（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的多被控对象实验仪器集成系统的开发.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u se x p a n s i o no fu n i v e r s i t ys c a l ei nc h i n ar e c e n t y e a r s ，e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s a r eu s e dm o r ea n dm o r ef r e q u e n t l yi n t e a c h i n g h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a le q u i p m e n t sc a nn o tm e e tt h en e e d so f t h ee d u c a t i o nr e f o r m f o ri n s t a n c e ，d s pe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa r e i n s u f f i c i e n ta n dc a nn o ts a t i s f yt h ed e m a n d so fc o n t r o lp e r f o r m a n c e s s o m e t i m e s g i v e nt h es t a t u sq u o ，w ed e s i g n e da ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m b a s e d o nd s pt os a t i s f yt e a c h i n ga n de x p e r i m e n t so ft h ed s pc o u r s e 1 1 1 e s y s t e mc a nb eu s e di nt e a c h i n g ，a n da l s oc a nb eu s e di nc o n t r o ls y s t e m d e s i g nb a s e d - o nd s e 砀eg o l d e nr u l e so fd e s i g n i n gt h i ss y s t e ma lev a n g u a r dc h a r a c t e r , t y p i f i c a t i o n ，p r a c t i c a b i l i t y , m o d u l a r i z a t i o na n do p e n n e s s t h ec o n t r o l l e r o f t h i ss y s t e mi st m s 3 2 0 f 2 8 1 2o f n c o m p a n y , w h i c hi sm u l t i f u n c t i o n a l a n dh a se n o u g hp e r i p h e r a le q u i p m e n tf o rt h i ss y s t e m d cm o t o r , s t e p m o t o ra n dr e s i s t a n c ef u m a c ew i l lb ec o n t r o l l e di nt h es y s t e m t h e s ea r e t y p i c a lo b je c t si ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n 1 1 1 es y s t e ms t r u c t u r ed e s i g n e d w i t ht h o s ed e s i g nc o n c e p t ，s u c ha sm o d u l a r i z a t i o na n do p e n n e s s i sm o r e l a c o n i ca n dp r o n et od e s i g n ，d e b u ga n dm a i n t a i n i ti se a s yt ok n o wt h e c i r c u i t d e s i g np r i n c i p l eo ft h eh a r d w a r ef o rs t u d e n t s e x p e r i m e n t e r s s h o u l dc o n n e c ta l lk i n g so fo p e ni n t e r f a c e sb yt h e m s e l v e st of o r mt h e r e a lc o n t r o lc i r c u i t ，t h u se n t h u s i a s ma n d m a n i p u l a t i v ea b i l i t yo ft h e ma r e c u l t i v