（计算机应用技术专业论文）轮廓曲线数据的采集与处理.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 轮廓曲线数据的采集是利用计算机处理物体外形几何信息的基础。本 文结合铁路轮轨外形安全监测的实际，对一种物体外形曲线的采集与处理 方法和系统进行了研究，同时该方法与系统也可用于其他场合。 由于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有功耗低、处理速度快的特点，且 具有直接处理光电编码器信号的功能，所以被选作为轮廓曲线数据采集与 处理模块的c p u 。该d s p 具有两套正交编码脉冲( q e p ) 处理电路，可 同时对两套光电编码器进行四细分计数，提高了分辨率，且具有标准串行 通信接口，可与p c 机的串口相连，把数据传输到p c 机上进行分析和处 理。 采集模块电路简单，只包含2 4 0 7 a 所需要的最少元器件，即存储器、 电源转换( 5 v 一3 v ) 及j t a g 调试接口等。完成了t t l 转r s 2 3 2 的电路 连接及d s p 与光电编码器的连接，并绘制了电路图。编制了2 4 0 7 a 的软 件，其中包括系统的配置、外部中断、正交编码脉冲信号的计数和串口通 信等部分程序，程序的开发采用了c c s 2 2 1 。 采用v i s u a lc + + 作为开发平台，编制了基于w i n d o w s 的上位机人机界 面软件。该软件的编制利用了多线程的设计方法，并采取了线程之间的同 步以及对缓冲区的共享访问与互斥措施，保证了图形的实时显示和数据的 安全性。人机界面程序还把数据保存为文本文件，以便利用其它专用数学 工具软件进行进一步的分析和处理。 本文最后针对采集得到的原始数据的特点，讨论了分析和处理方法， 主要包括插值、平滑滤波和拟合等。 经硬件和软件的综合调试结果表明：所研究的轮廓曲线数据采集系 统，采集速度快、精度高，功耗仅1 2 5 w ，为实现移动测量奠定了基础。 关键词：断面轮廓曲线测量；d s p ；串口通信；曲线拟合；插值；多线程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t i ti st h ef o u n d a t i o nf o rm a k i n gu s eo fc o m p u t e rt op r o c e s st h es h a p e g e o m e t r yi n f o r m a t i o no ft h eo b j e c tt h a ta c q u i s i t o nt h ec u r v ed a t ao ft h ef i g u r e t h i sp a p e rc o m b i n i n gt h ef a c to ft h es a f em o n i t o ro fat r a c ko fr a i l r o a ds h a p e ， r e s e a r c h e dt h em e t h o da n ds y s t e mf o rt h ea c q u i s i t o na n dp r o c e s s i n go fak i n d o fo b j e c t sf i g u r ec u r v e a tt h es a m et i m e ，i tf i to t h e ro c c a s i o na l s o b e c a u s et h ed s pc h i po ft h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ah a v eac h a r a c t e r i s t i co f l o wp o w e rw a s t ea n dq u i c kp r o c e s s i n gs p e e d ，a n dh a v et h ef u n c t i o n o f p r o c e s s i n gt h el i g h te l e c t r i c i t ye n c o d e rs i g n a ld i r e c t l y ，s oi ti sc h o o s e dt ob e t h ec p uo ft h em o l dp i e c ew i t hw h i c hw ea c q u i r e sa n dp r o c e s s e st h eo u t l i n e c u r v ed a t a t h em o l d sp i e c eh a v et w os e t so fj u s th a n do v e rt oc o d et h e p u l s e ( q e p ) p r o c e s s i n g e l e c t r i cc i r c u i t ，c a nc a r r yo nt ot w os e t so fl i g h t s e l e c t r i c i t ye n c o d e rf o u rs u b d i v i d et oc o u n t ，r a i s et h er e s o l u t i o n ，a n dh a v et h e s t a n d a r ds t r i n gt og ot h ec o r r e s p o n d e n c et oc o n n e c t ，c a nc o n n e c tw i t he a c h o t h