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对智能控制器核心部件的认识 专业：电气工程及其自动化 班级：电气0802 学号: 0801120236 姓名：方建忠对智能控制器核心部件的认识智能控制器（intelligent controller）是指嵌入微处理器并与现场总线连接的控制阀门开关的控制部分它与执行机构一起不仅具有执行器的功能,而且还具有控制、运算和通信等功能,同时可以实现网络化管理。智能控制器拥有自己独一无二的优点，所以在各个方面都有应用。比如客房，家用，智能电动机，自动照明控制器等等。如：CPLD ，DSP ，NSP430 ，FPGA 。下面分别介绍。CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。一.CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC，Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件-PLD诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件-CPLD。目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。 二.DSP(Digital Signal Processing)的缩写，表示数字信号处理器，信息化的基础是数字化，数字化的核心技术之一是数字信号处理，数字信号处理的任务在很大程度上需要由DSP器件来完成，DSP技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术。DSP是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。DSP是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点：A. 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；B. 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；C. 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；D. 有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；E. 快速的中断处理和硬件I/O支持；F. 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；G .可以并行执行多个操作；H. 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。当然，与通用微处理器相比，DSP微处理器（芯片）的其他通用功能相对较弱些。 DSP优点：对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小；容易实现集成；VLSI 可以分时复用，共享处理器；方便调整处理器的系数实现自适应滤波；可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等；可用于频率非常低的信号。 DSP缺点需要模数转换；受采样频率的限制，处理频率范围有限；数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。但是其优点远远超过缺点。DSP的应用：A. 语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。B. 图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。C. 军事：保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。 D. 仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。 E. 自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。 F. 医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。G. 家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。 三MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗。具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电便携式仪器仪表中。MSP430的特点A.处理能力强:MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 B.运算速度快:MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理器的某些算法（如 FFT等）。 C.超低功耗:MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165A左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1A。 其次，独特的时钟系统设计。 D.片内资源丰富:MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。另外，MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5s。 E.方便高效的开发环境:MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和 C 语言。四FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。目前以硬件描述语言（Verilog 或 VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。 FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。基本特点A. 采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 B. FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。C.FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。D. FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 E. FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同