a t e da n dt r a i n e d f i r s t l y , c i r c u i td e s i g no ft h es y s t e mi ss h o w n ，i n c l u d i n gd cp o w e r m o d u l e ，c o n t r o lc i r c u i to ft h r e eo b ie c t s c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h e nt h e p a p e ri n t r o d u c e dp r o g r a m sf o rt h r e eo b je c t sr e s p e c t i v e l yu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，a n dt h ep r o g r a m so fc o mc o m m u n i c a t i o na n dc a n c o m m u n i c a t i o no nd s pw e r ea l s op r o p o s e d t h e r ea r et h r e eo b je c t st ob e c o n t r o l l e di nt h es y s t e m s ot a s k sa r em u l t i f o r i l lw h e ni ti sr u n n i n g i ti s n e e d e dt or e s e a r c ht h em u l t i t a s ks c h e d u l ef r a m eb a s e d o ne m b e d d e d s y s t e mt or e a l i z es y n c h r o n o u so p e r a t i o no fd i f f e r e n to b j e c t sa n dt o i m p r o v et h es t a b i l i t ya n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i ti st h e w a yt or u nt h r e eo b j e c t so no n es y s t e m w ee x p e r i e n c e dt h ew h o l ep r o c e s sf r o md e s i g n i n gt or e a l i z a t i o n e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mi ss t a b l ea n df e a s i b l e s ot h es y s t e mi se l i g i b l ea se x p e r i m e n te q u i p m e n tt ob eu s e di nd s p t e a c h i n ga n dr e s e a r c h i n gi nc o l l e g e s ，a n da l s oi tw i l lb ew i d e l yu s e di n f u t u r e k e yw o r d sd s p , e x p e r i m e n ts y s t e m ，c o n t r o l ，m u l t i t a s ks c h e d u l e 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：上丝年月4 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：盟年月丑日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 随着数字电子技术的日益成熟，已经有越来越多的控制系统或信号处理系统 采用数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 来代替传统的模拟信号处 理器。d s p 技术及设备灵活、精确、抗干扰能力强、设备尺寸小、速度快、性能 稳定和易于升级，适用于高性能信号处理和控制的要求。随着d s p 芯片越来越 多的应用于工业控制、商用及民用电子设备领域，对d s p 芯片及技术原理的了 解、d s p 系统的设计和应用也逐渐成为电子信息领域、自动化领域工程技术人员 需要掌握的重要技术之一【1 1 。所以许多高校电子、电气工程及自动化等专业开设 了d s p 系统设计与应用的相关课程。针对高校中d s p 教学实验系统比较缺乏的 现状，决定在借鉴以往机电一体化教学实验系统和光电一体化教学实验系统的基 础上，设计基于d s p 的多被控对象的实验集成系统。 本课题的研究目的是要研究出一种适合于高校教学的d s p 教学实验系统。 它以新型的d s p 为核心，以先进的控制理论为思想，同时充分借鉴实验室开发 设计控制系统的经验，使得它能够培训实验室人员对d s p 基本认识和理解，也 能够让实验室人员接触到最新的开放式数字控制技术，培养他们对新型的机电一 体化技术的整体认识和创新精神 2 1 。 