e rw i t ht h ea no ft h ep cm a c h i n e ，d e l i v e r i n gt h ed a t at ot h ep conb o a r d c a r r yo nt h ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g s t h em o d u l ef o ra c q u i s i t o ni ss i m p l e i ti n c l u d e dt h el e a s tc o m p o n e n t so f 2 4 0 7 aw h i c hi sm e m o r y ，c o n v e r s i o no fp o w e r ( 5 v - 3 v ) a n dt h ej t a gd e b u g c o n n e c t o re t c w eh a v ec o m p l e t e dt h ec i r c u i tc o n n e c t i o no ft t l - t o r s 2 3 2a n d d s pt ot h ep h o t oe l e c t r i c i t ye n c o d e r w ea l s oh a v ec o m p l e t e di t sc i r c u i t d i a g r a m w ed e v e l o p e dt h es o f t w a r eo f2 4 0 7 aw h i c hi n c l u d e dt h ec o n f i g u r i n g o ft h es y s t e m ，e x t e r i o ri n t e r r u p t ，c o u n t i n go ft h eq u a d r a t u r ee n c o d e rp u l s e ( q e p ) s i g n a la n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ne t c t h ed e v e l o p i n go ft h es o f t w a r ei s b a s e do nt h ec c s 2 2 1 w ea d o p t e dv i s u a lc + + a st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dh a v ed e v e l o p e d s o f t w a r e o ft h em a n m a c h i n ei n t e r f a c ew h i c hr u n so nw i n d o w s i nt h e d e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r et h ed e s i g nm e a n so fm u l t i t h r e a d i n gi su s e d t h e n t h es y n c h r o n i z a t j o no fi n t e r t h r e a d i n ga l o n gw i t ht h es h a r ea c c e s s i n gf o rt h e b u f f e ra n dm u t e xm e a n sa r ea d o p t e d ，w h i c ha s s u r e dt h es e c u r i t yo ft h e r e a l - t i m ed i s p l a yf o r t h eg r a p h i c sa n dt h ed a t a t h ep r o g r a mo ft h e m a n m a c h i n ei n t e r f a e ea l s os a v e dt h ed a t ai nat e x tf i l ei no r d e rt of a r t h e r a n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n g a r ec a r r i e dt h r o u g hw i t ho t h e rp r o f e s s i o n a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第li 页 m a t h e m a t i c a lt o o l ss o f t w a r e i nt h ee n d ，t h i sp a p e rb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep r i m a r yd a t a w h i c hi sa c q u i r e d ，a n dd i s c u s s e dt h em e a n sh o wt oa n a l y z ea n dp r o c e s st h e d a t a ，w h i c hi n c l u d ei n t e r p o l a t e ，s m o o t h n e s sa n df i te t c a f t e rt h er e s u l to fs y n t h e t i c a ld e b u g g i n go nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei