（材料加工工程专业论文）基于dsp数字化mmatig两用逆变弧焊电源研究.pdf

硕士学位论文 摘要 数字化技术有着无比的优越性，它超越模拟技术的弊端大大推动了焊接电源的精确 控制和柔性化的发展。数字化是焊接电源发展的必然趋势。本文首先介绍了“数字化一 的概念，分析了数字化逆变弧焊电源的特征。结合当前数字化逆变弧焊电源在国内外的 发展趋势，阐明了进行本课题研究的必要性。 论文简要介绍了数字信号处理器d s p ( d i 酉t a ls i 口a lp m c c s s o r ) 的产生、应用领域 及发展趋势等，接着详细阐述了其工作原理、结构特征及芯片的选型。重点介绍了所研 制的基于d s p 数字化i g b t 逆变m m 伽g 焊接电源系统的组成部分和控制原理。分别 就逆变电源的主电路、控制电路、保护电路、驱动电路和高频引弧装置做了详细分析， 并从软硬件两方面进行了系统的阐述。 、 电源主电路采用输出功率较大的i g b t 全桥式逆变结构，由输入整流滤波电路、逆 变电路、中频变压器、输出整流电路组成。文中详细介绍了主电路的设计要点及元器件 的选型和参数计算。控制系统以1 6 位数字信号处理器1 m s 3 2 0 u 吃4 0 7 a 为核心，采用了 目前比较常用的脉宽调制方式p w m ( p u l s ew i d t l lm 0 d u l a t i ) 即控制i g b t 的导通时间 来实现焊机输出功率与输出特性的控制。由于t m s 3 2 0 u 砣4 0 7 a 可以直接产生带死区的 脉冲波形。驱动脉冲是利用1 m s 3 2 0 u 泛4 0 7 a 的比较单元输出一对带死区的p w m 脉冲， 经i g b t 专用驱动模块m 5 7 9 5 9 l 进行功率放大后，触发i g b t 。系统实时对输出电流进 行采样，将采样结果送入到d s p 进行a d 转换。 论文还详细阐述了d s p 片内的资源分配和外围电路的功能等。并针对焊接过程中可 能出现的典型故障：过欠压、过流、过热等，设计了相应的保护电路。 针对非接触式高频引弧的高频干扰使d s p 控制系统不能正常工作的问题，专门设计 了相应的引弧控制电路来消除高频电磁波对d s p 的干扰，提高了焊机的稳定性。 文中详细介绍了d s p 开发环境c c s 2 0 0 0 的安装和设置以及开发工具5 1 0 0 u s b 的使 用，并在此开发环境下采用汇编语言，以模块化方法设计了系统软件。文中还详细介绍 了主程序、中断服务程序以及各种功能子程序的功能和结构。 通过试验，对该电源的实现方案、组成部分进行了分析，得到了初步的试验结果， 给出了在试验过程中记录的相关数据与波形；对试验过程中出现的问题进行研究分析， 提出了解决方法。试验结果表明：该焊机主电路响应速度快，硬件电路简单可靠，系统 软件高效、移植性好，抗干扰能力强，基本达到了最初设计的构想和要求。 最后，针对本焊机的后续研究工作提出了进一步完善的建议，为数字化焊机今后的 深入研究奠定了良好的基础。 关键词：d s p ：逆变电源；i g b t ：n g ；t m s 3 2 0 l 砣4 0 7 a 基于d s p 数字化m m a ，1 1 g 两用逆变弧焊电源研究 a b s t r a c t n e d 蟛t a lt e c h n o l o g yh 弱r a t h e rs u p e r i o r i t y n ed e v e l o p m e n to f 锨= i l r a c ) rc o n t r o l 柚d f l e x i b l e 卸t o m a t i o no fi n v e n e rw e l d i n gp ( ) w e r u r c ea r cp r o m o t c db yi t ，w h i c ho v c r c o m e d r 耐b a c ：ko f a n a l o gt c c h n o l o g y i ti ss a i dt l l a td i g i t a lt e c _ h l o l o g yi sd e v e l o p m e 删t i - c n d0 f i n v e r t c rw c l d i n gp ( 、v e r u r t h i sp a p e ri n t i o d 似七st l l ec o n c 印to fd i 酉t a l i z a t i o nf i l 忑t l y ，t l l 锄 a n a l y z 鹪t h e 曲i a m d e r i s t i c so fd i 舀t a li n v c r t e rw e l d i n gp o 、 ，c rs o u r c e a c c o r d i l l gt ot h er e s e 砌 仃锄da th o m e l 锄d 卸do v e 娼e 弱，i ti sv e r yn e c c s s a r yt 0r e s e a r c h t h eg i v eb i n ht 0 ，a p p u c a t i o nf i e l d 锄dd e v e l o p m c n tt r c n d0 fd s pa r ei n t 刚u c e db r i e n y a di t sw