（信号与信息处理专业论文）一种校表仪的设计与研制.pdf

一种校表仪的设计与研制 i i i i i i i i i i i i 眚i i i i i i i i i 萱i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 置i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 摘要 钟表行业中必不可少部分就是钟表检测仪器，它的主要作用之一就是确保钟 表的产品质量，所以钟表检验仪器通常用来检验组成钟表的各种零部件以及成品 钟表是否达到规定的质量指标。钟表检测仪器的类型有很多，其中用的最多的是 校表仪，而本文开展的研究也主要是基于校表仪的。 本文设计的校表仪能够对表音信号进行采集处理得到机械手表的瞬时日差。 系统采用基于d s p 的设计方案，d s p 作为系统的核心负责数据的采集、计算和 对外围电路的控制，包括可控增益放大电路、滤波电路、外部模数转换电路和液 晶显示模块。论文重点介绍系统的硬件和软件设计。硬件设计包括器件的性能特 点，电路结构和实现的功能。软件部分介绍了瞬时日差的算法，包括计数和互相 关算法的实现原理，计数算法，即计算采样点数，由采样点数和采样率得出信号 间隔，进而计算瞬时日差。互相关算法有一个重要特性，即如果同种类型的信号 x ( f ) 和y ( t ) 相互之间有时延，那么两个信号问时延的大小就可以采用互相关函数 准确地计算出来，这种特性使得互相关函数被广泛应用二于二工程测量技术中。分别 用m a t l a b 对两种算法进行了仿真，对比两种算法对同一个信号的计算结果，看 到互相关算法的计算精度明显提高。此外还给出了d s p 计算和控制外围电路的 程序实现方案。 本文最后对系统的各部分功能进行了测量，归纳总结了测试结果，提出了改 进方法。本系统具有便携，体积小，重量轻、功耗低的优点。 关键词：校表仪；瞬时日差；d s p ；计数；互相关 哈尔滨工程大学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼量曼曼舅鼍舅量曼曼曼皇皇曼曼量曼量曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼哩曼量量量囊置皇舅曼曼量曼曼曼曼曼皇曼邑曼曼曼曼曼曼曼皇 a b s t r a c t w a t c h - t e s t i n gi n s t r u m e n ti sa ni n t e g r a lp a r to fw a t c hi n d u s t r y , i t sm a i nr o l ei st oe n s u r e t h eq u a l i t yo fw a t c h e sb yt e s tv a r i o u sc o m p o n e n t sa nf i n i s h e dw a t c h e sa c c o r dw i t hq u a l i t y i n d i c a t o r s t h e r ea r eal o to ft y p e so ft e s t i n gi n s t r u m e n t s ，w h i c ht h em o s tw i d e l yu s e di s i n s t r u m e n tc a l i b r a t i o n ，a n dt h i sp a p e ri sm a i n l yb a s e do ni n s t r u m e n tc a l i b r a t i o n i nt h i sp a p e r , ad e s i g no fc a l i b r a t i o nd e v i c ec a ng e tt h ei n s t a n t a n e o u sd a i l yr a t eo ft h e m e c h a n i c a lw a t c h e sb yw a t c hs o u n ds a m p l i n ga n dp r o c e s s i n gi sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do n d s ed s pc o r eo ft h es y s t e mi sr e s p o n s i b l ef o rd a t aa c q u i s i t i o n ，c a l c u l a t i o na n dc o n t r o lo ft h e p e r i p h e r a lc i r c u i t s ，i n c l u d i n g t h ev a r i a b l e g a i na m p l i t i e rc i r c u i t ，f l t e rc i r c u i t ，e x t e r n a l a n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o nc o n v e r s i o nc i r c u i ta n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym o d u l e t h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fs y s t e mw e r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d l y h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e s c a p a b i l i t yo fi c ，c i r c u i ta r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o n s s o f t w a r e ：s e c t i o nd e s c r i b e dp r i n c i p l ea n d r e a l i z a t i o no ft w oa l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gc o u n t i n ga n dc r o s s c o l r e l a t i o n c o u n t i n ga l g o r i t h mt o c a l c u l a t et h es a m p l i n gp o i n t s ，t h es i g n a li n t e r v a lo b t a i n e db yt h es a m p l i n gp o i n t sa n d s a m p l i n gr a t e ，t h e nc a l c u l a t et h ei n s t a n t a n e o u sd a i l yr a t e c r o s s - c o r r e l a t i o na l g o r i t h mh a sa n i m p o r t a n tf e a t u r e ，t h a ti s ，i ft h es a m et y p eo fs i g n a lx ( t ) a n dy ( t ) d e l a y , t h e nt h es i z eo f t h e d e l a yb e t w e e nt w os i g n a l sc a nb eu s e dc r o s s c o r r e l a t i o nf u n c t i o na c c u r a t e l yc a l c u l a t e d ，t h i s f e a t u r em a k e st h ec r o s s c o r r e l a t i o n f u n c t i o n w i d e l yu s e d i ne n g i n e e r i n g m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s t h et w oa l g o r i t h m su s i n gm a t l a bs i m u l a t i o n ，c o r a p a r i s o no ft h et w oa l g o r i t h m s f o rt h ec a l c u l a t i o no ft h es a m es i g n a l ，t h ec r o s s c o r r e l a t i o na l g o r i t h mf o rc a l c u l a t i o na c c u r a c y i s s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d d s pc a l c u l a t i n g a n dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i to fc o n t r o l i n gw e r e p r e s e n t e d f i n a l l y , t h ep a r a m e n t e r so ft h es y s t e mw e r em e a s u r e d a n a l y s i n gt h et e s tr e s u l t s ，p a p e r m a k e ss o m ec o n c l u s i o nf o ri m p r o v e m e n t t h es y s t e mh a sm e ! i t so fp o r t a b l e ，s m a l ls i z e ，l i g h t w e i g h ta n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n k e yw o r d s ：c a l i b r a t i o ni n s t r u m e n t ；i n s t a n t a n e o u sd a i l yr a t e ；d s p ；c o u n t ；c r o s s c o r r e l a t i o n 第1 章绪论 i i i i i i ；i i i ；i i ；写暑；昌宣暑暑暑置暑暑暑昌；写；暑；宣i i i 昌赢i i j 置暑宣宣i i 置宣i i i i i ；i i i 葺暑i i 暑罩薯；i i i i i ；i i i i i 葺i i i i i i ；i i i i ；i ； 第1 章绪论 1 1 立题背景及意义 手表消费经历了八、九十年代石英表大面积替代机械表的巨大变革，而现在，尤其 是最近几年，随着消费者消费观念的改变，曾经一度清淡的机械表消费市场正在悄悄起 着变化，机械表回潮势不可挡。