机械、电子电气、计算机技术在当今的新型数字化控制系统中，联系越来越 紧密。为了适应这种形势，当今的自动化方向的高校毕业生不仅要求掌握控制理 论方面的知识，还要掌握电子电气、计算机等多方面的知识，需要对整个机电一 体化的系统能有个整体的认识，而不是仅仅局限于本专业的知识，这样才能跟上 当今信息时代的迅猛发展，应对工作中遇到的各种挑战 3 1 。 高性能的控制器离不开高性能的控制芯片，当前很多控制器采用的芯片是单 片机，系统运算速度较低，运算精度不高。上世纪9 0 年代以来，数字信号处理 器( d s p ) 在控制领域得到越来越多的应用，d s p 的数据运算处理功能强大，而 且集成度高，可以实现高精度实时控, l j t 4 j 。 我国的工科大学在数字信号处理人才的培养方面，滞后于社会的实际需要。 大部分情况下，工科的实验基本上都是验证性的试验，尤其是在d s p 实验方面 由于起步较晚，缺乏相应的试验设备，这也使得学生对d s p 控制系统的认识很 有限，这与目前社会上广泛应用d s p 的现状很不协调。随着d s p 的运用越来越 广泛，掌握d s p 的开发和应用技术在工业控制和电机控制领域也显得越来越重 中南大学硕士学位论文第一章绪论 要。而该实验系统面向对象正是准备从事d s p 产品开发的学生，本实验系统将 为他们提供一个开放式的实验和研究平台，帮助他们迅速开发d s p 产品所需的 基础软件知识和硬件知识，也为他们提供一些基本的d s p 应用方法【5 1 。 1 2d s p 试验平台发展现状及趋势 自6 0 年代以来，随着计算机和信息科学的飞速发展，数字信号处理( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gd s p ) 技术应运而生并迅速发展，现己形成了- 1 3 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、估值与识别等等的加工处理，借以达到提取信息 和便于应用的目的。数字信号处理技术及其设备具有灵活、精确、抗干扰强、设 备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，因此，具有许多模拟信号处理技术与设 备所无法比拟的优点 6 1 。 近几十年来，数字信号处理技术是紧紧围绕着理论、实现及应用三个方面迅 速发展起来的，它以众多的学科为理论基础，其成果又渗透到众多的学科，成为 理论与实践并重、在高新技术领域中占有重要地位的新兴学科。 数字信号处理技术在理论上的发展主要表现在新的信号处理方法和理论的 不断建立，在具体实现上主要表现在各种软件算法的不断完善和运算能力很强的 数字信号处理器( d s p ) 的问世及广泛应用。它的所有这些发展都对仪器仪表工业 的发展起到了极大的推动作用【”。 从我国经济发展的情况来看，d s p 数字控制器的应用和市场仅仅是刚刚启 动。与美国和欧洲发达国家相比，我国在d s p 技术开发上政府的投入很少，在 该领域没有形成统一的产品标准。高等院校的教育还没有跟上，没有培养出一大 批能够开发和应用d s p 的人才，各种高性能的控制器在市场推广过程中碰到的 最大困难就是国内的系统集成商和设备制造商缺乏应用工程师，使得控制器的应 用工作受阻，售后技术支持难度加大。因此，培养大批d s p 开发应用人才是加 快新的技术革命和新的产业革命的关键。 国内也有一些公司作为与d s p 芯片厂商合作的第三方，也提供了一些基于 d s p 的实验系统，比如合众达公司的s e e d d t k ( d s pt e a c h i n gk i t ) 教学实验 箱等产品，但此类教学系统更多的是面向d s p 学习初级阶段的实验人员，或者 是单纯的电机控制开发平台，而不是面向控制系统的综合实验系统，而且其硬件 电路已经全部固定，实验人员不能通过对某些电路的重组来加深对d s p 系统的 认识嘲。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 目前d s p 教学设备正向开放式、模块化方向发展，将更有利于实验人员掌 握和了解d s p 的原理、应用、开发和创新。我国d s p 教学设备的发展也应紧跟 这个趋势，迎头赶上西方先进国家的脚步。本实验系统的开发就是在开放性、模 块化原则指导下展开设计的【9 】。 1 3 本课题任务及主要工作 本课题研究的主要内容： ( 1 ) 分析当今社会对d s p 开发和应用人才的需求和高校相关的教学设备现 状，提出研制具备开放性、模块化d s p 教学实验系统的设计思路。 ( 2 ) 根据设计思想，对该实验系统的结构和布局进行总体设计。进行控制器、 控制对象等关键器件的选型，确定通讯方式等。 ( 3 ) 对该实验系统最重要的组成部分一实验电路板进行设计和研究。 ( 4 ) 在c c s 开发环境下开发各对象的控制程序，并研究控制算法在控制过程 中的应用，并开发上位机界面，能够实时监控各对象及d s p 状态，设定、修改、 保存各控制器参数。 ( 5 ) 在嵌入式操作系统l jc o s i i 下，进行面向d s p 微处理器的实时多任务 系统的研究，实现嵌入式系统下的多对象控制程序开发。 