o r kp r i n c i p l e ，s t 门j c h i r ec h a r a d e r i s t i 岱a n ds e l e c ta r cc 】【p l a i l l c d ：i nd e t a i l t h i sp a p c r 锄p h 雒i z e s 佃t h e0 0 忸p o e n tp a r t s 锄dc o n t r o lp 血c i p l eo fm 百t a l i z e dl g b ti n v e r t e r m m a 厂n gw a v ew e l d i n gp o w c r 湖r c e m 血咖吨c o n 仃0 ic i 姗i t ，p m t c c t i o n 洳i t ，埘v e d r c u i ta n dt h ee q u i 】p m to fl l i g h1 j r e q u e n c ea r cs t a r t e ra r cr e s p e c t i v e l y 出m l y z e d t h e f t w a r c 粗dk m 幽嗯f c 眦a l s 0i n t e 叩r c t e d m a i nc i | 胁i t ，w l l i c ha p p l i e si g b tf u l l - b i i d g c 曲e n e rs 仃u c t i l r c ，i sm a d eu po f 邱u t 他c t i 6 c r m t c r ，l l i g h 丘明u e n c yt r 锄f 0 皿c r 狙do u t p u t 删i 丘e rd r c u i t t kk e yp o i n t s 锄dt h c p 啪c t e 璐0 fd e s i g n ，s e l e c to fp a r t s0 fa p p 舡a t u s a r ed i s c u s s c dp 枷c u l a r l y h i g hp c r f b 皿a n c c 1 6 b i td s p1 m s 3 2 0 u 屹4 0 7 ai sa d 叩t e d 弱c o l l 仃o lk 锄c 1 u s i n gu n i v e 塔a lp w mm e t h o d m e 趾st 0 咖的l0 u t p u tp o w c r 粗d0 u t p u tc h a r a d 耐s t i c 岫u g hc o n t r o l l i i l gi g b ts w i t c h 叩 t i m e b e c a u s et m s 3 2 0 u 屹4 0 7 啪d 沁c t l yg c n e n t er c q u i s i t ep u l s ew a v e f b 加w i t hd e a d - b 柚d 1 ks e p a r a t e 鲰op u l s e st r i 韶阿i g b t 硪e rt h e ya r em a 鲥j f i e db ye x c l u s i v e “v em o d u l e m 5 7 9 5 9 l1 1 1 es y s t 锄s 锄p l e s0 u t p u tc u 玎e n ti nr e a lt i l n e 趾db r i i l gi tt 0d s pf o ra d c o n v e 璐i o n 1 1 1 i sp a p e ra l e x p 0 蛆dt h e 坨u r o ed i s t 曲u t i o n 曲dt h ef u n 嘶0 n0 fo u t e r 血c u i t s 筒m t ot ) r p i c a lp r o b l e m si i lw e l d i n gp r o c c s s ：0 v e rv o l t a g e ，l a c kv o n a g c ，0 v e rc i i 盯c n t 趾do v e r h e a t ， ac o r r e s p o n d i i 唱p r o t e c t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e d i no r d e ft 0o v e r c o m et h el l i g l l 仃e q u e n c yi n t e r f e r e n c c0 fh i g h 缸cs t a n c rt ；0d s pc o n t r o l s y s t e m ，t l i ec o r r e s p o n d i n g a r cs t a n e rc o n t r o lc 洳：i l i ti sd e s i g n e d ，w k c hi m p r o v e st h es t d b i u t y o f t h ep o w e r n ei n s t a u a t i o n 姐ds e t t l po fd s pd c v e l o pe n v 的衄e n tc c s 2 0 0 0 弛du s i n go fd e v e l o p t i l51 0 0 u s ba r ei u u m