一份名为2 0 0 9 2 0 1 0 ：午国内高档手表市场消费状况分 析的报告指出：在高档手表零售量中，机械表占3 6 5 9 ，比同期提高1 7 7 个百分点； 石英表占5 1 0 4 ，比同期下降o 1 8 个百分点。零售额中机械表占4 5 1 3 ，比同期提高 9 8 9 个百分点；石英表占4 4 3 3 ，比同期提高o 1 8 个百分点。近年来，随着消费者消 费水平的提高及其在钟表知识方面的增进，更多的人注意到石英手表虽然计时准确，但 是结构却过于简单，因而机械手表受到越来越多的高收入阶层的重视和青睐。所以在“用 表”的层次获得满足后，便开始向“玩表”的阶段迈进。因此在高价位名表市场里，机 械表市场将经久不衰。 钟表行业中必不可少的部分就是钟表检测仪器，它的主要作用之一就是确保钟表的 产品质量，所以钟表检验仪器通常用来检验组成钟表的各科，零部件以及成品钟表是否达 到规定的质量指标1 。 目前，国内外有不同型号的校表仪，国外有瑞士维兹：全司生产的a n a l y z e rq 1 和 c h r o n o s c o p es 1 钟表检测仪，国内有轻工业钟表研究所的m t e s t e r5 0 0 0 a 和6 0 0 0 a 机械 手表校表仪等，但都体积较大，有的还需交流供电，并且价格较高。为此希望所设计的 机械手表检测系统与市场上其他同类产品相比具有便携、体积小、重量轻、功耗低的特 点。 1 2 国内外研究水平与动态 钟表检测仪器就是钟表生产过程中一种不可缺少的设备，为了提高钟表的产量和质 量，就必须提高钟表检验仪器的质量和效率。 1 2 1 钟表检验仪器的发展 以前常用的测量机械手表的仪器是同步电机式校表仪或叫纸带打点式校表仪。图 1 1 就是打点式校表仪f d 2 的原理框图。它的工作原理：是，先将反映被测手表走时情况 的信号拾取出来，对于机械手表就是指表音信号，再用微音器将表音转换为电信号，并 与作为标准的标准频率信号互相比对。微音器转换得到的电信号被输入到校表仪中进行 放大，再输给仪器的比对记录装置中的打点电磁铁。校表仪中的石英晶体振荡器产生标 准频率，经分频和功率放大后驱动一个同步电机，使同步电机以标准转速旋转，表音信 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i 宣i ；i ；i ；i i 薯；i i 肓；i 审i i ；i 宣宣i i 叠i 宣i ；篁i ；i ；i i 昌宣宣i ；i ；蕾i 盲i 置i i 互暑昌i i ；盲； 号来至l 时由打点电磁铁使比对记录装置打点。同步电机除使比对元件旋转外，还：通过齿 轮传动使记录纸带移动。如果被测手表走时准确，就在记录上打出平行于纸边的线条， 如果手表走快或走慢，就打出倾斜的线条。曲线能反映手表的某些缺陷，所以该仪器还用 在生产线上，以检测手表的生产过程，降低次品率。使读数装置的指示盘上的平行线与 记录纸上的线条平行，根据指示线在刻度盘上的指示值，即可读出被测手表的瞬时曰差 值( 秒日) 1 。 图1 1f d 2 型校表仪原理框图 1 2 2 国内外钟表检验仪器简介 i 至年来，随着科技的发展，数字信号处理技术的应用和研究范围在很多领域得到了 发展及壮大。但是无论其应用在何种领域，其优点都是非常明显的，包括精度高：因为 其字长大；可靠性高：是以两个电压的范围而不是两个精确的电压值来区分每个二进制 位的两种可能的状态：灵活性大：在把模拟信号转换成数字信号后，就可以采用各种数 学算法进行处理等。 由于微电子技术和数字信号处理技术的飞速发展，包括校表仪在内的仪器仪表工业 正在进行一场革新，于是更多采用新的数字信号处理技术和更新的芯片技术，功能更强 大、成本更为低廉的校表仪不断设计出来，校表仪市场也出现了多种基二f 微电子技术的 钟表硷验仪器。 瑞士是手表生产强国，同样在手表校验仪器的生产和研制方面也处于世界领先地 位。：生这方面最出色的是瑞士w i t s c h i 公司，其研制的多种系列校表仪产品广泛应用 于机减表和石英表的检验上，并得到了业界的高度认可。 以下是瑞二匕w i t s c h i 公司最新产品w a t c he x p e r ti i i 口1 型校表仪，供电电压2 3 0 v 或 1 2 0 v ，自动计算和显示瞬时日差、摆幅、偏振等数值。并且能自动识别常见手表的节拍 数。其主要技术指标： j 1 1 日差：9 9 9 s d + 9 9 9 s d ，分辨率1 s d ； 9 9 9 s d + 9 9 9 s d ，分辨率0 1s d ； ( 2 ) 摆幅：7 0 0 - 一3 6 0 0 ，分辨率1 0 ； ( 3 ) 偏振：0 m s - - 一9 9 m s ，分辨率o 1 m s 。 