（计算机应用技术专业论文）基于dsp的带钢纵切机组自动对中系统的设计.pdf

摘要 钢材出厂前必须进行标准切割使钢材符合一定规格尺寸，带钢在连续切割生 产过程中存在跑偏问题，为了控制带钢在限定的范围内运行，通常要在机组中安 装对中设备( c e n t r a lp o s i t i o nc o n t r o s y s t e m ) ，简称c p c s 。当前国内外带 钢自动对中控制系统主要是利用光敏二极管作为检测传感器和m c s 单片机芯片 作为控制核心的对中系统，它具有检测灵敏度低，误差大和实时性差等缺点。 本文研制了基于d s p 的带钢纵切机组自动对中系统，设计了系统中的硬件， 编写了其软件，并进行了实验研究。 该系统是以c c d ( 电荷耦合器件) 为检测传感器和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为 控制核心，集图像、光、电控制为一体的、完拯的带钢纵切机组自动对中控制系 统。此系统具有检测灵敏度高，误差小，稳定性好，实时性强，扩展功能多等优 点。在各种带状形材自动生产线中具有广泛应用前景。 关键词：c p c s ；c c d ：d s p ；带钢；检测灵敏度 a b s t r a c t s t e e lp r o d u c tm u s tb ec u ts oa st oh a v ec e r t a i ns t a n d a r dd i m e n s i o n b u tt h e r ei st h e p r o b l e mo f a b e r r a n c yi nt h ep r o d u c t i o np r o c e d u r e i no r d e rt ol i m i tt h es t r i p p e d s t e e l t or t l ni nt h er e g u l a t e dr a n g ，c e n t r a lp o s i t i o ns y s t e m ( c p c s ) m u s tb ei n s t a l l e di nt h e s y s t e m c u r r e n t l y , t h es t r i p p e d s t e e la u t o m a t i cc p c si nc h i n a a n do t h e rc o u n t r i e s h a v ep h o t o s e n s i t i v ed i o d e sa sd e t e c t i v es e n s o ra n dm c s s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r a sc o n t r o lc o r e t h e s es y s t e m sg e n e r a l l yh a v el o wd e t e c t i v es e n s i t i v i t ya n d h i g he r r o r a n d b a dr e a lt i m ep e r f o r m a n c e t h i sp a p e rd e v e l o p e dan e wc p c sw i t ht h eh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t a n ds o m eo i l f i e l de x p e r i m e n t s t h i ss y s t e mh a sc h a r g ec o u p l e dd e v i c e ( c c d ) a si t sd e t e c t i v es e n s o ra n d d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a si t sc o n t r o lc o r e ，c o m b i n i n gi m a g e ，o p t i c a l ，a n de l e c t r i c a l c o n t r 0 1 i th a sh i g hd e t e c t i v es e n s i t i v i t y , l o we r r o r h i g hs t a b i l i t y , g o o dr e a lt i m e p e r f o r m a n c ea n de a s yt ob ee x t e n d e d ，s oi th a sav e r yb r i g h to u t l o o kt ob eu s e d0 1 1a l l k i n d so fs t r i p p e d - m a t e r i a la u t o m a t i cp r o d u c tl i n e s k e yw o r d s ：c p c s ( c e n t r a lp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ) ；c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ；s t r i p p e d s t e e l ；d