i l l a t e d u n d e rt h e e x p l o d e re n v i r 0 衄e n t，a d o p t 笛s e m b l e l 柚g i l a g c ，d e s i 笋s y s t e ms 0 r w a r cb ym o d u l a 血em e t h o d s n e 丘锄ea i l df u n c t i 叩0 fm a i n p r o 伊锄，i n t e m l p ts e r v i c e 跚b r o u t i i l e 卸dd e v i s e sf u n c t i o ns u b m u t i n ea r ce x p l a i n e d t 0 0 t r a 硒i te x p e 血e 吐觚a l y s es c h e m e 锄d 璐t h t e0 ft h ep o w c r g a i n e dt h ep r i n l a 巧 c x p e 洒衄tr e s u n s ( b 丌e s p o n d i i l gd a t a 蛐dw a v e f b 珊sa r cr c c o r d e di nt h ee x p e r i m e n t ，卸d 硕+ 学位论文 p r o b l e m s0 c c 啊c di ne x p c r i m e n ta r ci l e s t i g a t e d 锄d1 0 d g er a s o l v e n t s 皿ee x p 酬血锄tr e s u l t s s h o wt h a tm a i n 咖i t0 ft l l ei n v e n e rp o w e rs o u r c ch 舔r 印i d 比s p 0 璐e s p e e 也h a r d w a r ch 弱 l l i g i lr c l i a b i l i t y 柚ds i m p l e n e s s ，腑a r ch 弱h i g he 虢c t ，f i n et m s p l 枷趾ds t r o i l ga b i t yo f 柚t i _ j 砌i n 吕n ei n v e n c rp o w e r s o u r c cb 晒i d y 删e v c dt h e 锄p o s e 衄dr e q u o f t i a l l y d e s i g n a t l a s t ，m ea d i v 妣so nf i l t l l 佗r c s e 眦hf o rt l l ew e l d i n gp ( ，w c ra f e 昏v e n ，a n dt h e yw i m a l 【caf o u n d 印u h df o rt o m o 盯0 w sr e s e a r c ho fd i 百t a lw e l d i n gp o w e r k e yw o r d s ：d s p ；h c n e rp 吣r e r ；i g b t ；t i g ；1 m s 3 2 0 u 砣4 0 7 a m 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：王 雪艮 日期：沙2 年多月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。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。 作者签名： 导师签名： 王雪匙 仍矬 日期：弘谚年 日期：力咖 6 目知b f 月ld 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 钨极氩弧焊是以钨棒作为电弧一极的气体保护电弧焊方法，钨棒在电弧中是 不熔化的，故又称不熔化极氩弧焊或惰性气体保护焊，简称t i g 焊，由于钨棒不 熔化且其弧长和电弧稳定性特别好而得到了广泛应用【1 1 。手工焊条电弧焊m m a ( m a n u a lm e t a la r cw e l d i n g ) 由于其特有的环境适应性和操作灵活性而成为应用最 广泛的焊接方法。弧焊过程存在“空载一短路一燃弧三个工作状态，熔滴过渡、 熔池波动、冷却条件及空间位置等因素都会对电弧形态和焊接质量产生干扰和影 响。为了保证起弧顺利、燃弧稳定、焊缝成型良好，需对上述工作状态及其转换 过程进行控制。对于m m a 电弧焊，其控制途径有施焊者和电源系统。但既使是 经过严格训练的操作者也不能对焊弧过程的剧烈变化( m s 级_ ) 做出及时反应，因而 具有优异动态响应和输出外特性的弧焊电源系统对保证焊接质量就非常重要。 焊接新工艺的出现对电焊机提出了更新、更高的要求，电子器件的大功率化。 使得高性能电焊机的推广应用成为现实。7 0 年代末开发出的逆变式弧焊机以其体 积小、重量轻、性能好，高效、节能而受到世界各国的瞩引2 1 。由于大规模集成 电路的出现，尤其是现代计算机技术和数字信号处理技术的发展，微控制器( 单 片机) 、p l c 、d s p 等数字化芯片被大量使用，并初步用于完成焊接设备管理、 波形给定、闭环控制、通讯等领域p j 。 