噪聲主動控制技術相對傳統的被動控制，具有對中、低頻段噪聲控制效果明顯、系統輕巧、實時性強等優點，具有潛在的工程應用價值。

        噪聲控制為實時控制，需要較大的計算量，普通的單片機難以實現。20世紀80年代，數字信號處理（DSP）芯片的問世為信號的實時控制開辟了廣闊的發展空間。隨著芯片技術的不斷成熟和發展，DSP已成為現代智能控制器的核心部件。

        本文采用DSP芯片TMS320F2812設計了既可以脫機獨立自主運行又可以通過USB接口在線仿真的智能控制器，并以該控制器為核心設計了汽車內部噪聲主動智能控制系統。

智能控制系統的電路設計

1 設計過程及系統框圖

         汽車內部噪聲智能控制系統的設計過程如圖1所示。



圖1 DSP智能控制器硬件設計流程圖

        在器件選型時，要考慮器件之間的相互匹配性，以及器件的供貨能力和技術支持等。本設計選用的DSP芯片TMS320F2812性能如下：采用高性能的靜態CMOS低功耗設計技術，主頻高達150MIPS（時鐘周期6.67ns），支持JTAG邊界掃描接口；高效32位高精度CPU；并有最多可達128K×16的FLASH存儲器等。
         電路板的設計需要傳輸線理論知識以及布線工藝和系統結構設計知識，以保證信號的完整性，另外著重考慮電磁干擾和電磁兼容性問題。

        如圖2所示，智能控制器主要由模擬電路部分（包括數字信號采集電路和輸出信號處理電路）、DSP子系統（包括DSP芯片及外圍電路）、電源、時鐘及復位電路等構成。下面將介紹幾個主要電路的設計。



圖2 智能控制器結構框圖



圖3 電源和復位電路

2 電源與復位電路設計

         DSP系統對電源的性能（如紋波、上電順序等）要求較高，因此在本設計選用了線性調壓電路芯片TPS767D301。TPS767D301為雙輸出低漏電壓調整器，其特點如下：每個電源輸出都有單獨的復位和輸出使能控制；具有快速瞬態響應功能；電壓輸出3.3V/1.8V可調。

        采用TPS767D301構成的電源電路從外部穩壓電源引入+5V電壓，+5V電壓經TPS767D301后輸出電壓為1.8V和3.3V。為減小電源本身對DSP的干擾，在電路中增加了濾波網絡，如圖3所示。

3 A/D、D/A電路設計

       TMS320F2812芯片上有一個12位、轉換頻率為25MHz的ADC,其前端為兩個8選1的多路轉換器和兩路同時采樣/保持器。在要求不很高時，完全可利用其構成同步順序采樣電路,或者增加外部采樣保持器后構成同步采樣。考慮到本系統對電量采集精度和速度的要求較高,采樣模塊中選用了外置的六通道16位ADC ADS8364。該器件內部包括6個高速采樣-保持放大器、6個高速ADC、一個參考電壓源及3個參考電壓緩沖器,可以提供250KSPS的同步采樣率,還可提供具有超低功耗(69mW/每通道)的所有6個輸入通道的轉換,這樣使得所有通道的單位成本均較低。6個通道的數據輸出接口電壓介于2.7～5.5V，便于與DSP直接接口，省去了中間的電平轉換。6個完全獨立的ADC可大大提高硬件整體的并行處理速度，在50kHz輸入信號下仍可保證大于80dB的卓越共模抑制能力，特別適合用于高干擾環境。圖4為ADS8364與TMS320F2812的接口電路。

         為了實現系統的控制功能，D/A轉換電路中選用四路12位電壓輸出型DAC TLV5614，它具有靈活的四線串行接口，可以與TMS320 SPI、QSPI和Microwire串行口實現無縫連接。TLV5614的編程控制由16位串行字組成，即兩位DAC地址、兩個獨立的DAC控制位和12位的DAC輸入值。器件采用雙電源供電：一組為串行接口使用的數字電源，即DVDD和DGND；另一組為輸出緩沖器使用的模擬電源，即AVDD和AGND。兩組電源相互獨立且可為2.7～5.5V之間的任何值。雙電源應用的好處是DAC使用5V電源工作，而DAC的數字部分使用2.7～5.5V電源，可以和多種接口連接。