e t e c t i v es e n s i t i v i t y 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些盔堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丁忠林 签字日期：2 0 0 5 年1 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞婆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名ji 矫 导师签名渺认 签字日期：归舜；月乙w 签字日期沙哆年弓月自 学位论文的主要创新点 一、研制了研制了基于d s p 的带钢纵切机组自动对中系统，设计了 系统中的硬件，编写了其软件，并进行了实验研究。 二、在检测手段方面，采用以线阵c c d 代替光敏二极管作为检测传感 器。 三、在微处理器控制方面，采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 芯片代替m c s 单片机芯片作为系统的控制核心。 第一章引言 第一章引言 1 1 带钢纵切机组自动对中系统现状 随着现代科学技术的迅猛发展，工业生产已进入全面自动化的阶段，自动对 中系统被应用在许多领域中解决位置调节问题，如制钢业、纺织业、橡胶业、医 疗、军事等。在钢厂中，钢材出厂前必须进行标准切割以使钢材符合一定规格尺 寸，而在连续切割作业运行时钢材跑偏是不可避免的，为了控制带钢在限定的范 围内运行，通常在机组中安装对中设备( c e n t r a lp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ) ，简称 c p c s 。一般的带钢纵切机组是由开卷机、矫偏装置、液压机、圆盘剪、对中控 制系统、卷取机和摆动辊等几部分组成，如图1 1 所示。其各个部分的作用是： 置。 图l 一1 带钢纵切枫组原理组成框图 1 开卷机 开卷机上卷有需要切割的带状钢材，在切割时不断传送钢材到切割机组上。 2 矫偏装置 当钢材输出偏离正常位置时，由液压机控制矫偏装置前后移动调整带钢位 3 液压机 给矫偏装置施加机械动力。 4 检测系统 检测钢材位置，输出信号给对中系统。 5 对中系统 处理器控制系统根据从检测系统得到的信号判断钢材是否偏离，输出控制信 第一章引言 号到液压驱动器控制液压控制( 或机械传动) 系统进行对中。 随着我国工业生产全面进入自动化，在许多领域中用自动对中系统调节位 置。在八十年代我国引进了许多国外的自动对中设备，这种对中系统有以下缺点： 1 在信号检测方面，国内外多采用光敏二极管作为检测传感器，由于自身材 料性能的原因，使其检测灵敏度低，一般检测精度为1 5 r a m 。尽管在检测精度要 求不高情况下，该类系统能够满足生产要求，但由于检测误差大，必然造成一定 程度的产品浪费，同时系统对产品质量要求更高难以实现。 2 在微处理器控制方面，系统多采用m c s 作为控制核心，由于该类芯片内 存容量小，运行速度慢，扩展功能少 艮难适应系统实时控制。 1 2 对中控制系统的研究意义 鉴于当前现有的对中控制系统具有以上缺点，而且这些在8 0 年代引进的对 中系统多数已老化，因此急需要改造和更新。此外，随着电子技术和微处理器技 术的发展，出现了新的高精度检测元件和高性能的微处理器，使自主研制对产品 质量要求更高的对中控制系统成为可能。 此外，除了带铡的对中之外，其它多种带状形材的切割系统均需采用不同精 度要求的对中，研究新的对中系统解决带材切割过程中的跑偏问题，提高切割精 度，减少跑偏。此系统具有检测灵敏度高、误差小、稳定性好和实时性强等优点， 有广阔的应用前景，而且对国家的经济改革具有重要的意义。 1 3 对中控制系统的设计目标 根据钢厂生产要求，本系统设计需要满足以下技术指标： 1 x x 材料长度： 1 0 0 m 2 带材宽度： 6 0 0 1 3 0 0 m m 3 直径卷：6 1 0 1 5 2 0 m m 4 带材张力： 2 5 0 0 k g 5 运行速度： o 6 0 m m i n 6 纠偏速度：1 5 m m s 7 对中偏差： l m m 采用c c d 作为信号采集的传感器，t i 公司的最新产品t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为 微处理器，创建集图像、光、电控制为一体的完整的带钢纵切机组自动对中系统。 第一章引言 1 4 对中控制系统研究的内容 本文设计了以c c d 为检测传感器和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为控制核心的自动 对中控制系统。其具体研究内容如下： l ，总体方案设计； 2 系统硬件设计，包括d s p 控制、检测系统和键盘、显示等电路； 3 系统软件设计，包括主程序、中断服务程序等； 4 系统制作、调试与实验。 第= 章d s p 系统的设计及开发 第二章d s p 系统的设计及开发 2 1 d s p 芯片的简介 2 1 ，1d s p 芯片的发展 d s p 处理器是2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初发展起来的。1 9 7 8 年，a m i 公司 生产的$ 2 8 1 1 和1 9 7 9 年美国i n t e l 公司生产的商用可编程器件2 9 2 0 是最早期的 d s p 处理器。