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 o r ，d s p ) 具有速度快、可靠性好以 及自身的结构特点，非常适合应用于信号实时采集、处理、控制等方面，将其应 用于弧焊逆变电源，能很好的改善电焊机性能。目前，采用数字化逆变弧焊电源 进行高可靠性、高效率、高速度、高精度的焊接工艺研究将成为逆变电源技术的 主要研究课题1 4 j 。 焊机工作的环境是比较恶劣的，存在着多种干扰源。大功率逆变器本身就是 一个噪声发射源，中频变压器、输出电感等感性元件也会产生电磁干扰：焊接电 弧也是个频率带很宽、谐波丰富的电磁干扰源，负载剧烈变动时的浪涌电流也会 造成电网电流的畸交。在t i g 焊机中，高频引弧器与其它引弧器相比具有更高的 的引弧成功率而得以广泛应用【5 】【6 1 。但是高频引弧器的放电频率一般在 1 5 0 2 6 0 k h z ，该高频会通过导线和空间馈入弧焊电源所配备的d s p 控制系统和 其它弱电部分内，使其无法正常工作，因而d s p 控制系统的工作环境是十分恶劣 的，这将大大影响焊机的可靠性。 基于d s p 数字化m m a 厂兀g 两用逆变弧焊电源研究 本文就是在研究新型逆变式t i g m m a 弧焊电源的基础上，对其控制方式及 实际效果的描述。开展了d s p 控制的数字化逆变t i g m m a 焊电源的研究工作， 其中解决d s p 控制系统抗干扰问题将是该课题中的重要任务。此项研究无论在科 研还是实际应用都具有重要的意义1 1 。2 数字化逆变弧焊电源及其国内外发展现状 1 2 1 “数字化”的概念 数字化焊接技术是指用计算机技术来控制焊接设备的运行状态，使其满足和 达到焊接工艺所提出的要求，以得到完全合格的焊缝【7 1 。它主要利用数字信号处 理器和微机控制所具有的三个基本功能，即数值计算、数值分析和实时控制，实 现数字化焊接，把软硬件融合在焊接工艺中，提高它的稳定性、精确度、生产效 率、质量和减少飞溅。数字化焊接技术是一种全新概念的先进焊接制造技术，集 先进焊接技术、先进数控和计算机技术、c a d c a m 技术、先进材料技术、先进 检测技术为一体。 首先，数字化是指：( 1 ) 按照一定的规则，用数字表示字母或符号。 ( 2 ) 把连续的物理量用数字形式表示，即用o 1 编码表示。可以说，数字化焊接技术 的核心就是焊机的数字化，即焊机主电路和控制电路的数字化【引。 控制电路的数字化，即控制信号由模拟信号过渡到0 1 编码的数字信号，通 过单片机、d s p 或二者共同对给定信号流、参数反馈流和网压信号流作综合处理、 运算与控制，达到焊接电源数字化、信息化、柔性化的控制要求。 1 2 2 数字化逆变弧焊电源的基本特点 传统的模拟焊接电源系统一般采用运算放大器、电阻、电容等分立元件以硬 接线方式构成，因此具有如下缺陷【9 j ： ( 1 ) 老化和环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大： ( 2 ) 由于系统设计采用硬接线，当系统设计完成以后，升级修改功能几乎 是不可能的； ( 3 ) 受最终系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、性能更先进的复 杂控制算法； ( 4 ) 从控制信息流的角度看，给定信号流、网压质量输入信号流、电弧电信 号反馈流等信息经多个环节的传递函数的传递，会产生诸多失真的、畸变的、干 扰的信息，采用模拟器件往往很难达到理想的控制输出效果。 鉴于上述原因，利用数字信号流0 1 的特点，可以在输出处基本不出现任何 失真畸变的干扰信息，因此数字化逆变弧焊电源采用单片机或d s p 等微处理器取 代模拟器件作为系统的控制器，其功能框图如图1 1 所示【1 0 】，具有如下优点： 硕十学位论文 一 图1 1 数字化逆变弧焊电源系统功能框图 1 ) 柔性化控制 电源外特性由软件编程实现，可以实现多外特性以适应不同焊接工艺的要求， 以实现焊机的一机多用。 2 ) 智能控制 。利用微处理器强大的控制能力和事件管理能力使焊机控制引入自适应控制、 模糊控制、神经网络控制等智能控制方法成为可能，提高了焊机的智能化。 3 ) 数字信号处理 d s p 强大的数据处理能力和快速运算能力为焊接信息的实时处理提供了物质 基础。利用d s p 可以对焊接过程的信号实时提取有关的特征信息，从而实现数字 信息控制。同时基于d s p 的电弧评价系统可以作为数字化焊机的嵌入式系统，使 焊接电源具有焊接过程的在线评价功能。 4 ) 控制精度高，稳定性好 数字控制系统受环境、温度及噪声的影响较小，可靠性好，1 6 位的数字系统 可以达到1 0 巧的控制精度，基本不受元件的影响，便于测试、调试、生产出一致 性优良的焊接电源。 5 ) 易于产品开发和升级 数字逆变弧焊电源的功能通过软件和硬件相组合来实现，可以开发基本软、 硬件平台，也可以通过模块化的软、硬件设计，以不同的模块化组合构成不同功 能的焊机。焊机性能的改进可以通过软件的升级来实现，从而缩短开发周期，降 低开发成本。 基于d s p 数字化l 仆，【a 仍g 两用逆变弧焊电源研究 。1 2 3 数字化逆变弧焊电源的国内外发展现状 由于数字化技术优越的特点，数字化产品已深入到我们生活的各个领域。