国内校表仪也取得了一定进步，比如北京岱远测控技术开发中心研制的m t g 5 0 0 0 h 1 第1 章绪论 矗m ” 。 0 一， r 圄 刚删5 2 “ r 图1 2w i t s c h iw a t c he x p e r ti i i 型校表仪 型校表仪等，有代表性的是轻工业钟表研究所研制的m t e s t e r6 0 0 0 a p l 机械手表校表仪， 拥有大屏幕彩色液晶显示器，既可以显示瞬时日差、摆幅和偏振的数值，又可以实时显 示手表走时的线条，可以使校表人员直观快速的判断手表的故障。仪器的设计比较先进， 可以准确测量市面上常见的多种类型的机械手表，能够满足不同用户的操作习惯和需 求，具有可靠性高、易操作、精度高的优点。主要技术指标： ( 1 ) 日差：。3 0 0 s d - - 一+ 3 0 0 s d ，分辨率l s d ； ( 2 ) 摆幅：1 0 0 0 - - 3 4 5 0 ，分辨率3 0 ； ( 3 ) 偏振：o m s , - 4 o m s ，分辨率0 1 m s ； ( 4 ) 可测量手表的节拍数：1 8 0 0 0 、1 9 8 0 0 、2 1 6 0 0 、2 5 2 ：0 0 、2 8 8 0 0 和3 6 0 0 0 ； ( 5 ) 供电：单相交流1 1 0 - - 一2 2 0 v ； ( 6 ) 具有多种色彩显示模式。 对于表音信号，原则上，同一块表发出的声音在示；玻器上观察是相同的，只是出现 的时间有先后，波形上来看应该是类似于尖峰脉冲，这非常适用于用互相关的数字信号 处理算法来计算信号间的时间间隔，且这种算法具有一定的精度，于是我们搭建了一个 硬件平台来验证这种算法是否有效，搭建的硬件平台是基于数字信号处理器的信号检测 与处理系统，利用数字信号处理器的软件和硬件资源，通过硬件的配置和对软件的编程， 完成对机械手表的走时精度的计算和显示，外围还包括了放大滤波电路、信号采集电路 和液晶显示等部分。本文主要介绍的是硬件平台的搭建和走时精度的计算。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i i i i ；i ；籀；i i 出i ；i i i i i i i i i i 蛊瞄i i i i i i i i i i 薯宣宣i i i i i i i i ；i i 高i 昌i 霉；i i i i i 宣i 墨i i i i i 萱i i i ；i ；笛高i i 罱；高 图1 3m t e s t e r6 0 0 0 a 校表仪 1 3 ：苯文研究的主要内容 2 妄文研究的主要内容有：机械手表校表仪的主要工作参数选取，系统总体框架结构 设计，d s p 芯片介绍，主要硬件电路设计与调试，包括电源电路、放大滤波部分、模数 转换部分及显示模块，软件部分主要有d s p 控制外围电路和计算算法的设计与实现。 本文的具体结构安排如下： 第一章绪论主要介绍了本文的立体背景及校表仪的应用，阐述了校表仪的发展历 程，并较为详细地介绍了国内外校表仪器的发展现状，列举了国外及国内顶尖校表仪厂 家生产的仪器。 第二章对被测量的表音信号进行介绍，阐述机械手表的走时精度测量原理及本系 统用剖的算法，并对算法进行m a t l a b 仿真。 第三章系统硬件电路设计，确定系统的整体设计方案和框架结构。详细介绍电路 设计中应用到的芯片的性能指标和具体的电路设计方案和功能实现。 第四章系统软件设计，介绍d s p 程序的整体流程图。具体内容包括主程序的设计、 模数转换部分的程序设计流程、d s p 对可控增益放大器的控制、算法及显示的实现。 第五章系统性能测试及应用。介绍对系统各项性能参数的测试结果，并介绍一个 系统应用实例。 手表从结构上分为石英手表和机械手表，但是由于石英手表与机械手表的测量原理 第1 章绪论 i ；i i i i ；宣i i 高i i i i 罱i i i i 赢i i i i i i i i i 盈i i i i ；ii ；i ；i 昌；暑暑暑篁；置昌暑暑昌置皇昌；暑暑暑暑篁；i ；昌暑暑 及方法完全不同，本文介绍的只是针对机械手表的校表仪，所以下文提到的手表均指机 械手表，表音信号也指机械手表的表音信号。 系统的技术指标如下： ( 1 ) 可以测量的手表节拍数：1 8 0 0 0 、1 9 8 0 0 、2 1 6 0 0 、2 8 8 0 0 、2 9 0 0 0 ： ( 2 ) 输入信号频响范围：2 0 h z - 1 0 0 k h z ； ( 3 ) 可显示日差范围：1 0 0 0 s d 1 0 0 0 s d ： ( 4 ) 精度：5 s d ； ( 5 ) 测量时长：3 分钟。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；宣i i 高i ii i ；i i 高；i i i ；i ；i i i ；i ；i 苦i i i i i i i i i i 置高；i i ；i ；暑置；i 高；i i i i i i i i i i i i i i 第2 章走时精度测量方法 2 1 手表声音信号的形成 由于设计的校表仪是把机械手表的表音信号作为信号源，所以有必要在研究校表仪 之前先研究一下表音信号。 机械手表在工作的时候会发出“滴答”的声音，在手表走时时表机的擒纵机构相互 碰撞就会产生这种声音。