这两种d s p 芯片都不具备单周期硬件乘法器，其结构和性能与现代 d s p 芯片有较大的差距。 1 9 8 0 年，日本的n e c 公司推出的u p d 7 7 2 0 是第一个具有硬件乘法器的d s p 处理器。 1 9 8 1 年美国贝尔实验室推出的d p s i 与u p d 7 7 2 0 都是1 6 位字长，具有片内 乘法器和存储器。 1 9 8 2 年德州仪器( t e x a si n s t r u 【l e n t s 。r 1 ) 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 处 理器问世。这是d s p 应用历史上的一个里程碑，从此d s p 芯片开始得到真正的广 泛应用。t m s 3 2 0 系列d s p 芯片也是目前最有影响、最为成功的d s p 系列处理器。 t i 公司的主要产品包括第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 1 0 系列。其系列产品有 t m s 3 2 0 c l o ，t m s 3 2 0 c l l ，t m s 3 2 0 c l o c 1 4 c 1 6 c 1 7 等。第二代d s p 芯片有 t m s 3 2 0 c 2 0 ，t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 等。第三代d s p 芯片有t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 c 3 3 等。第四代d s p 芯片有t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 。第五代d s p 芯片有t m s 3 2 0 c 5 0 c 5 1 c 5 2 c 5 3 、多处理器d s p 芯片t m s 3 2 0 c 8 0 c 8 2 ，以及最近推出的 t m s 3 2 0 c 2 x x ，t m s 3 2 0 c 5 x x ，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列等。 日本东芝公司1 9 8 2 年推出浮点d s p 芯片。a t t 公司1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 是较早的具备较高性能的浮点d s p 处理器。 d s p 芯片从出现至现在2 0 年问发展迅速，已有2 0 一3 0 家厂商推出了上百种 型号的产品，除t i 公司t m s 3 2 0 系列外，其他具有代表性并得到广泛应用的d s p 系列芯片主要有a t & a 公司的d s p l 6 、d s p 3 2 ：i n m o s 公司的a 1 0 0 、a 11 0 ；m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 ，d s p 9 6 0 0 0 等。 近2 0 年来，d s p 芯片得到了迅猛发展。随着其应用的不断扩展和深入，今 后d s p 处理器将发展更快。其发展方向具有以下特点： 1 在生产工艺上，采用l 帅以下的c o m s 制造工艺技术和砷化镓集成电路 制作技术，使集成度更高，功耗更低。 2 研制高速、高性能d s p 器件将以r i s c 结构和t r a n s p o r t e r 基本结构为 4 第二章d s p 系统的设计及开发 主导，以完成并行处理系统操作。 3 模拟数字混合式d s p 芯片( 集滤波、a d 、d a 及d s p 处理于一体) 将 有很大的发展，应用领域将进一步扩大。 2 1 2d s p 芯片的特征 d s p 即数字信号处理器是种县有特殊结构的新型微处理器。为了达到快速 进行数字信号处理的目的，d s p 采用特殊软硬件结构，其主要结构特征： 1 哈佛总线结构 此结构的主要特点是将数据和程序分开存储在不同的存储器空间中，对每种 存储器独立编址，独立访问，并在系统中相应设置了程序总线和数据总线，使取 指和命令执行完全重叠运行，从而提高了数据吞吐率。 2 流水线操作 与哈佛总线结构相配合，d s p 指令处理系统将一个任务分解为若干个子任务 重叠执行，从而提高了指令运行速度。如t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列可以实现四级流水线 操作。 3 专门的硬件乘法器 在数字信号处理中，乘法是重要运算，因此实现乘法的速度越快，数字信号 处理的速度就越快。在通用的微处理器中，乘法的操作是通过移位和加法来实现 的，这需要多个指令周期才能完成一次乘法运算。有了专门的硬件乘法器，乘法 操作在一个指令周期就能完成，从而提高了处理速度。 4 特殊的处理器指令 为充分发挥d s p 的特殊功能，d s p 芯片采用特殊的d s p 指令。 5 高速的指令运行周期 d s p 采用哈佛总线结构、流水线操作及专门的硬件乘法器，加上集成电路的 优化设计，可使d s p 芯片的指令周期在2 0 n s 阱下，高速的指令周期使得d s p 芯 片能够实时实现数字信号处理的应用。 21 3d s p 芯片的分类 按照d s p 处理器工作的数据格式可将d s p 分为定点和浮点两大类。 