目 前，适用于弧焊逆变电源控制的d s p 主要有t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、a d i 公司的a d s p 2 1 0 0 系列、m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f 8 0 0 系列。国外已有数字化 逆变弧焊电源的产品问世，最具有代表性的如奥地利f r o n i u s 公司生产的 t r a n s p l u ss y n e r g i c 系列t p s 2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 全数字化焊接电源，它的心脏 部分是一个数字信号处理器( d s p ) ，由它集中处理所有焊接数据，控制和检测 整个焊接过程，焊机具有程序化引弧、精确控制电弧、专家系统、一机多功能焊 接、焊接数据接口和评价系统等功能【1 1 l 。又如德国e w m 公司生产的i n t e g r a l 系列和p h o e n i x 系列数字化焊接电源，利用数字处理系统处理所有焊接数据， 控制整个焊接过程，同样具有专家系统、一机多功能焊接、可与计算机或网络通 讯、模块化设计、焊接数据的存储和分析系统等功能【1 2 1 【”l 。澳大利亚w o l l o n g 大学利用美国t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 3 2 数字信号处理器的高速采样率控制 g m a w 焊接过程【1 引。以上国外的研究成果主要是采用d s p 和m c u 相结合的控 制方案，主回路采用逆变形式的全数字化焊接电源。日本o t c 公司推出的数字化 微电脑控制可控硅c 0 2 m a g 自动焊机，它采用m c u 控制实现焊接电压自动跟随， 具有熔深控制功能。 在国内，数字化焊接电源尚处于研究阶段，已经有几家厂商可以自主地进行 开发和生产，总体上看数字化焊机影响力已经具备，但还远远没有成为市场的主 流。一些高校和科研院所已在这方面开展了工作并取得了良好成果。北京工业大 学、上海交通大学、华南理工大学、兰州理工大学等几所院校。上海交通大学焊 接研究所1 9 9 9 年提出了数字化逆变弧焊电源的概念并进行了较深入的研究【1 5 l ， 已成功地把数字信号处理器应用在熔化极气保护焊接电源系统的控制并实现了商 品化的数字化焊接电源，取得了较好的经济效益。北京工业大学材料学院分析了 数字化电源的特征，提出了全数字化控制焊接电源的方案【1 6 】【1 7 】。兰州理工大学材 料学院根据数字信号处理器的工作原理及特点，研究了数字化i g b t 逆变脉冲 m i g m a g 焊接电源【1 8 l 。而本课题所研究的是基于d s p 控制的数字化l g b t 逆变 t i g 焊接电源，与上述几种电源相比具有一定的创新性和实用价值，具体介绍见 下一小节。 1 3 本文的主要工作 弧焊逆变电源的数字化控制技术为焊接设备的发展开拓出了个全新的发展 空间。但是由于焊接工艺过程的复杂性、实时性、强干扰性以及数字信号处理技 术还没有很好地为焊接工作者所掌握，因此在焊接电源领域进行数字信号处理理 硕十学位论文 论研究，探讨焊接逆变电源的数字化控制的规律、算法，发展、完善全数字化弧 焊逆变电源，是数字化控制技术在焊接领域扩大应用的关键。 本课题针对目前弧焊逆变电源全数字化的发展现状，用数字信号处理器来控 制t i g m m a 焊接电源，试制了一台d s p 控制的全数字化i g b t 逆变t i g m m a 两用 电源，要求焊接采用高频引弧，并针对高频干扰采取了相应的抗干扰措施，使电 源具有高可靠性，能实现：直流t i g 焊。手工电弧焊。表1 1 是焊机基本设计参数。 表1 1焊机基本设计参数 输入电压：三相3 8 0 v 1 0 ，5 0 h z脉冲宽度调节范围：1 5 8 0 输出最大空载电压：6 7 v电流缓升缓降时间：o 1 0 s 0 1 0 s 电流调节范围：2 5 4 0 0 a前送气后送气时间：0 3 s 3 l o s 逆变频率：2 0 k h z 基于d s p 数字化 心i a 仍g 两用逆变弧焊电源研究 第2 章数字信号处理器原理与应用 2 1 数字信号处理器的发展及其在焊接电源中的应用前景 随着数字化、智能化、网络化技术的不断发展，现代生产质量过程控制日趋 凸现重要地位，焊接技术也必然随之相应发展。为了满足这些要求，焊接电源的 控制器件应该能实时处理、控制焊接的信息流。数字信号处理器d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 的出现为焊接电源数字化研究提供了物质基础。d s p 芯片自8 0 年代初出现以来，就以其稳定性、可重复性、实时数字信号处理、柔性化编程、 大规模集成等特点给数字信号处理的发展带来了巨大的机遇，并使信号处理手段 更灵活、功能更复杂，应用领域也扩展到国民经济生活的各个方面。随着d s p 运 算速度的不断提高，能够实时处理的信号带宽大大增加，数字信号处理也为高速 实时控制带来可能，如目前t i 推出的最新c 6 4 x xd s p ，其单片处理能力已达到 9 0 0 0 m i p s ( m i p s 指每秒执行百万条指令) ，目前d s p 已广泛用于许多电子产品 上【1 9 儿2 们。近年来，d s p 成为焊接电源控制与数字信号处理的最佳选择器件【2 。 