t m a k ec l e a r ：t h i sp r o j e c tc a na t t a i nt ot h ed e s i g n i n gn e e d ，a n dt h ed a t at h a t a c q u i r e ss a t i s f i e st h ea c c u r a c yr e q u e s t ，a n dt h ep o w e rw a s t eb e i n go n l y 1 2 5 w s ，a n dc o n v e n i e n c i n gt oo p e r a t e ，a n dt h eh i g hs p e e do fd a t aa c q u i s i t o n k e yw o r d s ：t h em e a s u r eo ft h ec u r v eo ft h eo b j e c t ss e c t i o no u t l i n e ；d s p ； s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；c u r v ef i t ；i n t e r p o l a t e ；m u l t i t h r e a d i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 在实际工程的许多应用中需要测量出物体表面的几何外形，如测量车轮 踏面磨耗，先采集出车轮的踏面外形曲线，与原来的标准曲线对比，计算出 磨耗，以判断是否需要更换。在计算机图形学中需要处理物体的三维数据， 对物体进行三维建模，首先也要把物体的断面曲线参数输入计算机。在逆向 工程中需要对己知零件等实物进行研究都可采用本采集方案，正向工程是设 计零件的形状，而所谓逆向工程则是对零件外形进行反向求解【1 7 】。 在物体外形曲线的测量中，国内外出现了很多种方法，如采用c c d 摄 像技术测量和超声波测量等。c c d 技术是把物体厢c c d 摄像机摄入计算机， 采用计算机图像处理技术测得物体的外形参数。人们对c c d 摄象技术寄予 厚望，是因为小尺寸物体的测量，已经取得了惊人的成效，但对运动的大尺 寸的车轮的测量，因为环境光的影响、车轮踏面、轮缘的色差影响，精度就 会下降【6 2 l 。 当代仪器的发展，越来越多的采甩了嵌入式技术。应用于嵌入式仪器的 处理器分为嵌入式m c u 、m p u 和d s p 等，对嵌入式处理器都要求处理速 度快、功耗低等。除了新的传感检测技术不断运用推广之外，对所采集信息 的分析、存储和显示也提出了更高的目标。这就要求现代仪器具备更强大的 计算和存储能力，更稳定可靠的性能。如何进一步的智能化、专业化、小型 化，同时做到低功耗、零污染，将会是一个无止境的追求过程， 随着微处理器技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组 成部分。嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件 硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的 专用计算机系统。简言之，一个嵌入式系统就是一个计算机硬件和软件的集 合体，有时还包括其它一些机械部分，它是为完成某种特定的功能而设计的。 有时我们也称其为嵌入式设备一一具有计算机功能，但又不称为计算机的设 备或器材，几乎包括了我们周围的所有电器设备：p d a 、手机、机顶盒、汽 车、微波炉、电梯、安全系统、自动售货机、立体音响、自动取款机等1 6 ”。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 2 轮廓曲线数据的采集与处理系统方案 1 2 1 轮廓曲线数据的采集原理 困1 1 测量原理图 本文所讨论的手持式外形测 量仪由手持式专用测量机架和智 能测量仪组成。手持式外形测量 仪的专用测量机架有两个测量手 臂，如图1 1 所示，下臂末端安 装有磁性小轮，开始测量时需要 先对计数器清零，以便建立坐标 初始位置。然后转动手臂，让磁 性小轮在物体表面滚动。测量机 架有两个光电编码器，安装在两 个手臂转动的圆心位置。当测量 手臂转动时光电编码器会输出正 交脉冲信号。 在实际工程中，对角度的测 量常采用光电编码器。光电编码 器产生出的信号是正交脉冲信号。对正交脉冲信号的处理，可采用f p g a 和 a s i c 等芯片来处理。而本文在智能测量仪中采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 对光 电编码器输出的正交脉冲序列进行计数，测量机架有两个测量手臂，两个自 由度，需要两个光电编码器来分别测量两个测量手臂转动过的角度，2 4 0 7 a d s p 中有两套事件管理器，正好可以分别计数两个光电编码器输出的正交脉 冲序列。2 4 0 7 a 的功耗低，很适合于嵌入式应用及便携式仪器。测得两个测 量手臂转动过的角度后，根据三角公式计算可得到物体表面点的坐标，进而 可计算出物体表面的外形曲线。由于采用四细分计数，使分辨率提高了3 倍。但为了防止因滑动速度太快，产生的数据过多，要对相邻的两个点的距 离进行判断，把相邻距离过近的点丢掉，这样可使采集到的点比较均匀。 测量头采用磁性小轮，可以在物体表面平滑地滚动，并且还可以避免测 量头在铁质的物体表面滚动时的弹跳问题。测量时，首先将测量机架安放在 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 待测物体上，固定、保证底座处于水平状态。