数据以定点格式一l 作的d s p 芯片为定点d s p 芯片。定点d s p 芯片结构较简单、 乘法一累加( m a c ) 运算速度快，但运算精度低、动态范围小，这是其字长有限造 成的。定点d s p 芯片的产品主要有t i 公司的t m s 3 2 0 c i x c 2 x c 5 x 系列、 m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 0 系列、a d 公司的a d s p 2 1 x x 系列、 t t 公司的d s p l 6 第二章d s p 系统酌设计及开发 1 6 a 等。其中t m s 3 2 0 c 2 5 ，d s p l 6 a 和d s p 5 6 0 0 1 应用较为广泛。目前t i 公司又 推出了功能更强大的定点d s p ，如t m s 3 2 0 c 2 x x ，t m s 3 2 0 c s 5 x x ，t m s 3 2 0 c 6 2 0 x 等。 数据以浮点格式工作的d s p 芯片为浮点d s p 芯片。浮点d s p 处理器动态范围 大、运算精度高，在对性能要求高的实时信号处理中有着广泛的应用。浮点d s p 芯片的产品主要有t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 x c 4 x c s x 系列、m o t o r o l a 公司的 m c 9 6 0 0 1 、a d 公司的a d s p z i x x 系列、a t & t 公司的d s p 3 2 3 2 c 等。目前t i 公 司推出的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中的t m s 3 2 0 c 6 7 x x 系列也是浮点d s p 芯片。浮点d s p 芯片中具有代表性的产品，如t m s 3 2 0 c 3 0 ，d s p 3 2 c ，d s p 9 6 0 0 1 等，它们的速度已 达到一一般定点d s p 的速度水平，如t m s 3 2 0 c 3 2 的乘法一累加时问为3 3 3 p s ， t m s 3 2 0 c 6 7 0 1 的速度为5 9 s ，而其存储器寻址能力( t m 8 3 2 0 c 3 3 的寻址能力为 1 6 m b ) 远远超过了定点的d s p 芯片。 按照d s p 处理器的用途可将其分为通用和专用两大类。 通用型d s p 芯片适用于普通的数字信号处理。t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 都 为通用d s p 。专用d s p 芯片是为了某些特殊d s p 运算专门设计的，如m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 2 0 0 。 2 1 4d s p 芯片的应用 自从德州仪器1 9 8 2 年推出通用可编程d s p 芯片以来，d s p 技术的应用有了 突破性进展。最初d s p 只是一种专门为实时处理大量数据而设计的徽处理器，但 目前它已经被应用在多种不同的领域，如计算机网络设备、无线通信、生物医学 工程、机械、航空航天、电力系统、自动化等。并且d s p 技术的应用已遍布全球。 2 2d s p 系统的设计及开发 2 21 总体系统设计步骤及芯片选择 d s p 已经在许多领域得到广泛的应用，在自主开发设计一个d s p 系统中，使 d s p 芯片发挥最大功能、最高效率成为系统设计关键技术。设计一个d s p 系统的 步骤如图2 一l 所示。 第二章d s p 系统的设计及开发 图2 - 1 d s p 系统的设计及开发步骤 在进行d s p 系统设计之前，首先要明确设计任务，给出设计任务书。在设计 任务书中，应该将系统要达到的功能描述准确、清楚，并把任务书转化为量化的 技术指标。结合d s p 系统的设计，这些技术指标主要包括： 1 由信号频率决定的系统采样频率。 2 由在采样频率下完成任务书中最复杂的算法所需最大时间及系统对实 时程度的要求判断系统能否完成工作。 3 由数据量及程序的长短决定片内r a m 的容量，决定是否需要扩展片外r a m 及片外r o m 的容量。 4 由系统所要求的精度选择d s p 芯片的类型( 1 6 位还是3 2 位、定点还是 浮点) 。 5 根据系统的用途( 计算用还是控制用) 决定对输入输出口的要求。在一 些特殊的场合还需用专用d s p 芯片。 由上述技术指标，可以确定应该选用d s p ：芯片的型号，从而初步确定a d 、 o a 、r a m 的性能指标及可供选择的产品。 当确定d s p 芯片之后，应先进行系统的总体设计。首先采用高级语言或 第二章b s p 系统的设计及开发 m a t l a b 等对算法进行仿真，确定最佳算法并初步确定参数，对系统中哪些功能 用软件来实现，哪些功能用硬件来实现进行分工。完成总体设计后，系统设计将 进入系统的硬件设计阶段和软件设计阶段。然后分别进行硬件和软件设计及调 试。最后把软件和硬件相结合进行系统集成并生产出样机。 2 ，2 2 软件设计步骤 1 d s p 软件编程的特点 ( 1 ) 与其他计算机汇编语言比相比，t id s p 汇编语言的指令系统更简单， 而且增加了许多专门为数字信号处理而设计的指令，因此比较容易掌握并能运用 于数字信号处理的编程中。 ( 2 ) 与高级语言相比，使用d s p 汇编语言的用户定要熟悉d s p 芯片内部 结构和指令系统。