本人主要工作内容如下： ( 1 ) 系统硬件开发 开发整个实验系统下位机的硬件电路，包括系统电源，通讯模块，三个实验 对象相应的驱动、采样、保护电路等，以及各外围电路与控制器的接口电路。 ( 2 ) 系统软件开发 c c s 集成开发环境完成三个对象的控制程序，运用一定的算法程序，实现 三个对象的闭环控制，同时完成通讯模块程序的开发，完成两种通讯模式下的接 受与发送任务。同时研究嵌入式操作系统下的多任务调度研究，了解i ic o s i i 的任务调度机制与任务切换原理，在控制器上实现任务调度，以期在嵌入式操作 系统下实现这三个对象的控制，并能同步运行。 1 4 主要内容简介 在充分掌握d s p 内部结构、工作原理和功能特点的基础上。按照系统既能 完成多种实验任务，又便于扩展升级的目的，提出了采用嵌入式d s p 作为系统 控制器，采用嵌入式技术来设计一个多对象的集成实验系统，论文的主要内容包 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 括以下几个方面： 第一章主要是研究背景介绍，包括选题的背景和意义、d s p 教学实验设备的 发展现状及趋势等。 第二章主要叙述d s p 实验系统整体方案设计。首先介绍整体的结构，然后 分别介绍了控制系统软硬件的设计思路。 第三章介绍了系统硬件的具体设计思路。首先介绍t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制器， 然后设计整个系统直流供电电源，再介绍上下位机通讯电路的设计，最后详细介 绍各对象的控制电路。 第四章介绍了通讯与各对象控制程序的设计过程。首先简要介绍c c s 开发 环境，然后分别就各对象介绍了控制程序的开发过程，并做了上下位机之间的通 讯实验。 第五章研究了在嵌入式操作系统下的多任务控制。了解了| lc o s i i 操作系 统的任务调度方式与原理，并在控制器上实现了这一任务调度方式。 第六章是对整篇论文总结。对论文研究工作进行了总结，指出了有待改进之 处，提出了今后工作的重点和研究方向。 4 中南大学硕士学位论文第二章系统整体设计 第二章系统整体设计 2 1 系统整体设计思想 本实验系统主要面对从事d s p 产品开发的学习者。为了让学习者能够掌握 d s p 的相关技术和特点，整个实验系统将设计多个对象，涵盖了自动化技术的不 同领域，学生不但可以方便的由浅入深地进行相关方面的研究，而且学生可以设 计、比较各种不同的控制算法，很好地锻炼他们的创新意识【l o l 。 系统设计的主要思想原则如下： ( 1 ) 先进性 本实验系统采用美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t ) 的t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 d s p 芯片作为实验电路板的核心。此d s p 芯片属于t i 公司t m s 3 2 0 f 2 0 0 0 系列定 点d s p 中的f 2 8 x x 产品系列，性价比高，功能强大，外设丰富。 ( 2 ) 实用性 采用的控制对象都是工业控制中常用的设备，具有很大的实用性与典型性。 ( 3 ) 开放性 将与d s p 实验相关的接线端子、操作面板和外围设备等相关信号都引出到 面板的单孔插座上，相互之间的连接通过插、拔方便的连接导线实现，构成控制 电路。这样的设计使电路具有可重组性，实验人员可以根据不同的实验内容，只 选用相应的端口和元器件，设计相应的实验电路，灵活的组成各种实验小系统。 ( 4 ) 模块化 在本系统设计中，充分利用模块化设计思路，将各功能模块分开，形成单独 的子系统，便于设计、调试与维护，同时也能加深实验人员对系统的了解程度【1 1 1 。 ( 5 ) 实践性 实验人员必须了解电路设计原理，并亲手把各种接口用连接导线连接后才能 构成实际的控制电路，这样可以充分调动学生的积极性，充分培养他们的实践动 手能力【1 2 1 。 2 2 系统功能概述 随着大规模集成技术的发展，数字信号处理器在功能、处理速度和处理能力 方面都取得了划时代的突破，广泛应用在数据通信、图像处理、语音处理、自动 控制等领域中【1 3 】。一个典型的d s p 控制系统包括上位机、数字信号处理器( d s p ) 中南大学硕士学位论文第二章系统整体设计 和控制对象等，其组成的原理框图如图2 1 所示。 l 上位机l ， 数字信号叫控制对象h 传感器卜l 处理器 图2 - 1d s p 控制系统结构 本系统是基于d s p 芯片搭建起来的实验平台，可供计算机控制技术类课程、 自动控制类课程以及d s p 应用类相关课程做相应的实验。不仅可以满足实验教 学要求，同时也可以满足工程技术人员的对d s p 系统开发工作。 系统主要能够实现如下功能，功能框图如图2 2 所示。 图2 - 2 系统功能框图 ( 1 ) 以直流电机、步进电机、电阻炉为控制对象，分别对电机转速、转向， 电阻炉温度进行控制，各状态变量通过传感器采样，通过d s p 采集并做相应处 理，给出控制量，实现相应的控制算法。直流电机采用转速电流双闭环控制，步 进电机采用开环控制，电阻炉采用p i d 控制。 ( 2 ) 通过串行通信、c a n 总线接口，实现实验台与上位机的通信。