每个手表的“滴答”的声音基本上是由如下图2 1 所示的三个 脉冲组成的波形，分别是释放音、冲击音和跌落音1 。 图2 1 机械手表的表音波形 释放音组成表音信号的第一个脉冲，它是在释放开始的时候，权槽与圆盘钉两者在 碰撞的一瞬间所产生的，同时，由于擒纵叉使得擒纵轮向后退，所以擒纵轮齿又和又瓦 的锁面间产生碰撞，但是后者比较微弱。释放音如图2 2 所示。 冲击音是擒纵轮齿碰撞叉瓦冲面所发出来的声音，该过程发生在释放和传冲中间， 擒纵轮在这里补充能量，每当擒纵叉的摆叉回击圆盘钉的时候，位于摆叉槽内的圆盘钉 也会发出声音。冲击音见图2 3 所示。 当限位钉碰到擒纵叉上，同时擒纵轮齿又落到叉瓦的锁面，这时发出来的声音就是 跌落二荸。跌落音见图2 4 所示。 一般情况下，第一个表音最小，通常通过示波器很难观测出来，第二个表音次之， 而第三个表音信号最大。 对于表音检测，第一和第二个表音即释放音和冲击音基本没有意义。 2 1 机械手表的振动周期和节拍 表机内摆轮游丝系统的每个振动中都包含两次碰撞，每次振动会出现两次表音，所 以表机的振动周期就是第一个与第三个表音，第二个与第四个表音问的时间间隔a c ， b d ，女口图2 5 所示。 一 第2 章走时精度测量方法 ；昌宣；暑；暑暑暑宣i i i i i i i i i 墨i i i i i i i i i i i i i i i i 葛i i i i ；i i i i i ；i i i i ；高i i i ；i i i i i ；罱 图2 2 释放音 j 0 ， ll k r 1 r 一 | r 图2 3 冲击音 图2 4 跌落音 图2 5 手表表音振动周期示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i ；i i i ；i ；i i i 宣i i i i i i 置i 宣暑；置昌昌i i i i ；i i 葛i i i i i 置i 置宣；i 置i 置i 篁暑高i ；i i 昌；置i 置宣葺i ；宣；i i ；i i ；昌；i i i ；宣 习惯上，用手表的节拍数来表征手表的振动系统是采用何种振动周期来工作的。 所谓机械手表的节拍数是指机械手表在工作时每小时内产生了多少个表音，实际上 就是摆轮在每小时时间内的单程振动次数。举例来说，如果一块机械手表的振动周期是 2 5 秒，那么每秒会有2 5 次振动，有2 5 x2 = 5 个表音，所以其节拍数为 5 6 0 6 0 = 1 8 0 0 0 。而对于振动周期为1 3 秒的表来说，其节拍数就为6 6 1 3 l 6 0 = 2 ，1 6 0 0 。 常见的机械手表周期与节拍数的关系如表2 1 所示。 周期t 节拍 表2 1 机械手表周期与节拍数的关系 ( s )0 4 4 1ll 32 7o 2 53 6 1 4 5o 2 故1 8 0 0 01 9 8 0 02 1 6 0 02 5 2 0 02 8 8 0 02 9 0 0 03 6 0 0 0 2 1 2 走时测量原理 知道了手表周期和节拍关系之后，如果能够测量出手表实际的表音周期，就可以根 据实巨；周期和标准周期知道手表的走时误差。如果我们用标准周期和手表的实际振动周 期加以对比，就会发现实际振动周期的变化情况，从而判断该手表的走时快慢情况：如 果实际周期比标准周期小，就说明这块表走时较快；如果实际周期比标准周期大，就说 明这块表走时较慢；同样道理，若两个周期相等，则这块表走时准确。 瞬时日差的定义是把手表在任意时刻测得的瞬时走时误差推算成一天的走时误差， 通常是采用校表仪对手表进行瞬时日差的测量来获得，其含义是：以当时测得的手表走 时快慢并同时假定该块手表将会以此快慢速度走时2 4 小时形成的累计走时误差，瞬时 日差的单位通常是秒天。一般测量机械手表实际上是用校表仪测量手表的摆轮游丝系 统的振动周期的误差再将其推算成2 4 小时的走时误差，其瞬时日差可以由下式表示： 丁7 m = 卫8 6 4 0 0 秒天 ( 2 1 1 z j 式中，m 瞬时日差 瓦振动系统振动周期的名义值 丁振动系统振动周期的实际值 一般情况下，由于偶然因素的影响，如果只测一个周期是不可靠的。所以通常测量 多个表音，再求平均周期值丁，以便尽量减小误差。 在机械手表检测中，瞬时日差属于一个比较基本的参数，为了使机械手表的振动周 期值尽可能地接近定义值，消除日差，可以根据瞬时曰差这个参数调整机械手表内部的 摆轮游丝系统的游丝长度。 2 2 数字信号处理算法 自2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息学科的飞速发展，数字信号处理技术应 第2 章走时精度测量方法 运而生并迅速发展，现已形成一门独立的学科体系。简单地说，数字信号处理是利用计 算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等 加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的。数字信号处理系统具有灵活、精确、 抗干扰强、设备尺寸小、造价低及处理速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理系统 所无法比拟的。目前，以d s p 芯片为核心，加上相应的软件及各种档次的开发设备， 正在形成一个具有较大潜力的产业与市场。 