DSP實(shí)現(xiàn)EAS掃頻信號(hào)源設(shè)計(jì)

1 引言
　　商品防竊監(jiān)視器(Electronic Article Surveillance)簡(jiǎn)稱EAS，是目前超市普遍使用的安檢防竊設(shè)備。其原理是由發(fā)射電路產(chǎn)生7.8MHz~8.8MHz的掃頻信號(hào)，該信號(hào)由近場(chǎng)天線發(fā)射，當(dāng)天線附近有標(biāo)簽存在時(shí)(標(biāo)簽為高Q值的LC振蕩回路，諧振中心頻率為7.8MHz)，標(biāo)簽發(fā)出諧振電磁波信號(hào)，該信號(hào)被EAS接收天線接收，經(jīng)解調(diào)、放大和數(shù)字化處理后，最終發(fā)出報(bào)警信息。傳統(tǒng)的掃頻信號(hào)發(fā)生電路由于分立元件參數(shù)的一致性差，振蕩頻率難以精確控制，頻率變化的線性度、掃頻寬度等諸多指標(biāo)也受到元件性能的嚴(yán)格約束。筆者采用AD公司的AD9834型DDS實(shí)現(xiàn)掃頻信號(hào)合成，同時(shí)，考慮到信號(hào)的高速頻率變化特點(diǎn)，需使用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)AD9834進(jìn)行控制。筆者采用TI公司的TMS320VC5410型數(shù)字信號(hào)處理器(以下簡(jiǎn)稱C5410)。下面介紹這些器件的特點(diǎn)及電路實(shí)現(xiàn)方法。
2 TMS320VC5410和AD9834簡(jiǎn)介
　　本設(shè)計(jì)要求C5410通過(guò)多通道緩沖串行口向AD9834發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，由AD9834產(chǎn)生EAS系統(tǒng)需要的掃頻信號(hào)。C5410是TI公司生產(chǎn)的新一代低功耗TMS320C5000系列定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它有3個(gè)高速、全雙工、多通道緩沖串行口(McBSP)，每個(gè)串行口可以支持128個(gè)通道，速度可達(dá)100Mb/s。該系列提供的McBSP支持多種串行通信的方式和協(xié)議，可以根據(jù)用戶的不同需要進(jìn)行配置。多通道緩沖串行口遵循SPI協(xié)議是以主從方式工作的，這種模式通常有1個(gè)主設(shè)備和1個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，其接口包括以下4種信號(hào)：串行數(shù)據(jù)輸入(也稱為主進(jìn)從出或MISO)；串行數(shù)據(jù)輸出(也稱為主出從進(jìn)或MOSI)；串行移位時(shí)鐘(也稱為SCK)；從使能信號(hào)(也稱為SS)。McBSP的時(shí)鐘停止模式與SPI協(xié)議兼容，當(dāng)McBSP處于時(shí)鐘停止模式時(shí)，發(fā)送器和接收器是內(nèi)部同步的。

　　AD9834的原理框圖如圖1所示。它使用的DDS技術(shù)是一種利用正弦信號(hào)相位線性增加的原理直接由數(shù)字累加和數(shù)/模轉(zhuǎn)換合成所需頻率的技術(shù)。AD9834主要由數(shù)控振蕩器(NCO)、相位調(diào)制器、正弦查詢表ROM和1個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換器組成。數(shù)控振蕩器和相位調(diào)制器主要由2個(gè)頻率選擇寄存器、1個(gè)相位累加器、2個(gè)相位偏移寄存器和1個(gè)相位偏移加法器構(gòu)成，它的最高工作頻率可達(dá)50MHz。

　　AD9834的頻率控制字由式(1)求得

　　式中，0Δphase228-1，fMCLK最高可達(dá)50MHz，它是由高穩(wěn)定度晶體振蕩器獲得或由其他器件編程提供，用來(lái)同步整個(gè)合成器的各個(gè)組成部分。

　　相位控制字由式(2)求得

　　ΔP=Kx2π/4096　　(2)

　　式中，0小于K小于228-1，改變K值即可改變輸出相位值。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