实验台使 用者可以在上位机进行单机1 对1 的实验与调试，也可以通过c a n 总线实现实 验室的远程控制【1 4 】。 ( 3 ) 搭建了一个完整的基于d s p 的测控系统，扩展了d s p 各功能模块的外 围电路。使系统能够实现a d 转换、d a 转换、p w m 信号产生、串行通信以及 c a n 总线通信等功能。并通过美国德州仪器( t i ) 公司提供的d s p 集成开发环境 c c s ，在实验板上开发应用程序。使学生熟悉d s p 的芯片功能及系统软硬件设 6 中南大学硕士学位论文 第二章系统整体设计 计方法。 ( 4 ) 研究嵌入式系统的任务调度方式与原理，实现多任务在嵌入式系统下的 调度。本系统中软件将由很多模块组成，任务形式也是多种多样，有通讯、采样、 控制、输出、错误处理等，采用单任务的顺序机制【1 5 】。这种方式编程的优势在 于程序较为直观，但是系统的稳定性、实时性较差，尤其当系统功能复杂、实时 性要求较高时，这种单任务机制的弱点一览无余，实时多任务操作系统是十分必 要的。 2 3 系统硬件结构 透明化的硬件设计可以使开发者较好地掌握d s p 的系统设计、开发过程【1 6 l 。 本实验系统的硬件系统采用模块化结构形式，主要包括d s p 评估板、仿真平台、 控制电路、控制对象、通讯模块。通过对整个实验系统的分析，进行了基于d s p 的高性能实用数字控制系统的研制。实验系统硬件构成框图如图2 3 所示。 p 鬻储b a b d b p m w 爿躲b 器 卜 卅l 电枢电流l 儿 直流 k 内 l 检测电路i 寸电机 转速检测 g q e p c a p 电路 c a n 总线 1 卜、 e c a n 、厂l 、步进电机 冷 步进 p m w v ， 驱动电路电机 p m w 炉曩蓑元b 电阻 炉 上位机b s c i a d i 温嚣测 图2 - 3 系统硬件结构图 ( 1 ) d s p 评估板 d s p 实验评估板是系统的核心部分，包括t m s 3 2 0 f 2 81 2d s p 芯片以及相关 的基本电路，包括电源、晶振、j t a g 仿真接口和必要的存储器扩展。而且实验 电路板上将t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的所有引脚引自对应的焊盘，需要用到的常用接 7 中南大学硕士学位论文 第二章系统整体设计 口通过导线连接到控制面板相应的单孔插座，便于实验人员根据实验内容灵活组 成各种实验小系统。 ( 2 ) 控制对象 本系统的试验对象有三个：直流电机、步进电机、电阻炉，对象的选择充分 考虑了典型性、广泛性。 ( 3 ) 系统电源 系统电源将为整个试验平台提供直流电源，囊括了本系统中将要用到的各种 电平的直流稳压电源。 ( 4 ) 控制电路 控制部分包括直流电机、步进电机、电阻炉的驱动电路，电流和温度的采样， 光电编码电路，以及滤波、保护等电路。 ( 5 ) 仿真平台 系统中计算机的主要作用是运行d s p 汇编语言编译环境，调试程序。仿真 器的作用是连接d s p 电路板和计算机，实现两者间的信息传递。本系统由于采 用了u s b 2 0 的仿真器，故采用了能兼容此种接口的计算机。 ( 6 ) 通讯模块 本系统中设计与上位机通讯的方式有两种：串口通讯和c a n 总线。能够实 现上下位机之间的点对点通讯与整个实验室网络的通讯 2 4 系统软件结构 软件设计决定了系统设计的复杂性和开发工作绝大多数的工作量，因此，在 选择d s p 研发产品时，不仅要选择好微处理器，也要考虑生成d s p 软件的工具 的可用性。c c s 是t l 公司开发的一个开放的、完整的和具有强大集成能力的集 成开发环境，这将大大缩短研发d s p 产品所需要的时间。 本实验系统由于采用了t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片，所以主要编程语 言为相应的d s p 汇编语言，采用的编译环境是t i 公司的c c s ( c o d ec o m p o s e r s t u d i o ) 。软件的编写，主要包括程序的编译、编译和链接。在软件调试的工作中， 一般都需要用到仿真器，目标d s p 与p c 机通过仿真器连接、编译、链接得到的 可执行程序，通过仿真器下载到目标d s p 中，目标d s p 的状态通过仿真器上传 到p c 机显示。仿真器可以分为并口仿真器、p c 机内插标准p c i 或i s a 总线仿 真器，还有比较新的u s b 2 0 接口仿真器。并口仿真器的特点是价格便宜，安装 方便，兼容性强，但是传输数据的速度稍慢；p c i 总线接口的仿真器传输数据快， 比较适合于复杂的d s p 系统，价格要高于并口仿真器；i s a 总线接口的仿真器 8 中南大学硕士学位论文 第二章系统整体设计 由于和较新的计算机不能兼容，现在一般采用的不多。u s b 2 0 接口的仿真器的 传输速度快，适合便携要求，而且仿真器无需外接电源，兼容性强，安装方便。 本实验系统暂时采用u s b 2 0 接口的仿真器，以后投入批量生产时可以考虑采用 并口仿真器，以降低成本，性能满足实验要求即可【1 7 】。 t m s 3 2 0 f 2 2 8 1 2d s p 提供两种编程语言：汇编语言和c 语言。对于完成一般 功能的代码，这两种语言都可以使用，但对于一些运算量很大的关键代码，最好 采用汇编语言来完成，以提高程序的运算效率。