尤其对侧重高效的d s p 软件设计是非常重要的，如在多d s p 并 行处理的场合或在便携电话、磁盘驱动器等编程空间很小的场合等。 ( 3 ) 随着t i 公司c 语言编译器、优化器的不断改进，以及一些第三部门的 不懈努力，c 语言的编译效率已经得到了很大的提高。在c 3 x 中，其编译效率大 约为汇编语言的1 1 0 ，而到了c 6 x 系列，其编译效率提高了3 倍。 ( 4 ) 为了充分利用d s p 汇编语言编程效率高的优点和高级语言编程的简便 性，在对实时要求高的场合或对实时要求高的算法实现中，用汇编语言开发；在 对实时要求低的场合用c 语言编程。将两者结合起来，既能保持算法的实时性， 又能作到程序结构的清晰明了。 2 软件编程的步骤 d s p 系统软件设计步骤如图2 - 2 所示 第二章d s p 系统的设计及开发 编写 t m s 3 2 0 汇编语言 源文| 掌 编写c 语言源程序 优化a n s ic 编译器 成t m s 3 2 0 汇编文 汇编语言汇编器 生成目标文件 链接器 输出执行文件 格式转换i调试器 写e e p k o m 卜_ 一t m s 3 2 0 目标系统 宏i 编源文件 文档管理器 宏汇编库 p c 软件仿真 软件开发系统 评测桓块e v m 系统仿真x d s 图2 - 2 软件系统设计框图 ( 1 ) 汇编语言、c 语言或汇编语言和c 语言的混编来编写程序，然后把它们 分别转化成t m s 3 2 0 的汇编语言并送到汇编语言编译器进行编译，生成目标文件。 目标文件送入链接器进行连接，得到可执行文件。 ( 2 ) 将可执行文件调入到调试器( 包括软件仿真、软件开发系统、评测模块、 系统仿真器等。一般在系统调试中，系统仿真器是最常用的) 进行调试，检查 运行结果是否正确。如果难确则进入第( 4 ) 步；否则返回第( 1 ) 步。 ( 3 ) 进行代码转换，将代码写入e e p r o m ，并脱离仿真器运行程序，检查结 果是否正确。若不正确返回第( 3 ) 步；否则进入下( 1 ) 步。 ( 4 ) 软件测试。如果测试结果合格，软件调试完毕；如果不合格，返回第( 1 ) 步。 223 硬件设计步骤 9 第二章1 3 s p 系统的设计及开发 d s p 系统硬件设计步骤如图2 - 3 所示。 确定硬件方案 i 器件选择 + 原理图设计 p c b 图设计 硬件测试 图2 - 3d s p 系统硬件设计步骤 硬件设计步骤可分为5 步： 1 设计硬件实现方案 所谓硬件实现方案是根据性能指标、工、成本等，确定最优硬件实现方案，并画出其 硬件框图。这时对于具体器件的要求应该己经比较明确。 2 进行器件的选型 一般系统中常用a b 、d a 、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总 线等基本部件。下面将大致介绍它们的确定原则。 ( 1 ) a d 根据采样频率、精度来确定a d 型号，是否要求片上带采保、多路器、基准 电源等。 ( 2 ) d a 信号频率精度、是否要求自带基准电源、多路器、输出运放等。 ( 3 ) 内存 内存包括s r a m e 、e p r o m 、f l a s h r o m ，注意其工作频率、工作电压( 3 3 v 还 是5 v ) 、内存容量位长( 8 位1 6 位3 2 位) 、接口形式等。 ( 4 ) 逻辑控制 逻辑电路的设计现在一般采用可编程逻辑器件如p l d 、e p l d 、c p l d 、 f p g a 来设计。要根据逻辑控制电路的复杂程度及d s p 的频率确定选用得芯片类型。 ( 5 ) 总线 1 0 第二章d s p 系统的设计及开发 总线一般有p c i 、i s a 、c a n 、3 x b u s 等，采用那种总线主要看使用的场合、 数据传输速率的高低。 ( 6 ) 通信 首先需要根据通信的速率决定采用的通信方式。串口一般速率达到 1 9 6 0 0 k b p s 而并口可达到1 m b p s ，也可以采用u s b 口通信。 ( 7 ) 人机接口 人机接口是d s p 系统必不可少的部分，一般有键盘、显示器等，它们可以通 过与8 0 c 5 1 等单片机的通信来实现，也可以在d s p 的基础上直接构成。 ( 8 ) 电源 主要是电压的高低以及电流的大小。电压高低要匹配，电流容量要足够。 3 进行原理图设计 在总体方案设计之后，就需要进行原理图的设计。随着e d a 技术和可编程逻 辑器件的发展，电路原理图的设计也变得简单，但这一步对电路的实现非常的重 要，这将直接影响p c b 电路板的设计。电路的设计成功与否在于原理图的设计， 因此有必要对部分原理图进行仿真意确定原理图设计的正确性。 4 p c b 图设计 原理图设计后就要进行p c b 的设计，这要求设计人必须熟悉电路原理、布线 工艺和系统结构设计。 5 硬件的调试 电路板完成后，要对电路板进行调试，经过反复的调试和修改以实现电路的 j 下常工作和合理化改进，最后再重新制板完成整个电路设计。 224 典型d s p 系统的构成 个典型的d s p 系统是由传感器、信号处理电路、a d 转换、d s p 芯片、通 信及人机接口、d a 转换、信号处理电路、信号等电路组成。如图2 4 所示。传 感器、信号处理电路、a d 转换电路组成输入通道，输入通道的作用是把输入的 信号变成数字信号，以便d s p 进行处理。