　　傳統(tǒng)的EAS掃頻信號(hào)產(chǎn)生電路使用了壓控振蕩集成電路。通過(guò)改變外圍變?nèi)荻O管的直流偏壓可以使掃頻信號(hào)的頻率范圍控制在8.2MHz±0.5MHz。當(dāng)采用全數(shù)字頻率合成時(shí)，由于數(shù)字信號(hào)的非連續(xù)性，不可能產(chǎn)生連續(xù)的掃頻信號(hào)，只能產(chǎn)生臺(tái)階性變化的掃頻信號(hào)，即1個(gè)單頻點(diǎn)持續(xù)一段時(shí)間后增加4，，再跳躍到另1個(gè)單頻點(diǎn)，因此，如果掃頻信號(hào)的掃頻范圍為8.2MHz±-O.5MHz，將該lMHz頻率跨度等分為32個(gè)頻點(diǎn)，于是相鄰頻點(diǎn)之間的頻率間隔Δf=1MHz/31=0.0323MHz。如果掃頻信號(hào)的掃頻周期為 180Hz(即5.6ms)，則每個(gè)頻點(diǎn)占用的時(shí)間為ΔT=5.6ms/3l=181pμs。該ΔT又分為二部分，第一部分△T1為振蕩時(shí)間，即單頻率波形持續(xù)時(shí)間;第二部分ΔT2為延時(shí)等待時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)理論上沒有波形輸出。在實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)動(dòng)態(tài)改變△T2在ΔT中所占的比例以控制EAS的發(fā)射功率，對(duì)系統(tǒng)很有用。如果每個(gè)單頻率波形持續(xù)時(shí)間(頻率振蕩時(shí)間)△T1=10μs，則每個(gè)單頻率波形的延時(shí)等待時(shí)間ΔT2=(5.6-0.01x32)/31=170.3μs。多通道緩沖串行口發(fā)送1個(gè)單頻率字只需71μs左右，能夠完成控制字和頻率字的發(fā)送，而且還能夠在此時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的計(jì)算。圖2為180Hz周期內(nèi)完成的32頻點(diǎn)掃頻信號(hào)波形示意圖。其中，每個(gè)頻點(diǎn)展開后都是頻率一定的正弦波，每個(gè)周期內(nèi)32頻點(diǎn)掃頻信號(hào)的頻率范圍都是從7.7MHz到8.7MHz臺(tái)階性變化。

　　4 硬件設(shè)計(jì)方案和軟件實(shí)現(xiàn)

　　4.1 硬件設(shè)計(jì)方案

　　基于上述設(shè)計(jì)思想的硬件連接方案如圖3所示，包括C5410、10MHz晶體振蕩器、AD9834及濾波放大電路。由于AD9834的電源電壓在2.3V到5.5V范圍內(nèi)可選，C5410的電源電壓為3.3V。所以在連接時(shí)無(wú)需電平轉(zhuǎn)換。10MHz晶體振蕩器向C5410提供輸入時(shí)鐘。初始化C5410使其工作頻率為100MHz，因?yàn)橹挥写藭r(shí)才能使其定時(shí)器周期寄存器從TOUT引腳輸出50MHz時(shí)鐘信號(hào)。該時(shí)鐘信號(hào)輸出到AD9834的MCLK腳，作為AD9834的工作時(shí)鐘。理論分析指出：輸出信號(hào)的相位噪聲取決于時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲，在輸出信號(hào)頻率不變的情況下，輸入時(shí)鐘信號(hào)頻率越高，相位噪聲惡化越小。

　　濾波放大電路對(duì)AD9834輸出的掃頻波信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步濾波處理和幅度放大，以濾除高頻信號(hào)干擾和噪聲，將信噪比控制在允許范圍內(nèi)。由于雜波信號(hào)干擾，從AD9834出來(lái)的掃頻信號(hào)在沒有濾波的情況下含有豐富的高頻成分，采用RC或LC無(wú)源濾波電路處理后可以得到一組以8.2MHz為中心頻率，掃頻范圍在7.7MHz~8.7MHz的較為清晰的掃頻波。具體實(shí)現(xiàn)方案是先通過(guò)由1只去耦電容器和1只電阻器組成的RC回路濾掉由：DDS輸出的掃頻信號(hào)中的高頻成分，然后使用帶有電感器的復(fù)式濾波電路(可以選擇LC濾波電路)，經(jīng)電感器濾波后不但負(fù)載電流及電壓的脈動(dòng)減小，而且波形也變得平滑，L、c的具體值可由f=1/(LC)1/2求得，其中f=8.7MHz，濾波電路如圖4所示。由于AD9834的輸出信號(hào)幅度最大只有O.8V，所以需將其幅值放大才能作為掃頻信號(hào)源，在系統(tǒng)中可由1個(gè)高速運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。

　　由于該電路是高速數(shù)，模混合電路，因此電磁兼容性能非常重要。特別是DSP和DDS共用1個(gè)電源，使得器件的工作信號(hào)通過(guò)電源線傳輸形成干擾。通常必須在電源接入處并人大容量的電解電容器和鉭電容器，濾除低頻噪聲。還應(yīng)該在每個(gè)器件的電源引腳處接1只0.01pF一0.1pF的去耦電容器。