使用汇编语言程序虽然具有速度 快的优点，但用汇编语言编写程序比较费时费力，使用c 语言编程可以提高程 序开发的效率，同时使阅读程序变得容易一些。本实验系统现在采用的是d s p 汇编语言编程，以后可以发展采用c 语言编程【1 8 1 。 图2 - 4 主程序流程图 ( m 断xn ) l 执行相应程序l i 定时器赋初值 l 使能定时器 r返回 图2 - 5 定时中断流程 9 中南大学硕士学位论文第二章系统整体设计 图2 - 6 通讯中断流程 本系统中各对象的控制软件都是由主程序和中断服务程序组成，各个对象的 控制主程序都一样，主要负责d s p 的初始化及系统设置。由各中断程序完成相 应的控制任务，中断服务程序包括通讯服务中断服务程序和定时器中断服务程 序。通讯中断服务程序负责控制器参数、给定值的接收；定时器中断服务程序负 责采样、a d 转换，控制器运算，并进行控制输出，其流程图分别如图2 4 、图 2 5 、图2 6 所示。 1 0 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 3 1 控制器介绍 第三章系统硬件设计 3 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 简介 本系统的控制核心是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p ，是继t m s 3 2 0 c 2 x 之后出现的一 种低价格、高性能的3 2 位定点d s p 芯片。它是t m s 3 2 0 c 2 8 x 为内核的基础上 扩展了相应的存储器并集成了大量的片内外设而成的新一代适用于工业控制的 d s p 芯片。该芯片刚上市不久，在国内控制界就得到了广泛的关注，而 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 就是其中性能最好的一种。 2 8 1 2 中采用了多总线的哈佛结构，这样就使总线操作时序分为取指令、指令 译码、取操作数和执行指令四个独立的阶段并行处理，从而极大地加快了微处理 器芯片的处理速度。其中内部地址总线分为3 条：程序地址总线( 圆) 、数据 读地址总线( d 黜蛆) ；数据写地址总线( d 眦) ；内部数据总线也对应分为3 条：程序读数据总线( p r d b ) 、数据写地址总线( d i b ) 、数据程序写数据总 线( d w d b ) 。而外部数据总线( ) ，1 6 位) 和地址总线( x a ，1 9 位) 仍为单 一形式，这使得众多的外围芯片可与其兼容，同时，2 8 1 2 还具有专门针对片上 f l a s h 存储器的f l a s h 流水线模式，能显著提高指令从f l a s h 中执行的速度b g 。 2 8 1 2 具有多个可变工作频率，可以使c p u 工作在较高频率上，而其他功能 模块如定时器、硬件乘法器、比较器、a d 转换器等以及外围模块可工作在同一 较低频率上。同时在应用控制时，可根据实际情况关闭相应的功能模块使用的时 钟，从而大大的降低整个系统的功耗。 2 8 1 2 采用静态c m o s 工艺，指令周期为6 6 7 n s ，芯片供电电压为1 8 v ( 内 核) 、3 3 v ( i o ) ，相比于采用5 v 工作电压的系统，他的功耗可降低很多。2 8 1 2 片内有1 8 k 的s a r a m 、高达1 2 8 k 字的片上f l a s h ( 共分1 0 块) 、2 k 字的o t p r o m 以及4 k 字的引导r o m 。2 8 1 2 采用程序与数据存储器统一编址的存储体组 织形式，同一块存储空间既可以映射为程序空间也可以映射为数据空间，为用户 分配存储器提供了很大的灵活性。2 8 1 2 提供了外部存储器接口，可扩展1 5 m 多 的外部存储器，这些存储空间又分为5 个不同的区( z o n e 0 、l 、2 、6 、7 ) ，可 通过4 个独立的片选信号选通( z o n e 6 、7 共用一个片选信号) 。由于2 8 1 2 本身 具有非常大的f l a s h ，所以一般不必外扩r o m ，外部r a m 可以根据需要进行扩 充 2 0 1 。 对控制系统的应用而言，由于2 8 1 2 内部具有1 2 8 k 的f l a s h 作为程序存储器 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 已足够，因此，选用1 6 k 的r a m 作为数据存储器( 分配至z o n e 0 、1 ，其映射 地址为：0 x 2 0 0 0 o ) 【5 f f f ) 就可以满足要求了：而扩展存储器可分配到z o n e 2 ， 其映射地址为0 x 8 0 0 0 0 0 x 9 f f f f 。而上述两者的选通信号均直接通过d s p 产生， 无需再外加逻辑电路。 2 8 1 2 片上外设资源也非常丰富：两个事件管理器模块e v a 和e v b ，可以处 理与时间有关的时间事件和外部中断事件，每个事件管理器都包括：2 个1 6 位 的通用定时器、8 个1 6 位的p w m 输出通道、3 个全比较单元、3 个外部事件捕 获单元、1 个正交编码脉冲单元。