输入信号可以是电信号声音信号、物理 信号、化学信号、模拟信号和数字信号等。非电信号首先经过传感器转化为一定 幅值的电信号，再将这信号进行带限滤波和抽样，然后通过a d 变换将信号变换 成数字信号d a 转换、信号处理电路、信号变换组成输出通道，输出通道作用是 把d s p 处理后的数字信号转换成输出信号。数字信号经过d s p 处理后输出到d a 芯片中，d a 输出信号经滤波、信号放大、功率放大在输出。系统可通过总线或 通信接1 3 与其他系统通信。人机接1 3 可完成系统参数设定和控制。 第二章d s p 系统的设计及开发 a d d s p 芯片 数字 i o 总线 图2 4 典型的d s p 系统构成 1 2 d s p 系统 时序 控制 电路 _ 号理路，情旧 一 传感器 叭 l-=ji引型 第三章带钢纵切机组自动对中控制系统总体方案设计 第三章带钢纵切机组自动对中控制系统总体方案设计 3 1 器件选择 1 线阵c c d 的选择 根据系统设计目标是系统的对中偏差要小于i m m ，对中偏差与检测精度和 带钢运行速度有关，带钢运行速度要求达到o 6 0 m m i n ，所以只有提高系统的 检测精度才能满足此目标。用光敏二极管作为检测传感器，由于自身材料性能的 原因，其检测灵敏度低，一般检测精度为1 5 r n r n 。所以无法满足系统的对中偏差 要求。电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ，简称c c d ) 是一新型光电传感器 件，c c d 具有体积小、分辨率高、稳定性能良好、抗电磁干扰等特点。在对中系 统检测的物理信号是物体尺寸，因此，采用线阵c c d 作为检测传感器。根据精度 要求，选择了t c d l 2 0 6 u d 型线阵c c d ，其检测精度可达到1 4um ，完全能满足系 统的要求。 2 d s p 芯片的选择 采用m c s 单片机：卷片作为控制核心，由于该类芯片内存容量小，运行速度慢， 功能少，为扩展功能和采取提速措施经常引起系统性能稳定差，同时很难达到高 速数据采集的目的。d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片，也称数字信号处理 器，是一种有特殊结构的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛 结构、具有专门的硬件乘法器、广泛采用流水线操作和提供特殊的d s p 指令等特 点。可以用来快速实现各种数字信号处理运算。d s p 控制系统具有运行速度快、 实时性强和扩展功能多等特点，因此，选择t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 芯片为控制核心。 3 其他外围电路的选择 由于t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的工作电压是3 3 v ，所以选择电源采用5 v 变换3 3 v 的d c d c 器件，t i 公司生产t p s 7 3 3 3 。键盘和显示采用专用芯片8 2 7 9 。 控制电路采用可编程逻辑器件g a l l 6 v 8 来设计。由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的电平是 3 3 v ，在与外部电平为5 v 器件连接时需要进行电平转换，选择电平转换芯片 7 4 l v t 6 2 4 5 或7 4 l v t 2 4 5 来完成电平转换。 3 2 带钢纵切机组自动对中控制系统总体方案设计 3 2 1 系统总体硬件设计 第三章带铜纵切机组自动对中控制系统总体方案设计 系统总体硬件设计是由d s p 控制、检测系统和键盘、显示等电路组成，其框 图如图3 1 所示。其各个模块电路作用是： 1 d s p 控制电路 它是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制系统的核心，完成对输入信号信号处理并输出控制 信号和外围接口电路的逻辑控制。 2 检测系统 检测系统电路是以线阵c c d 元件为检测核心，完成对带钢的边缘检测，输出 其检测信号。它是由c c d 驱动脉冲、c c d 输出信号的放大、滤波和二值化等电路 组成。 3 键盘、显示电路 设置初值和调节系统参数，并能显示系统的工作状态、参数等。 液压 设备 3 2 2 系统总体软件设计 d s p 控制 系统 耵以$ 3 2 0 u ? 2 4 0 7 图3 - 1系统总体硬件设计框图 本系统程序包括个主程序和二个中断服务程序，二个中断服务程序分别是 外部中断l 服务程序、外部中断2 服务程序。主程序完成系统的初始化和信号 的处理。外部中断2 服务程序完成两路c c d 输出脉冲的计数。外部中断l 服务 程序完成参数的设置。 3 2 3 系统工作原理 第三章带锅纵切机组自动对中控制系统总体方案设计 其工作原理是从c c d 输出的脉冲信号，经放大、滤波、边缘检测及图像二值 化处理后，输入到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的外部计数器中进行计数，两路计数器是通过 c c d 的转移脉冲来启动计数并读取上次的计数值，根据两路计数器的数值能知道 带材偏离中心的方向，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 将输出控制信号输入到步进电机驱动器， 用以控制步进电机的转向来完成对中任务。