圖4 ADS8364與TMS320F2812的接口電路



圖5 TLV5614接口電路

         在設計中，D/A電路采用了2.5V的參考電壓，為了控制方便，在控制D/A時，使用TMS320F2812的GPIOB作為轉換芯片控制線，電路如圖5所示。

4 外部SRAM、FLASH擴展電路設計

          由于該控制系統需要存儲大量的數據以備分析和利用，根據DSP與外部存儲器之間的“零等待”原則，采用IS61LV6416-12T擴展F2812的外部存儲器，IS61LV6416-12T為64K×16高速CMOS SRAM，3.3V供電，其與TMS320F2812的接口電路如圖6所示。



圖6 外部存儲器擴展電路

汽車內部噪聲主動控制實驗系統設計

         本控制實驗系統主要由4部分組成：汽車被控系統模型（含執行器）、外部聲源、控制器和信號監視（含傳感器），如圖7所示。需要說明的一點是：在控制系統中，被控汽車模型包含多塊鋁板，在此為了表達方便，只畫出其中一塊。

         在實驗系統中，采用外部揚聲器模擬艙體從外部受到的激勵。揚聲器發出的聲波迫使汽車模型的一個由鋁板構成的面發生受迫振動，從而使汽車內部出現較大的噪聲；當放置在箱體內部指定位置的聲壓傳感器檢測到該處的聲壓變化，就把最新的聲壓值向DSP控制器傳送，控制器根據此時系統的輸入和輸出情況，及時做出判斷，對系統施加控制，此控制功能是通過粘貼在封閉艙體薄鋁板壁上的PZT執行器完成的，因為PZT在控制信號的作用下能夠產生振動能量，同樣使鋁板受迫振動，以此來降低汽車內部指定位置的噪聲。



圖7 實驗系統組成示意圖


1 汽車被控系統模型

         由于本設計是針對汽車內部噪聲展開的，為了研究方便，采用了粗略的轎車模型作為被控對象。該模型的四面由1mm的鋁板組成,在車身上和車身內部安裝有控制傳感器,其中該控制系統的執行器是PZT，對稱地安裝在模型上。

         由于壓電陶瓷具有把電能轉變為機械能的能力，因此當應用系統通電給壓電陶瓷時，材料的自發偶極矩發生變化，從而使材料的尺寸發生改變，這種效應可在20ms內產生50μm的位移，響應速度之快是其他材料無法比擬的，而且頻帶很寬，對溫度不敏感，隨著加壓次數的增加，性能趨于穩定，并且容易集成，是高精度、高速驅動器所必須的材料。本設計選用了壓電材料PZT作為執行器。

2 外部聲源

           實驗中的外部聲源是由揚聲器代替的，揚聲器由信號發生器發出的信號經過功率放大器后驅動。

3 智能控制器

           以TMS320F2812DSP芯片為核心的智能控制器既可以脫機獨立自主運行又可以通過USB接口在線仿真。

4 信號監視器

       為了能夠監視箱內的控制誤差信號和壓電片驅動信號并進行信號處理，本控制系統的信號監視器采用了自行開發的多功能信號采集和處理系統。

        本設計所選用的座位傳感器的壓電材料為壓電薄膜PVDF，PVDF感知的信號作為系統的參考信號。PVDF很薄、柔軟、密度低且靈敏度很高，其機械柔韌性比壓電陶瓷高10倍。PVDF壓電材料的壓電性比石英高3～5倍，壓電系數更高，可貼在物體表面。

結論

        本文以TMS320F2812 DSP為基礎設計了既可以脫機獨立自主運行又可以通過USB接口在線仿真的智能控制器。并以該控制器為核心設計了汽車內部噪聲主動智能控制實驗系統。通過理論分析, 該控制系統具有較高的數據處理能力和處理速度，因此在實時控制中能夠發揮重要的作用。