2 8 1 2 还具有3 个独立的c p u 定时器、局域网 c a n 2 0 b 总线控制器、1 6 个通道的1 2 位a d c ( 最小转换时间为6 0 n s ) 、串行通 信接口( s c i ) 、1 6 位串行外设接口( s p i ) 、1 2 8 通道的多通道缓冲串行接口 ( m c b s p ) 以及看门狗时钟单元。另一方面，2 8 1 2 具有一个专门的外设中断扩 展块( p i e ) ，可支持4 5 个不同的外设中断。另外，特别是2 8 1 2 还拥有5 6 个复 用的独立可编程的通用i o 口( g p i o ) ，分为6 个端口，以及3 个可屏蔽的外部 中断x i n t l 、x i n t 2 、x i n t 3 。因此2 8 1 2 构成了c p u 微处理器模块的核心部分 1 2 l j 。其功能模块结构如图3 1 所示。 1 2 8 k 1 8 kr a m 4 kb o o t l 事件管理器a f l a s h + 2 ko t pr a m 弓 弓 事件管理器b 存储总线 1 2 位a d c 7 乡 中断管理 u 看门狗电路 外 g p i o 设 f 2 8 1 2d s p 总 m s b s p 线 3 2 x 3 2 位单周期 乘法器读一修改一写 c a n 控制器 a l u 3 2 位定时 s c i u a r t a 器 入 3 2 位寄存 s c i u a r t b 器 实时j t a g s p i 图3 - 1f 2 8 1 2 功能模块结构 1 2 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 2 8 1 2 开发既可以使用c 2 8 x 汇编也可以使用a n s ic c + + 语言，1 1 公司提供 的集成开发环境c o d ec o m p o s e rs t u d i o2 2 为用户提供了c c + + 编译程序、汇编 程序、连接程序以及基于w m d o w s 的调试程序。c c s 通过主机和实时分析工具 使使用者更加方便的对d s p 目标进行完整的分析，可加速实时嵌入式系统的开 发和测试。2 8 1 2 同时有虚拟浮点数学函数库、快速傅立叶变换( f f t ) 算法函数 库、滤波器库、信号发生器库提供支持，这些函数库显著简化应用系统的开发圈。 3 1 2 系统设计中所用的d s p 硬件资源 ( 1 ) 事件管理器( e v a b ) 模块 每个2 8 1 2 器件都包括两个事件管理器e v a 和e v b ，每个事件管理器模块 包括通用定时器、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。2 8 1 2 上有4 个 通用定时器，每个通用定时器可通过定时器控制寄存器配置，有上溢、下溢、周 期、比较四种中断资源。同时g p 定时器为其他子模块提供时基，t 1 和t 3 适用 于所有比较单元和p w m 电路，他和t 4 适用于捕获单元和正交脉冲计数操作。 全比较单元利用可编程的死区控制电路编程产生6 路p w m 波形生成的输 出。带死区控制的p w m 输出对长度为0 - - 2 0 4 8 个c p u 时钟周期，脉冲宽度的 变换量最小为一个c p u 时钟周期，可响应功率驱动保护中断。2 8 1 2 的4 个比较 器可以产生四个附加的独立比较或高精度p w m 波形。 捕获单元提供对不同事件或跳变的捕获功能，可编程实现捕获上升沿跳变和 下降沿跳变。当捕获输入引脚检测到跳变时，亿或t 3 被捕获并存储在两级f i f o 堆栈中。两个捕获输入端c a p l 2 可用于正交编码器脉冲的q e p 电路接口。 ( 2 ) a d c 模块 模数转换模块包含两个带内置采样保持电路的1 0 位串行模数转换模块，多 达1 6 路模拟输入通道。可选择最多8 个通道的独立工作双排序器模式或级连之 后工作在一个最多可选择1 6 个通道的排序器模式。f 2 8 1 2 有两个二级f i f o 结果 寄存器用于存放转换结果。模数转换可由多个触发源启动，基准电压( q 3 v ) 由 外部提供。 ( 3 ) s c i 模块 s c i 模块是一个高速、同步串行i o 口。它通常用于d s p 控制器与外部设备 或另一个处理器之间的通讯，支持多处理器通讯。为确保数据的完整性，s c i 对 接收的数据进行间断检测、奇偶性、超时以及帧出错的检查。 ( 4 ) e c a n 模块 e c a n 模块是1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 片上的增强型c a n 控制器，性能相当于t i 公司t m s 4 7 0 系列微控制器使用的高端c a n 控制器( h e c c ，h i g h - e n dc a n c o n t r o l l e r ) 。它完全兼容c a n 2 0 b 协议，可以在有干扰的环境里使用上述协议与 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 其他控制器串行通信。在进行c a n 总线通信时，数据传输更加灵活方便，数据 量更大、可靠性更高、功能更加完备。e c a n 模块具有3 2 个可以完全控制的邮 箱和时间标识特性，提供了一个通用可靠的串行通信接口【2 3 1 。 