使两个测量臂在初始位置两侧 摆动，进行清零操作，建立坐标系的角度零位置。然后将小轮放置在物体表 面上，按下测量按钮后，从左到右( 或相反) 推动测量头，此时，在计算机的 屏幕上将会自动呈现出物体表面的外形曲线。整个过程大约只需要3 5 秒 时间，速度快、精度高。手持式外形测量仪小巧便于携带、测量速度快、精 度高，适合野外现场使用。测量机架有两个光电编码器，2 4 0 7 a d s p 也正好 有两套事件管理器，所以该方案充分利用了资源。 我们已经加工出了测量机架和用8 3 3 板卡做了大量的实验，其中测量机 架中包括两个可转动的测量手臂，在测量手臂的转动处分别各安装了一个光 y 、 娶龇 载7 、 n l ， r y c ，i 一一一 田1 2 捌量丰轮的补篙厩理母 电编码器，当手臂转动时， 光电编码器产生正交的脉冲 信号，以测量出手臂转动过 的角度和转动的方向。经过 实验证实，本手持式外形测 量仪能实现实时在线测量且 具有相当高的精度。测量原 理图见图1 1 ，两个测量手臂 的长度分别为工- 和l 2 ，o o 为 固定编码器的轴心点 ( x o ，y o ) ，d l 为转动编码器的轴心点( x 1 ，y - ) ，d 2 为磁性小轮的轮心( x 2j y ：) ， 则其坐标可表示为： x 2 工d + 三1x s i n ( a + 石) + 三2x s m ( a + 玎+ 卢) ( 1 1 ) y 2 _ y o + 厶x c o s ( a + 万) + l 2x c o s ( e l + 万+ 卢) ( 1 2 ) 补偿原理图如图1 2 ，在轮。b0 2 的轨迹上选取适当的点a ( 一般取相邻 的下一个点) ，连接0 2 和a 点，作0 2 a 的法线延长线与小轮边缘的交点0 3 即 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 为所求的物体轮廓曲线上的坐标点。相对于0 2 的坐标增量分别是盖矿l ， 由于d z 彳b 与0 z d 3 c 相似，可以得出接触点d 3 的坐标( 工，y ，) 的计算公 式： 1 2 2 光电编码器简介 ( 1 。3 ) ( 1 4 ) 光电编码器由旋转轴、码盘、发光元件、接收元件及其信号处理电路组 成。其中码盘上带有狭窄的缝隙，发光元件对准码盘，当狭缝转过的时候， 接收元件接收到光信号，经信号处理电路产生脉冲信号。如爵1 3 ，码盘f 图 中上面的圆盘) 上有三排狭缝，最外围的产生a 相信号，中间的产生b 相信 号，这两排狭缝刚好错开一个位置，以使它们产生的脉冲信号相差9 0 4 ( 实 a b z 厂 厂 r 1 一1 图1 3 光电编码器原理简图 际装置和原理可能更复杂，这里介 绍的只是示意简图) 。靠近圆心的 狭缝只有一道，用以产生z 相信号， 当码盘转过一周的时候，发一个z 相脉冲以标识新的周期开始，一般 用于清零，所以z 相信号也称为零 位信号。它们产生的脉冲时序如图 1 3 下面的波形所示。a 相和b 相 脉冲相差9 0 。，看谁领先，就可以 识别出码盘的转动方向，用脉冲的 频率就可以计算出码盘转动的速度。这些脉冲信号将输出至0 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的正交编码脉冲电路( q e p ) 进行处理。 南南 x x r r + 一 2 2 x y = i t ， 3 x y 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 3 关于d s p 的选择和应用 本手持式测量仪选用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p ，因为测量机架中有两套 光电编码器，每个光电编码器输出的脉冲信号中分三相信号，即a 、b 和z 相。其中z 相是零位信号，用于清零：a 、b 相是两个正交的脉冲序列( 即 相位相差9 0 。) 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中有两个事件管理器e v a 和e v b ，每个 e v 模块都有一个正交编码脉冲电路，可对光电编码器产生的正交脉冲序列 进行计数和解码。测量手臂的旋转方向可通过检测两个序列中的哪一列先至i 达来确定，角位置和转速可由脉冲数和脉冲频率( 即齿脉冲或圈脉冲) 来确 定【5 7 1 。 ( 1 ) d s p 芯片的分类 d s p 芯片可以按照下列三种方式进行分类。 按基础特性分： 这是根据d s p 芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果在某时钟频率 范围内的任何时钟频率上，d s p 芯片都能正常工作，除计算速度有变化外， 没有性能的下降，这类d s p 芯片一般称为静态d s p 芯片。例如1 r i 公司的 t m s 3 2 0 c 2 x x 系列芯片属于这一类。如果有两种或两种以上的d s p 芯片， 它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类d s p 芯片称 为一致性d s p 芯片，铡如t l 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 x 。 按数据格式分： 根据d s p 芯片工作的数据格式来分，数据以定点格式工作的d s p 芯片 称为定点d s p 芯片，如t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 x x c 5 x 5 4 x c 6 2 x x 等系列。 