本系统可通过键盘设置初值和调节系 统参数，并能显示系统的工作状态、参数等。 第四章硬件设计 第四章硬件设计 基于d s p 的带钢纵切机组自动对中控制系统的硬件是由d s p 控制、检测系统 和键盘、显示等电路组成。咀下分别介绍各个部分电路的设计。 4 ，1d s p 控制电路的设计 基于d s p 的带钢纵切机组自动对中系统要求微处理器具有两个外部计数 器、速度快和实时性强的特点，所以选择了t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，此：签 片能满足系统的要求。下面详细介绍电路控制电路的设计。 4 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t i 公司生产的d s p 芯片，它采用高性能静态c m o s 技术， 供电电压为3 。3 v ，大大降低功耗。其执行速度为3 0 m i p s ，使得指令周期缩短到 3 3 n s ，从而提高了控制器的实时控制能力。它是基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核， 保证了d s p 代码和t m s 3 2 0 系列代码的兼容。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片内部有以下资源： 1 有3 2 k 字x 1 6 位的f l a s h 程序存储器、2 5 k 字的数据程序r a m 、5 4 4 字 双端口r a m 和2 k 字的单端口r a m 。 2 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个均包括如下资源：两个1 6 位通用 定时器；8 个1 6 位的脉宽调制通道；对外部事件进行定时捕获的3 个捕获单元： 片内光电编码器接口电路；1 6 通道的同步a d c 。 3 看门狗定时器模块。 4 8 个或1 6 个多路复用的l o 位a d c 输入通道，最小转换时间为5 0 0 n s 。 5 ，一个c a n 2 0 模块。 6 一个串行通信接口模块。 7 1 6 位串行外部设备接口模块。 8 基于锁相环的时钟发生器。 9 5 个外部中断。 l o 电源管理，具有3 种低功耗模式，能独立地将外围器件转入低功耗工作 模式。 第四章硬件设计 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片是p g e 封装，1 4 4 个管脚，其管脚如图4 - 1 所示。 图4 - 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的封装管脚图 各个管脚功能参考t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的管脚功能表。 41 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的存储器和i 0 口 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片内部有5 4 4 字x1 6 位的d a r a m ，5 4 4 字被分为三块：b o ， b 1 ，b 2 。该存储空问主要用来保存数据，但在b 0 块也可以保存程序。b o 块配置 成数据存储器还是程序存储器要根掘c n f 位的值来判断决定。当c n f = o 时，b o 块映射为数据存储空间；当c n f = l 时，b o 块映射为程序存储空间。它还包含2 k 字的单口r a m ，它可以是数据存储器空间，也可以是程序存储器空间，可以通过 软件配置为外部存储器或内部s a r a m 。芯片上有3 2 k 字的f l a s h 存储器，被映射 第四章硬件设计 为程序存储空间，通过m p m c 引脚决定访问片上的f l a s h 程序存储器还是访问片 外存储器。 1 程序存储器 程序存储器空间用来保存程序代码以及数据表信息和常量。程序存储器空间 的寻址范围为6 4 k 字，包括片内d a r a m 和片内f l a s hr o m 。当一个片外程序地址 需要访问时，d s p 会自动产生一个相应的访问外部程序地址空间的信号( p s 、 d s 、s t r b 、i s 等) ，如图4 2 所示为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的程序存储器映射。 勘m p i c = o1 1 j 螺m p i v i c = i 时 0 0 0 0 h 外翻jr a l v 【 f d f f h 黢润黼鬻酒 f f o o b 片 _ i = d a r a m ( b o ) f v f f h ( c n f = 1 ) 外部n q ( c n f = o ) 图4 - 2程序存储器映射 有两个因素决定程序存储器的配置； ( 1 ) c n f 位。c n f 位是状态寄存器s t l 的第1 2 位，决定d a r a m 是在片外还 是片上 c n f = o 时，2 5 6 字长的b 0 块被映射为片外程序空问。 c n f = i 时，2 5 6 字长的b o 块被映射为片内程序空间。在复位状态下， b o 块映射到数据空间。 ( 2 ) m p m c 引脚。