数字信号处理的对象是数字信号，但是真实世界存在的信号大多数又是模拟信号， 包括电的、磁的、机械的、热的、声的、光的等，因此数字信号处理之前的重要一步操 作是要将模拟域信号转换成数字域信号，通常都是通过a i ) c ( 模一数转换器) 实现这一 功能。 数字信号处理分为软件实现与硬件实现两大类。所谓软件实现是指在通用的计算机 上用软件来实现信号处理的某一方面的理论。这种实现方式的处理速度较慢，一般无法 实时实现。e l 前有关信号处理的最强大的软件工具是m a t l a b 语言及相应的信号处理工 具箱( t o o lb o x ) 。本章就采用了m a t l a b 对算法进行了仿真。 所谓硬件实现是指采用通用或专用d s p 芯片以及其他i c 构成满足数字信号处理任 务要求的目标系统。d s p 芯片较之单片机有着更为突出的优点，如内部带有硬件乘法器、 累加器，采用流水线工作方式及并行结构，多总线，速度快，配有适于信号处理的指令 等。本文采用的是美国德州仪器公司( t i ) 的c 2 0 0 0 系列7 f m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 ，第三章将会 详细介绍该款芯片。 2 2 1 计数算法 本文采用计数算法，即计算采样点数，由采样点数和采样率得出信号间隔，进而计 算瞬时日差。 机械手表的表音信号类似于尖峰脉冲，要得到实际信号的信号间隔，可以先找到每 一个信号的尖峰即最大值点对应的采样点数，两个信号间采样点数的间隔除以采样率就 得出两个信号的实际时间间隔。 可以用公式更清楚地表示，采样率是z ，每个信号为，x 2 ，x 3 ，最 大值点对应的采样点数依次为n 。，n ：，t 1 3 ，仇，则信号_ 和的时间间隔是 = ( 胛2 一九1 ) i l( 2 - 6 ) 信号五和弘的时间间隔是 r 2 = ( n 3 一啊) 2 1 i ：( 2 - 7 ) 依次类推，信号一和吒的时间间隔t k 一。是 “= ( 体一r 4 ) i ( k 一1 ) 工 ( 2 - 8 ) k 越大即测量时间越长得到的时间间隔误差越小。此处得到的时间间隔也就是被测 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i ；暑i ；置i ；暑宣；葺i 葛暑i 宣；i ；i i 宣；i i ；i i 暑；i ；宣置；i 昌i 宣；i 宣暑i i 昌i 宣i i i i 商i ；皇；i 信号的卖际周期丁。 信号 2 0 0 1 0 0 删 【阻 o 1 0 0 0 2 5 1 5 0 2 5 1 避 j 里0 2 5 0 5 ，i l r r r e - h 0 2 5 0 2 4 9 5 0 2345 6 时间，s 时间间隔 u0l u 1 0z uz 0 计算次数 图2 6 计数法的m a t l a b 仿真结果 图2 6 是利用这种方法得到的m a t l a b 仿真结果，上面的被测信号是掺杂噪声的脉冲 信号：频率为4 h z 即信号问的时间间隔是0 2 5 s ，实线是信号时间间隔的真值0 , 2 5 s ，曲 线是扫用上面介绍的方法计算得到的时间间隔即周期的实际值，可以观察到，随着计算 次数拘增加也就是随着测量时间的延长，实际计算值越来越趋近于真值，这也是符合以 上所分析的。 2 2 ：! 互相关算法 除了上述介绍的计数算法，本文还采用了另一种算法，互相关算法来计算时间间隔。 在数字信号处理及现代通信等许多领域中，相关，也称线性相关是一个十分重要的 计算和分析方法，随机信号的功率谱密度分析通常都会利用到相关函数，此外它也常应 用于确定信号的分析，而且用数字方法处理随机信号时，平稳随机信号的统计特性可以 用祚关函数来表述，相关在声信号处理中也有很重要的作用p h 8 1 。 对于随机信号x ( r ) ，自相关函数为 r x ( r ) = e x ( t ) x ( t + r ) = ，l i m 亲i ：x ( t ) x ( t + f ) d o ) ( 2 - 2 ) ， + ，u 式中：f 时移 对于离散随机信号序列x ( n ) ，自相关函数为 l o 第2 章走时精度测量方法 ；暑；昌喾；暑宣i ；i i 葺宣i 暑i i i i i i i i i i i i ；i i i i 蕾i i i 罱i i 墨宣i i i i i 昌宣宣i i ；鲁；i i i i 宣i i i i ；i i i i i i ；i 宣 r x ( 咖研砌m 肘聊) _ 舰专酗咖( 门训( 2 - 3 ) 式中：m 延迟 对于两个不同的随机信号x ( ，) ，y ( t ) ，互相关函数为 岛( f ) = 研x ( f ) 少( f + 丁) _ 7 l 籼i m 。彳1rx ( f ：i y ( ，+ r ) d ( f ) ( 2 - 4 ) 式中：r 时移 对于离散随机信号序列x ( n ) ，y ( n ) ，互相关函数为 ( 脚) = 州行) y ( 船+ 脚) 一l i m - - i - y ； 劬( 以+ m ) ( 2 - 5 ) 式中：m 延迟 应该注意上面公式中要求丁寸+ o 。或专+ o 。，而：在工：程中信号是有限长的，因此 只能得到相关函数的估计值，当f 或足够长时，估计值能精确地逼近真实值。 