以浮点格式工作的称为浮点d s p 芯片，如1 r i 公司的t m s 3 2 0 c 3 x c 4 x c 8 x 等。不同浮点d s p 芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的d s p 芯片采用 自定义的浮点格式，如t m s 3 2 0 c 3 x ，而有的d s p 芯片则采用i e e e 的标准 浮点格式，如m o t o r o l a 公司的m c 9 6 0 0 2 等。 按用途分： 按照d s p 的用途来分，可分为通用型d s p 芯片和专用型d s p 芯片。通 用型d s p 芯片适合普通的d s p 应用，如1 r i 公司的一系列d s p 芯片都属于 通用型d s p 芯片。专用d s p 芯片是为特定d s p 运算而设计的，更适合特殊 的运算。如数字滤波、卷积和f f t ，如m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 2 0 0 等。 ( 2 ) d s p 芯片的应用与选型 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 由于集成电路的高速发展使d s p 技术得到了飞速的发展，d s p 芯片已 经在信号处理、通信等领域得到了巨大的应用。目前，d s p 芯片的价格越来 越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列是 适用于运动控制等应用的产品，而且价格低廉，功耗也较低，适于开发手持 式产品。 选择d s p 芯片主要看以下一些因素： d s p 芯片的运算速度。运算速度是d s p 芯片的一个重要性能指标， 可以用如下几个指标来衡量d s p 芯片的运算速度：指令周期、m a c 时问 ( d s p 芯片做一次乘法加上一次加法所需的时间) 、f f r 的执行时问、m i p s ( 每秒执行的百万条指令) 、m o p s ( 每秒执行的百万次操作) 、m f l o p s ( 每 次执行的百万次浮点操作，仅适用于浮点d s p 芯片) 。 d s p 芯片的价格。 d s p 芯片的硬件资源。 d s p 芯片的运算精度。 d s p 芯片的功耗及其开发工具的支持。 本手持式测量仪选用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p ，主要是为了利用其事件 管理器中的正交脉冲编码电路来管理光电编码器，计算出测量手臂转动过的 角度和转动方向。光电编码器的正交脉冲频率最高可达8 1 9 2 h z ，选用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 完全能够满足处理要求。本文所采用方案充分利用了资源、 降低了成本和节省了能源，为利用电池供电实现可移动操作打好了基础。 1 3 测量仪的数据处理 测量仪的数据处理包括两个方面：测量仪器零点的确定和外形曲线坐标 数据的计算。 零点的标定是实际使用中的第一个重要的问题，测量仪采用了编码器的 零点信号作为定位基准，由于组装工艺很难保证图1 4 中的几何零点与编码 器的零点重合，这个偏差将会影响测量精度。因此采用了如下的偏差识别方 法：两个测量臂采用“广”和“1 ”两个不同的方位对同一断面进行测量得 到约3 0 0 行的两组数据( c l l ，c 1 2 ) 、( c 2 1 ，c 2 2 ) ，假设、b 对应的偏 差计数值为c 1 0 、c 2 0 ，则将： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 a l = ( ( 7 1 1 一c m ) p i 4 0 9 6 ：筘1 2 ( c 1 1 + c 1 2 一c 1 0 一c 2 0 ) + p f 4 0 9 6 固1 4 测量仪的初始零位置 1 4 手持式测量仪的特点 代入式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 得出 图1 1 、1 2 中的一条轨迹线， 采用c 2 1 和c 2 2 得出第二条 线，在两条线上的单调区间进 行约2 5 0 次重抽样，计算抽样 结果的y 坐标偏差的平方和， 对不同的c 1 0 、c 2 0 值计算偏 差的平方和，从而可根据偏差 的平方和最小的原则识别最佳 的c i o 、c 2 0 值i 钢。 从多次对不同形状零件的测量数据和结果来看，本手持式断面轮廓曲线 测量仪具有如下特点： 外形直角坐标测量，适合在实验室进行高精度测量。采用逐点测量， 速度馒，且搬运不便，而拟研究的手持式外形测量仪采用旋转坐标，小巧便 于携带，测量速度快，适合现场使用，精度也较高； 测量头采用磁性小轮，在物体表面滑行平稳，可以和物体表面很好 的吻合，并且在铁质的物体表面，如在轮对钢轨上滑行时还可以避免测量 头在物体表面的弹跳问题； 编码器+ 差分脉冲计数测量方式，无模拟信号和a d 转换的零漂、 温漂问题，抗扰性好，数据稳定。 d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有两个计数器和事件管理器，正好可以处理 两套光电编码器的信号，充分利用了资源，也节约了成本、功耗较低( 整个 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 电路消耗功率仅1 2 5 w ) 等。 采集速度快。对车轮的断面可在1 0 s 之内完成整个轮廓睦线数据的 采集。 1 5 本文的主要工作及目标 本课题来源子导师的型面测量仪，已做了大量的前期工作和实验，专门 加工出了一套测量机架，机架上已安装好了光电编码器。