3 2 通讯电路设计 本实验开发系统中将有串口和c a n 总线两种通讯方式，实验板通过通信接 口和上位机( p c ) 进行数据的交换，接收上位机下传的各种参数和设定值，上 传控制对象和d s p 的状态值和工艺参数。下面将分别对两种通讯方式的硬件电 路进行设计 3 2 1 串口通信 1r s 2 3 2 c 标准简介 r s 2 3 2 c 标准是美国e i a ( 电子工业联合会与b e l l 等公司一起开发并于1 9 6 9 年公布的通信协议，它适合于数据传输速率在0 2 0 k b p s 范围内的通信。r s 2 3 2 c 标准( 协议) 的全称是e i a r s 2 3 2 c 标准，其中e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r y a s s o c i a t i o n ) 代表美国电子工业协会，r s ( r e c o m m e n d e ds t a n d a r d ) 代表推荐标准，2 3 2 是标 识号，c 代表r s 2 3 2 的1 9 6 9 年的修改版，在这之前，有r s 2 3 2 b r s 2 3 2 a 。远程工业 协会( t i m ) 1 9 9 7 年发布了最新的一个版本，命名为t i a e i a - 2 3 2 一f 。但r s 一2 3 2 c 仍 是异步串行通信中应用最为广泛的标准总线。这个标准对串行通信接口的有关问 题，如信号线功能、电气特性都作了明确规定。通信设备厂商都生产与r s 一2 3 2 c 制式兼容的通信设备，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。 e i a r s - 2 3 2 c 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定： ( 1 ) 在t x d 和r x d 上： 逻辑1 ( m a r k ) 一3 v 一1 5 v ； 逻辑0 ( s p a c e ) = + 3 + 1 5 v ； ( 2 ) 在r t s 、c t s 、d s r 、d t r 和d c d 等控制线上： 信号有效( 接通，0 n 状态，正电压) = + 3 v + 1 5 v ； 信号无效( 断开，o f f 状态，负电压) = 一3 v 一1 5 v ； 以上规定说明了r s - 2 3 2 c 标准对逻辑电平的定义。对于数据( 信息码) ：逻 辑“l 的电平低于- 3 v ，逻辑“o ”的电平高于+ 3 v ；对于控制信号：接通状态( 0 n ) 即信号有效的电平高于+ 3 v 时，断开状态( o f f ) 即信号无效状态的电平低于一3 v 。 也就是当传输电平的绝对值大于3 v 时，电路可以有效地检查出来，介于一3 + 3 v 之间的电压无意义，低于- 1 5 v 或高于+ 1 5 v 的电压也认为无意义，因此，实际工作 时应保证电平在( 3 - - 一1 5 ) v 之间【2 4 1 。 1 4 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 r s - 2 3 2 标准采用的接口是9 芯或者2 5 芯的d 型插头，常用的9 芯插头引脚定义 如表3 1 所示口5 1 。 与p c 机相连的r s - 2 3 2 接口由于不需要使用对方的传送控制信号，只需要三条 接口线，即发送数据t x d 、接收数据r x d 和信号地g n d ，这也是串口通信中最为简 单而且常用的接法阴。 表3 - 19 芯d 型插头引脚信号描述 引脚名称功能描述 1d c d 数据载波检测 2r x d 数据接收 3t x d 数据发送 4 d t r 数据终端准备好 5g n d 接地 6d s r 数据设备准备好 7 r t s 请求发送 8c t s 清除发送 9r i 振铃指示 22 8 1 2 芯片与m a x 3 2 2 3 的接口电路 + 3 3 v 图3 - 2m a x 3 2 2 3 与f 2 8 1 2 的接口电路 2 8 1 2 的输出电平是标准的t t l 逻辑电平，与r s - 2 3 2 c 标准所采用的负逻辑方式 不同。显然，两者之间要进行通信，必须经过信号电平和逻辑关系的转换。实现 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛的使用集成 电路转换器件。 由于m a x 3 2 2 3 有低成本、低功耗、单3 3 v 供电等优点，在d s p 系统设计中常使 用m a x 3 2 2 3 芯片完成t t l 和e i a 双向电平的转换。如图3 - 2 所示，上图中t x d 、r x d 分别接2 8 1 2 的s c i t x d b 和s c i r x d b ，t d 、r d 贝t j 分别接9 芯插头的t x d 、r x d ，通过串 口线，与p c 机连接。 3 2 2c a n 通信接口 lc a n 简介 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线，也称为控制器局域网，属于现场总 线的范畴，是德国b o s c h 公司从2 0 世纪