互相关函数有一个重要特性，如果同种类型的信号x ( f ) 和y ( ，) 相互之间有时延，那 么两个信号间时延的大小就可以采用互相关函数准确地计算出来，这种特性使得互相关 函数被广泛应用于工程测量技术中p 1 。 信号 窿 厦 n 迎垦 1 0 0 ：留5 0 1 o 5 0 1 0 状5 罂 o 01 23456 时间，s x1 0 5各个信号互相关 。一1j0。 j 。jh。lh 。l ih 。i l _ “ h 】【6 “ik j i 。1虻i h 山l 扎“。h 。l l自【h j h _ 。 “一m ”。旷1 ”i ” 1 f ”1”。4 - r , i 1 1 i“n”i 。 。 r ” 1 ll ” 乇0 05 0 0- 4 0 0- 3 0 0 - ：2 0 01 0 00 时间s 信号问隔 计算次数 图2 7 互相关算法的m a t l a b 仿真结果 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 宣i ；i ；i i 高i ；i 苗i i 昌暑；畜；i i 宣i i 本：艾涉及到的表音信号，原则上所有信号有相同的波形，只是出现的时间不同，即 属于有时移的同类信号，非常适用于用互相关函数进行时延计算。将检测到的第一个信 号分别与之后的每个信号做互相关，得到信号问的时间间隔，用互相关算法进行m a t l a b 仿真，碍到的仿真结果如图2 7 所示。 从图2 7 的结果来看，被测信号是掺杂噪声的脉冲信号，频率为4 h z 即信号问的时 间间隔是o 2 5 s ，每一个信号都与第一个信号做一次互相关，得到每一个信号与笫一个 信号间的时间间隔，再求平均计算信号的周期，随着求平均次数的增加计算值越来越趋 近于真值。从得到第二个图的波形图可以看到信号更尖锐且噪声变得很小，说明互相关 算法刘随机噪声具有很好的抑制作用，也就使得信号间隔的计算精度变得更高。 茭了更加直观地说明互相关算法对噪声具有很好的抑制作用从而具有更高的精度， 我们建同一个信号同时进行直接计算和互相关算法的计算，将得到的两种结果与真值一 起放在同一张图里，得出图2 8 。 计算次数 图2 8 互相关法和直接计算得到的信号间隔比较 图2 8 的被测信号同样是掺杂随机噪声的脉冲信号，信号间的时间间隔0 2 5 s ，星线 图p ：表直接计算得到的值，圆线图代表用互相关算法计算的值，图中很明显的可以看到 两者都在随着计算次数的增多而逐渐趋近于真值，不同的是直接计算的实际值在真值附 1 2 第2 章走时精度测量方法 ；兰i i i i i 皇宣；i 宣i i i ；i i i i i ；i ；葺五i i i i i ；苗；i i ；i 暑罱i 昌宣；罱i i ；宣i i 罱i i i i ；置；i i i i i i ；i i i i 近的波动要大于用互相关算法的实际值在真值附近的波动，而互相关算法的精度相比直 接计算得到的精度得到了提高。 2 3 本章小结 在本章节中介绍了机械手表表音的形成，机械手表节拍数与振动周期之间的关系。 接着介绍了机械手表的走时测量基本原理。本章第二节简述了本文采用的两种数字信号 处理方法，即计数法和互相关算法，并分别介绍了其基本原理及其m a t l a b 仿真结果。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章系统硬件电路设计 3 。】系统总体方案 系统框图如图3 1 所示，从图中可以看出系统主要由以下几个独立单元组成：模拟 调理电路、滤波电路、a d 转换电路、d s p 微处理器、以及液晶显示模块。， 图3 。1 系统结构框图 3 2d s p 电路设计 d s p 数字信号处理器是整个校表仪电路的核心器件，负责计算数据和控制外围电 路。 由于d s p 数字信号处理器具有速度快、实时性好的特点，所以非常适合于执行各 种数字信号处理算法。d s p 可以分为定点和浮点两大类。 定点型d s p 数字信号处理器已经在应用中取得了极大的成功，而且仍然是d s p 应 用能主体。然而，随着对d s p 存储器容量、处理精度与速度、编程的方便性及灵活性 要求的不断提升，从8 0 年代末9 0 年代初以来，众多d s p 生产厂家纷纷推出了多种型 号的3 2 b i t 浮点运算型d s p 。从宏观上讲，浮点d s p 的动态范围比定点d s p 的大得多。 定i 运算中，要求程序员随时关注是否发生溢出，为了防止溢出，要么做截尾，要么不 断地进行移位定标操作。前者造成精度的损失，后者则耗费大量时间和空间。相反，浮 点运算d s p 因为减少了移位、定标和对溢出的检查，从而扩大了动态范围，提高了精 度，也节省了存储空问和运算时间。 本系统选用t i 公司推出的一款3 2 位浮点型d s pt m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 ，其实 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 应该确切的称为d s c 即数字信号控制器，本文为了习惯仍称其为d s p 。 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 川是t i 公司推出的一款3 2 位浮点d s p 。相比定点d s p 。该款d s p 具有高精度，成本低廉，低功耗，高性能的特点。