以d s p 为主控的数字化焊接电源已成为国内外焊接工作者研究的主要领域之一。 2 2d s p 芯片概述 现实世界中，我们被不同形式的各种信号所包围。有些信号来自自然，而大 部分的信号是人造的；有些信号是必需的，而很多信号在给定场合下是不受欢迎 或是不需要的。普遍地说，信号处理是用来提取、增强、存储和运输有用信息的 一种运算【3 1 。在实际应用中，信号大部分是模拟信号，它们的幅度随时间连续地 变化，通常采用无源或有源的元器件对模拟信号进行处理，这种方法称为模拟信 号处理a s p ( a n a l o g u es i g n a lp r o c e s s i n g ) 。a s p 的主要缺点是在做复杂信号处 理时能力有限，这就造成了处理的不灵活性和系统时间的复杂性。与a s p 相对应， 数字信号处理d s p ( d i g i t a ls 蟾n a lp r o c e s s i n g ) 是利用计算机或专用设备以数值计 算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理，借以达到提取 信息和便于利用的目的1 2 2 1 。它具有以下四个优点： 1 用d s p 方法的系统开发可以利用通用计算机上的软件来进行，因此d s p 比较容易开发和测试，且软件是可移植的。 2 d s p 运算只是单纯地基于加法和乘法，这就了导致特别稳定的处理能力一 如不易受温度的影响。 3 d s p 运算可方便地作实时的修改，通常只要改变程序，或对寄存器重新加 载。 硕士学位论文 4 由于超大规模集成电路v l s i 的应用而降低了存储器、门、微处理器等的 价格，d s p 比较便宜。 典型的数字信号处理系统原理框图如图2 1 所示【2 3 l ： 引苏婆吲加y l 波等处理iy i箍蠡h 吮 处理实现一 平滑、滤巨堂 波等处理r - 叫 图2 1 典型的数字信号处理系统原理框图 目前，数字信号处理的实现方法一般有以下几种： 1 在通用计算机( 如p c 机) 上用高级语言编程实现 2 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现 3 用通用微处理器或单片机实现 4 用专用d s p 芯片实现 5 用通用可编程d s p 芯片实现 在上述几种实现方法中，第1 种方法的缺点是速度较慢，一般用于数字信号 处理算法的模拟；第2 种和第4 种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2 种 方法也不便于系统的独立运行；第3 种方法只适用于实现简单的数字信号处理算 法；只有第5 种方法才为数字信号处理的应用打开了新局面。 2 2 1 d s p 的发展与应用 随着集成电路制造工艺、微电子等技术的不断提高，数字信号处理技术也得 到了广泛应用，a m i 公司于1 9 7 8 年发布了世界上第一个单片d s p 芯片s 2 8 1 1 ： 1 9 7 9 年，美国i n t e l 公司公布了商用可编程器件2 9 2 0 ，这两种芯片就是最早期的 d s p 处理器。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的妒d 7 7 2 0 是第一个具有片上硬件乘 法器的商用d s p 芯片；1 9 8 1 年，美国的贝尔实验室推出了同样具有片内硬件乘 法器和存储器、1 6 位字长的d s p 芯片d s p i ；1 9 8 2 年，美国t i 公司成功推出了 其第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 ，这是d s p 应用历史上的一个里程【2 4 1 。在 t m s 3 2 0 1 0 在市场大获成功的基础上，t i 公司陆续推出了其t m s 3 2 0 系列d s p 芯 片。由于t m s 3 2 0 系列d s p 芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点，所 以逐渐成为目前最有影响、最为成功的d s p 系列处理器。 为了适应市场的需要，t i 公司又陆续推出了它的三大系列产品： 1 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列一一作为优化控制的最佳d s p ，该系列提供了业界成 本最低，涉及最广的数字化控制解决方案，自然成为家电、空调( h v a c ) 系统、 厂房自动化系统、电机控制和电力电子的首选控制器件。主要包括 t m s 3 2 0 c 2 4 x f 2 4 x 、t m s 3 2 0 l c 2 4 0 x l f 2 4 0 x 、t m s 3 2 0 l c 2 8 x x l f 2 8 x x 等。 2 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列一一是最节能的d s p 。1 6 位定点，速度4 0 2 0 0 m i p s ， 基于d s p 数字化m m a m g 两用逆变弧焊电源研究 主要面向低功耗、个人便携产品( 如数码音乐播放器、3 g 蜂窝电话、数码相机等) 、 无线终端应用等。