以前用p l c 以及 8 3 3 板卡都做过实验，本文主要讨论用d s p 实现的方式。本文的主要工作如 下： d s p 的初始化和计数器对光电编码器的四细分计数； 测量前的清零( 中断) 及对计数器赋初值； 根据测量手臂的转动角度利用三角函数计算出测点的坐标； 关于d s p 和p c 机的串口通信接口和协议的研究； 根据计算出的点的坐标描绘成平滑曲线； 对数据点的分析与处理( 插值和拟合) 。 本文的b 标是：研制出d s p 处理光电编码器正交信号的专用接口模块， 实现两套光电编码器的信号处理及其与p c 机的串行接口；实现手持式测量 仪的人杌界面及断面轮廓曲线的分析和处理。 本文的实际调试系统如图1 5 所示。 圈1 5 轮廓曲线数据秉集实际调试系! 宽 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章d s p 的体系结构分析及其开发环境 本章介绍了t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 对程序员可见的体系结构，即可编 程的结构。 2 1d s p 芯片简介 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理 运算的微处理器，其主要运用是实时快速地实现数字信号处理算法。根据数 字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： 专用的硬件乘法器，在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 采用哈佛结构，使程序和数据空间分开，可独立地同时访问指令和数 据； 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问： 具有低开销或无开销的循环及跳转指令的硬件支持； 快速的中断处理和硬件i o 支持： 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 可以并行执行多个操作： 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，与其他通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对弱些。 此外，在软件上一般具有立即数寻址、直接寻址、间接寻址和独特的乘法、 移位指令等特点。本手持式测量仪选用的2 4 0 7 a 芯片还具有串行外设接口 ( s p d ，可连接多个处理器以实现它们之间的通信；j t a g ( j o i n tt e s t a c t i o n g r o u p ) 标准测试接口( i e e e l l 4 9 标准接口) ，便于对d s p 作片上的在线仿 真和多d s p 条件下的调试。 2 2d s p 系统的设计过程 总的说来，d s p 系统的设计还没有非常好的正规设计方法。图2 1 表示 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 出了d s p 系统设计的一般过程。 在设计d s p 系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指 标、信号处理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或 自然语言来描述。 第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系 统的最终目标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导 致不同的性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方 法，即数字信号处理酶算法( a l g o r i t h m ) ，医此这一步也称为算法模拟阶 段。在完成第二步之后，接下来就可以设计实时d s p 系统，实时d s p 系统的 设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的 大小、对运算精度的要求、系统成本的限制以及体积、功耗等要求选择合适 的d s p 芯片。然后设计d s p 芯片的外围电路及其他电路。软件设计和编程主 要根据系统要求和所选的d s p 芯片编写相应的d s p 汇编程序，若系统运算量 图2 1d s p 系统的设计流程 不大且有高级语言编译器支持，也可用 高级语言( 如c 语言) 编程。由于现有 的高级语言编译器的效率还比不上手 工编写汇编语言的效率，由此在实际应 用系统中常常采甩高级语言和汇编语 言的混和编程方法，即在算法运算量大 的地方。用手工编写汇编语言程序，而 运算量不大的地方则采用高级语言。采 用这种方法，即可缩短软件开发周期， 提高程序的可读性和可移植性，又能满 足系统实时运算的要求。 d s p 硬件和软件设计完成后，就需 要进行硬件和软件的调试。软件的调试 一般借助于d s p 开发工具：硬件的调试 一般采用硬件仿真器进行调试。系统的 软件和硬件分别调试完成后，就可以将 软件脱离开发系统而直接在应用系统 上运行。当然，d s p 系统的开发是一个需要反复进行的过程，如果不能满足 要求就需要重新修改算法和程序，再进行模拟和调试，再经过实践的验证， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 最后才能确定最终的程序和硬件电路结构。 