该引脚决定程序指令是从片内f l a s h r o m 还是从外部 存储器读入。 第四章硬件设计 m p m c = o 时，器件被配罨为微控制器方式。片内r o m 或f l a s h 可以被访 问，器件从片内程序存储器中读取复位向量。此时访问片内程序存储地址 0 0 0 0 h 一7 f f f h 。 m p 淝= 1 ，器件被配置为微处理器方式。器件从外部程序存储器中读取 复位向量。此时访问片外程序存储地址0 0 0 0 h 一7 f f f h 。 无论m p m c 为何值，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 都从程序存储器的0 0 0 0 h 单元读取 复位向量。只有那些有外部程序存储器接口爿有m p m c 引脚。 2 数据存储器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数据存储器空间的地址范围6 4 k 字的1 6 位字，3 2 k 字是内部 数据存储器( 0 0 0 0 h 一7 f f f h ) 。内部数据存储器包括存储映射寄存器、d a r a m 和外 设映射寄存器。另外3 2 k 字( 8 0 0 0 h f f f f h ) 的存储器为外设数据寄存器。数据 存储器映射如图4 3 所示。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 都有三个片内d a r a m 块：b 0 、b l 和 腾g ；饕i j 一+ 谤。瓤娥一d ，i l 鬟嚣港篙强空餐鬣墨鬟瓣! j 黧一 片j 二d 值j l m b 2 黪熬，叠= j皇鬻糕豢鬟溪蘩滋蠹润_ 0 2 0 0 i a片i - d a ( b o ( c “n = - - o ) 保售fc n f = 1 ) 陵蓼爨。 骥 麟鞲瀚鬻飘麟_ 篷 3 f f h 剖 供留，鸯 j 卅 ”童i 蟹瑟黟萋疑熬蹙憋爨甓黧i f f f “ 禁蜊 i 器然雾i = 秀楚篓麓髫豢黼鲞羹翻 外部存储噬 图4 - 3 数据存储器映射 b 2 块。b o 块既可配置为数据存储器，也可配置为程序存储器。b 1 和b 2 块只能 配置为数据存储器。 3 i 0 口 第四章硬件设计 i 0 空间存储器可寻址6 4 k 字的1 6 位字，如图4 - 4 所示为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的 i 0 口地址映射。i o 空间访问有程序存储器和数据存储器访问两种，可以由信 号i s 的高低来区分。所有6 4 k 字的i o 空间均可以用i n 和o u t 指令访问。当 执行i n 或o u t 时，信号i s 将变有效，因此i s 可用来作为外围i o 设备的片选 信号。 当访问片内的i 0 时，i s 和s t r b 变为无效，即为高电平，i s 年d s t r b 只 在访问外围设备时才有效。地址和数据总线复用，数据总线宽度为1 6 位，若使 用8 位的外设，既可使用高8 位，也可使用低8 位。 0 0 h 外部i 0 口 h 既翻1 4 系统的数据存储器扩展 图4 - 4i t 0 口地址映射 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内部有3 2 kb y t ef l a s hr o m 的程序存储器和5 4 4b y t e 数据 存储器。程序存储器比较大，而数据存储器比较小，所以需要扩展外部数据存储 器。利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 鲋 d s 、w r 、r d 控制信号来扩展外部数据存储器。电 路如图4 - 5 所示。 l m s 3 2 o l f2 4 0 7 3 2kx1 6r a m 圈4 - 5扩展外部数据存储器 第四章硬件设计 4 1 3 外部数据存储器及i 0 读取控制 外部存储器及i o 读取时，其控制时序如图4 6 所示。 c l k o u t 弋厂_ 厂_ 厂_ a d d r e s s d a t a r w _ 厂一 d s , o r 、厂 厂 is j s t r b 、厂、， 图4 - 6 夕 部存储器及i l o 读取和写入控制时序图 读取操作步骤如下： i c p u c l k 控制外部存储器及i 0 设备的同步操作，同时可设定c l k o u t 脚 输出以便监控其变化。 2 由d s 脚选择数据、p s 脚选择程序、i s 脚选择i o 设备，当芯片选择 控制信号为l o w 时送到存储器与i o 设备的芯片选择脚，被选择芯片玎始工作。 3 d s p 送出1 6 条地址总线( a 0 一a 1 5 ) 指定读取那组数据。 4 ，当t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 读取数据时，会令r w = i ，控制存储器或i o 设备的输 出响应，c p u 就可以读取存储器或i o 设备的数据。 5 存储器或i 0 设备的数据通过数据总线( d o d 1 5 ) 送入t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。 6 在读取数据时会令s t r b = o ，表示征在工作中。读取完毕则令s t r b - 1 。 写入操作和读取操作类似，只