该系列主要包括t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 5 4 x x 、t m s 3 2 0 c 5 5 x 五盘 守o 3 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列一一是高性能、最快的d s p ，最高的可达1 1 g h z 。主 要面向高性能、多功能、复杂的应用领域( 如有线无线宽带网络、组合m o d e m 、 g p s 导航、a d s lm o d e m 、医学图像处理等) 。该系列主要包括t m s c 6 2 x x 、 t m s 3 2 0 c 6 4 x x 、t m s 3 2 0 c 6 7 x x 等。 自第一片d s p 芯片诞生以来，经过3 0 多年的不断技术创新，d s p 芯片的发 展取得了长足的进步，其应用领域涉及汽车、控制、消费类产品等诸多范围。 在将来，随着计算机技术、微电子技术和超大规模集成电路的制造工艺等技 术的不断发展，以及d s p 芯片应用的不断深入，d s p 芯片还将以更快的速度发展， 其发展趋势可概括为1 2 4 j ： 1 首先在生产工艺上，大量采用1 “m 以下的c m o s 制造工艺，使芯片的集 成度更高、功耗更低，从而使高频、高速的d s p 芯片得到更大的发展。 2 高速、高性能d s p 芯片的研制将以r i s c ( 精简指令系统计算机) 结构和 单片并行计算机结构为主导，以完成并行处理系统操作。 3 专用d s p 芯片( 如m p e g 4 、m p 3 等处理芯片) 将得到较大的发展。 4 模拟数字混和式d s p 芯片( 集d 、d a 、滤波、数字信号处理等功能) 将有较大的发展，应用领域会有进一步扩大。 5 许多情况下系统需求的处理容量较大且要求接口灵活，多个d s p 并行处 理显得尤为重要。 6 在便携式和消费类电子产品中，汇集m c u 的灵活性和d s p 的高性能，可 以实现低功耗和低成本。 7 f p g a ( 可编程门阵列) 以其强大的灵活性和低功耗，速度较高，在某些 领域或代替d s p 或作为它的协助处理器。 8 在系统高度集成化的基础上，发展以d s p 内核为核心的s o c ( 片上系统) 芯片将是d s p 发展的主要方向。 9 提供更完善的开发环境，特别是开发效率更高的、优化的c 编译器或其他 高级语言编译器以及代数式指令系统，缩短开发周期。 d s p 芯片型号多种多样，分类也有很多种方法【2 4 1 ，但主要有以下两种： 1 按照d s p 芯片所支持的数据类型不同可分为定点和浮点d s p 芯片。 定点d s p 芯片在进行算术运算时，使用的是小数点位置固定的有符号数或无 符号数。定点器件在硬件结构上比浮点器件简单，具有价格低、速度快等特点， 但是受字长的限制，其运算精度低、动态范围小。 浮点d s p 芯片在进行算术运算时，使用的则是带有指数的小数，小数点的位 硕七学位论文 置随着具体数据的不同进行浮动。浮点器件的优点是动态范围大、运算精度高、 不需要进行定标和考虑有限字长效应，在性能要求高的实时信号处理场合中有着 广泛的应用。但是，浮点芯片的成本高、功耗大、速度较慢。 2 按照d s p 芯片的用途不同可分为通用和专用d s p 芯片 通用d s p 芯片适用于普通的数字信号处理；而专用d s p 芯片是为某些特殊 的数字信号处理运算而专门设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和f f r 矗盘 号宇o 2 2 2d s p 的基本原理及结构特征 无论微处理器、单片机还是d s p 控制器，它们的工作原理是基本一致的，其 基本原理图见图2 2 ，所做的工作不外乎：从存储器、i o 接口等地方读取数据， 按某种规律运算，再把运算结果放到存储器、i o 接口等地方。在其工作过程中， 数据流和地址流占统治地位。为了实现数据流和地址流有序的管理和控制，采用 数据总线和地址总线是一种最佳的结构方式【2 5 1 。数据总线和地址总线就像两条高 速公路，数据信息和地址信息分别在其上快速地流动。中央处理单元( c p u ) 、 程序存储器、数据存储器和内部外设等功能模块分别挂接在数据总线和地址总线 上。中央处理单元是控制中心，由它指挥当前时刻谁可以占用数据总线和地址总 线，同时它还可以进行有关的运算；程序存储器是物理芯片与人的接口，由人编 写的程序指令写入到程序存储器中，体现了人的意志，中央处理单元只能根据程 序的流程进行指挥而不能随意发挥；数据存储器用于记录工作过程中的原始数据、 中间结果和最后结论；内部外设是集成在芯片内部与外部世界进行信息交换的功 能模块，一般包含i ，o 、d 、串行通讯等。另外，数据总线和地址总线一般情况 下都延伸到芯片的外部( 引脚上) 。 图2 2d s p 控制器基本原理 一般微处理器的数据总线和地址总线是单总线方式，相当于一辆车在只有一 基于d s p 数字化m m a ，丌g 两用逆变弧焊电源研冗 条道的高速公路上跑，这辆车分时地为大家服务。d s p 控制器与此不同，采用多 总线方式，相当于是多条道的高速公路，这样一来多辆车可以同时在其上行驶， 极大地加快了运行速度。这实质上是一种并行机制。 以下说明是大多数d s p 芯片所具有的区别于普通单片机的特殊的软硬件结 构。 、 1 哈佛结构 哈佛结构是一种并行体系结构，主要特点是将程序和数据存储在不同的存储 器空间，对程序和数据独立编址，独立访问。