由于其内部供电电压1 9 v ，外部供电 电压3 3 v ，所以功耗得到很大程度的降低。且主频可以高达1 5 0 m h z ，大大加快了处理 1 4 第3 章系统硬件电路设计 速度，使其越来越多地应用于那些既要求便携性又要求进行浮点计算的产品当中。 t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 的数据手册见参考文献 1 0 。其主要性能包括： 采用静态高性能c m o s 技术，指令周期为6 6 7 n s ，主频最高可达1 5 0 m h z ； 3 2 位高速c p u ，单精度浮点处理单元( f p u ) ，采用哈佛流水线就够，能够快速响应 中断，具有统一的内存管理模式，可以用c c + + 语言实现复杂的数学算法； 支持6 个d m a 通道； 片上内存包括s a r a m 存储器、f l a s h 存储器等，其中f l a s h ，o t p r o m 受密码保护； 拥有看门狗模块，支持p l l 动态调节，内部锁相环可编程，通过软件设置相应寄存 器的值改变c p u 的输入时钟频率； 8 个外部中断连接到g p l 0 0 g p l 0 6 3 ，与t m s 3 2 0 f 2 8 i x 系列d s p 相比，减少了专 门的中断引脚； 拥有p i e ( 外设中断扩展控制器) 管理来自外部引脚和片上外设的中断请求； 增强型的外设模块； 3 个3 2 位的定时器； 串行外设包括：1 个s p i 模块、两通道c a n 模块、1 个主从兼容的模块、两个( m c b s p ) 模块、3 通道s c i 模块； 片上a d 转换器为1 2 位1 6 通道、包含2 个采样保持：器、支持两种( 内外部) 参考 电压，转换速度可达8 0 n s ； 8 8 个g p i o 引脚可编程复用； 低功耗工作模式； 内核供电电压1 9 v ，i o 口供电电压3 3 v ； j t a g ( 片内扫描仿真接口) 符合i e e e l l 4 9 1 标准 1 1 1 - 1 7 1 。 3 3 其它电路设计 3 3 1 传感器的选择 由于需要测量的信号是声音信号而不是电信号，所以要想被后续电路处理首先要将 声音信号转换成电信号，实现这一功能的器件是声电转换器，也叫传声器或微音器。 微音器有很多种类，按用途可分为近讲、立体声、无线微音器等：按接收声波的方 向性可分为有指向性微音器和无指向性微音器，其中有指向性微音器包括强指向性、心 形指向性、双指向性等；按原理又可分为电磁式微音器、半导体式微音器、压电式微音 器、电容式微音器和电动式微音器。 最常用的一种微音器是动圈式微音器。其工作原理为：当人对着话筒说话时，随着 声音膜片前后振动，音圈在磁场中做切割磁力线的运动。由于电磁感应现象的存在，在 线圈两端就会产生感应电动势，声电转换从而完成。通常还会装置一只升压变压器，这 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i 宣；i i i 昌i i ；宣i i i i i ；i i i i i i ；篁墨i i i i i i 暑i i i i 葺；i i i ；i 篁i i i i i i i i i i i ；i i i 奄墨置宣i i i i ；i i ；i 宣i ；车i i 暑i i ； 样做的目的是为了微音器的输出阻抗和感应电动势得到提高。 靠电容量的变化而工作传声器就是电容传声器。其工作原理为：膜片随着声波频率 的不同和压力的大小而振动，极板之间的电容量随着膜片的振动发生变化，随之使得极 板上的电荷发生变化，造成电路里的电流也跟着发生变化，最终造成负载电阻上：有变化 的电压输出，声电转换进而完成。 驻极体电容传声器的工作原理类似于电容传声器，不同之处在于其振动膜片材料 采用一种聚四氟乙烯。之所以名为驻极体电容传声器，是因为振动膜片材料经过一种特 殊的点处理后，极化电荷会永久地驻在材料表面，将它取代电容传声器的极板。 无线传声器实际上是一种微型扩音系统，它由电源、调频电路和微型驻极体电容式 传声器三部分组成。无线传声器采用了调频方式调制信号。在需要接收时应该使用专用 的调频接收机，但是如果想利用普通的调频收音机收听到无线传声器发出的声音，则需 要调整一般的调频收音机调谐频率，使其在无线传声器发射的频率上即可引。 圳上几种传声器的主要特点如下表3 1 所示。 动匿 电 驻极体 无垒 表3 1 几种常用传声器的主要特点 j 传声器结构简单、稳定可靠、使用方便、固有噪声小，但灵敏度低、频率范围窄 传声器频率范围宽、灵敏度高、失真小、音质好，但结构复杂、成本高 电容传声器体积小、性能优越、使用方便 i 传声器 音质良好、使用方便、体积小，扩音机与话筒间无线，自由移动 微音器在测量中起着很重要的作用，处在电路的第一级，其精确程度直接决定整个 系统的精度。微音器的选用依据是微音器的主要性能指标。微音器的性甜e 冲, 3 匕e l 标通常包含 灵敏度、频率特性、输出阻抗和指向性。灵敏度的定义是微音器在一定声音强度的作用 下所输出的电压信号或电流信号的大小。灵敏度能够表明微音器将声音信号转换成电信 号的转换效率，灵敏度越高，说明对微弱的声音信号反应越灵敏。频率特性是指微音器 在不再l 频率声波作用下的灵敏度，微音器的灵敏度与频率有关，不同的频率，其灵敏度