2 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的编程结构 2 3 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 芯片概述 t i 公司将常用的d s p 芯片分为三大类：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括 t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x 5 4 x 5 5 x ) 和 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。t m s 3 2 0 系列芯片采用了改进 型的哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器和特殊的d s p 指令以适应数 字信号的处理。在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 有以下一 些特点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器 的功耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高 了控制器的实时控制能力。 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代码 和t m s 3 2 0 系列d s p 代码的兼容。 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序r a m ， 5 4 4 字双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s 矗r a m ) 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器； 8 个1 6 位的脉宽调制( p 删) 通道。它们能够实现：三相反相器控制；p w m 对称和非对称波形：当外部引脚p d p i n t x 出现低电平时快速关闭p w m 通道， 可编程的p w m 死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕获单元； 片内光电编码器接口电路；1 6 通道a d 转换器。事件管理器模块适用于控 制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆 变器。 可扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 ) 总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器 空间；6 4 k 字数据存储器空间；6 4 k 字i o 寻址空间。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来 触发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 控制器局域网络( c a n ) 2 o b 模块。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 串行通信接口( s c i ) 模块。 1 6 位的串行外设接口( s p x ) 模块。 基于锁相环的时钟发生器。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p l 0 ) 。 5 个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作 模式。 2 3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 的内部资源介绍 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 主要由c p u 核、片上存储器和片上外设三大 部分组成，所有c 2 0 0 0 系列芯片都具有相同的c p u 结构。下面就介绍l f 2 4 0 x 的c p u 结构。 2 3 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 的c p u 内部功能模块介绍 输入定标移位器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 器件提供了一个输入定标移位器，该移位器将来自程序 存锗器或数据存储器的1 6 位数据调整为3 2 位数据送到中央算术逻辑单元 ( c a l u ) 。因此其1 6 位输入与数据总线相连3 2 位输出与c a l u 单元相 连。输入定标移位器作为从程序数据存储空间到c a l u 间数据传输路径的 一部分，不会占用时钟开销。该移位器在算术定标，以及在逻辑操作对屏蔽 定位设置中非常有用。 乘法器 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 【d s p 采用一个1 6 1 6 位的硬件乘法器，可以在单个机 器周期内产生一个3 2 位乘积结果的有符号或无符号数。除了m p y u 指令( 无 符号乘法指令) ，所有的乘法指令都执行有符号的乘法操作。即被相乘的两 个数都作为2 的补码数，而运算结果为一个3 2 位的2 的补码数。