而且在d s p 中设置了数据和程序两 套总线，使得取指令和执行能完全重叠运行，提高数据吞吐量。为了进一步提高 速度和灵活性，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列产品采用改进的哈佛结构，一是允许程序存 储在高速缓存( c a c h e ) 中，提高了指令的读取速度；二是允许数据存放在程序存 储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性，进一步提高了系统 的工作速度。另外，双口r a m ( d a r a m ) 的使用以及独立读写总线使数据存取 速度更加提高。 2 流水线技术 d s p 芯片广泛采用流水线技术，增强了处理器的处理能力。t m s 3 2 0 系列流 水线深度为2 6 级不等，也就是说，处理器在一个时钟周期可以并行处理2 6 条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。图2 3 为三级流水线操作的例子。在 三级流水线的操作中，取指令、指令译码和指令执行可以独立的处理。这样d s p 可以同时处理多条指令，只是不同的指令处于不同的处理阶段。例如，在取第n 条指令时，前一条指令( 第n 一1 条指令) 处于译码阶段，而第n 一2 条指令，处 于执行阶段。 一几几 腊旨令 ；堕- ；n n ； 译码：n 1 ：n：m ： 执行：砒：n 1 ：n 图2 3 三级流水线 3 硬件乘法器 在数字信号处理算法中存在着大量的形如y = a x + b 的运算，即两个数相乘 后和另一个数相加，且这种运算往往需要反复进行。例如离散傅立叶变换( d f t d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 、卷积、相关、滤波等。显然，乘法速度越快，数 据处理能力越强。在通用的微处理器中，有些根本没有乘法指令，有些有乘法指 令的处理器，其乘法指令的执行时间也比较长。相比较而言，d s p 芯片一般都有 硕十学位论文 一个硬件乘法器，在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列中，一次乘累加最少可以在一个时钟周 期里完成。 4 特殊d s p 指令 、 d s p 芯片的另一个特点就是采用了特殊的寻址方式和指令。例如， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列的位反寻址方式。采用这些适合于数字信号处理的寻址方式 和指令，进一步减少了数字信号处理的时间。 所以，由于d s p 时钟频率的提高，指令执行周期的缩短，加上以上一些d s p 结构特征使得d s p 实现实时数字信号处理成为可能。 2 2 3 本课题d s p 芯片的选型 在d s p 领域，其生产厂家主要有德州仪器( t i ) 、朗迅( a g e r e ) 、摩托罗 拉( m o t o r o l a ) 和模拟器件公司( a d i ) 等公司，其中t i 公司已成为世界上最大 的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额约占全世界的5 0 。在t i 公司的众多产品 中，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 芯片是面向数字控制系统，尤其是数字运动控制系 统设计的新一代数字信号处理器，由于该系列芯片除了具有数字信号处理器的一 般特点之外，片内还增加了经过优化的、专门用于数字控制系统的外设电路，因 此一般也称该系列芯片为d s p 控制器。根据本课题控制系统的实际需要，结合考 虑d s p 的综合性能评价指标，如m i p s ( 百万条指令秒) 、指令周期、m o p s ( 百 万次操作秒) 、m f l o p s ( 百万次浮点操作秒) 等，决定采用d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片作为本控制系统的核心。 2 3d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的总体结构 d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片在总体结构上有很多独特的地方，一是采用多组 总线结构实现并行处理机制，允许c p u 同时进行程序指令和存储数据的访问；二 是采用独立的累加器和乘法器，使得复杂的乘法运算能迅速进行；三是累加器和 乘法器分别连接了比例移位器，使得许多复杂运算和运算后的定标能在一条指令 中完成；四是有丰富的寻址方式，可方便灵活的编程；五是有完善的片内外设， 可以构成完整的控制系统1 2 6 】【2 7 】【2 8 1 。d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片采用 q f p l 4 4 ( s p q f p g 1 4 4 ) 封装( q u a df l a tp a c k a g e ) 。图2 4 是d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片总体