乘法器接 收的两个输入，一个来自1 6 位的临时寄存器( t r e g ) ，另一个通过数据读 总线( d r d b ) 来自数据存储器，或通过程序读总线( p r d b ) 来自程序存 储器。两个输入值相乘后，3 2 位的乘积结果存放在3 2 位的乘积寄存器 ( p r e g ) 中。p r e g 的输出连接到乘积定标移位器，通过乘积定标移位器 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ( p s c a l e ) ，乘积结果可以从p r e g 送到c a l u 或数据存储器。 中央算术逻辑部分 中央算术逻辑部分主要由以下几部分组成： 中央算术逻辑单元( c a l u ) 实现大动态范围内的算术和逻辑运算； 3 2 位累加器( a c c ) 接收来自c a l u 的输出，并且可以根据进位位 ( c ) 的值来实现移位； 输出移位器将累加器的高位字和低位字在送入数据存储器之前进 行移位。 中央算术逻辑单元( c a l u ) ： 中央算术逻辑单元( c a l u ) 实现许多算术和逻辑运算功能，且大多数 的功能都只需1 个时钟周期。这些运算功能包括：1 6 位加、1 6 位减、布尔 运算、位测试以及移位和旋转功能。由于c a l u 可以执行布尔运算，因此 使得控制器具有位操作功能。c a l u 的位移动和旋转在累拥器中完成。c a l u 之所以被称为中央算术逻辑单元，在于它是一个独立的算术单元，和后面要 介绍的辅助寄存器算术单元( u 法u ) 在程序执行时是完全不相关的两个模 块。c a l u 有两个输入，一个由累加器提供，另个由乘积定标移位器或输 入数据定标移位器提供。 对绝大多数的指令，状态寄存器s t l 的第1 0 位符号扩展位( s x m ) 决 定了在c a l u 计算时是否使用符号扩展。若s x m 为0 ，符号扩展禁止，若 s x m 为1 ，则符号扩展使能。 累加器( a c e ) ： 一旦c a l u 中的运算完成，其结果就被送至累加器，就在累加器中执 行单一的移位或循环操作。累加器的高位字和地位字中的任意一个可以被送 至输出数据定标移位器，在此定标移位后，再存至数据存储器。以下为一些 和累加器有关的状态位和转移指令。 和累加器有关的状态位有4 个，它们是： ( 1 ) 进位位( c ) 一一位于状态寄存器s t l 的第9 位。 在左移或循环左移的过程中，累加器的最高有效位被送至c 位；在右 移或循环右移的过程中，累加器的最低有效位被送至c 位。 2 ) 溢出方式位 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 器件包括串行通信接口s c i 模块。s c i 模块支持c p u 与其 他使用标准格式的异步外设之间的数字通信。s c i 接受器和发送器是双缓冲 的，每一个都有它自己单独的使能和中断标志位。两者都可以独立工作，或 者在全双工的方式下同时工作。为了确保数据的完整性，s c i 对接收到的数 据进行间断检测、奇偶性校验、超时和帧出错的检查。通过一个1 6 位的波 特率选择寄存器，数据传输的速度可以被编程为6 5 5 3 5 多种不同的方式。 2 3 5 1s c i 模块的特性： 两个外部引脚； 0 s c i t x d ：s c i 发送数据引脚； 0 s c i r x d ：s c i 接收数据引脚。 这两个引脚是i o 复用引脚，在不使用s c i 时，这两个引脚可用作通用 i o 口。 通过一个1 6 位的波特率选择寄存器，可编程为6 4 k 种不同速率的波 特率： 在4 0 m h z 的c p u 时钟方式下，波特率范围从7 6 b p s 到1 8 7 5 k b p s 。 数据格式：一个启动位；1 8 位的可编程数据字长度；可选择的奇 偶无校验位；一个或两个停止位。 4 种错误检测标志位：奇偶错、超时、帧出错或间断检测。 两种唤醒多处理器方式：空闲线或地址位唤醒。 半双工或全双工操作， 双缓冲的接收和发送功能。 发送和接收的操作可以利用状态标志位通过中断驱动或查询算法来完 成。 o 发送器：t x r d y 标志( 发送缓冲寄存器准备接收另一个字符) 和t x e m p t y 标志位( 发送移位寄存器空) o 接收器：r x r d y 标志( 接收缓冲寄存器准备接收另一个字符) 、b r k d t 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 标志( 间断条件发生) 和r xe e r r 标志( 监视4 个中断条件) 发送器和接收器的中断位可独立使能( 除b r k d t 外) 。 不返回零( n r z ) 格式。 s c i 模块的l o 个控制寄存器地址位于7 0 5 0 h 7 0 5 f h 之间。 s c i 模块内的所有寄存器为8 位，但是它又与1 6 位的外设总线相连。因此 当访问这些寄存器时，寄存器的数据在低字节( o 7 位) ，高字节( 8 1 5 位) 读出为0 ，对高字节的写操作无效。 2 3 5 2s c i 模块主要部件 一个发送器( t x ) 及和它相关的主要寄存器： 0 s c i t x b u f ：发送数据缓冲寄存器，存放要发送的数据； 0 t x s h f ：发送移位寄存器，从发送数据缓冲寄存器( s c i t x b u f ) 中 装入数据，并将数据移位至s c i t x d 引脚，一次移1 位。 一个接收器( r x ) 及和它相关的主要寄存器： 0 r x s h f ：接收移位寄存器，从s c i r x d 引脚移入数据，一次移1 位； 0 s c i r x b u f ；接收数据缓冲寄存器，存有需c p u 读取的数据。来自串 行通信线上的数据装载到接