（信号与信息处理专业论文）基于dsp的变速泵供水系统的设计—数据采集及处理部分.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 供水系统的研究是随着人们居住环境的集中以及生活个性化的发展而产生 的。变速泵供水系统的研究是其中一个重要的研究课题。采用单片机实现的智能 供水系统速度慢，控制手段较为落后。目前，超高速、低功耗和强实时性的数字 信号处理器( d s p ) 正在逐渐替代单片机，应用于智能供水系统，使变速泵供水系统 的动力性、经济性、稳定性等各项性能不断提高。本文所介绍的正是以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 系列d s p 为控制核心的变速泵供水控制系统的设计方案。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是一功能强大的数字信号处理器。该芯片是市场份额占全球4 4 的d s p 厂商美国t i 公司推出的适用于工业控制的c 2 0 0 0 系列产品之一，它功耗低， 执行速度快，实时控制能力强。本文简要分析了d s p 在运算速度、集成度、专业 化和稳定性等方面的优势，介绍了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的c p u 、存储器和片内外设 等结构。 整个恒压供水系统由两部分构成，分别是数据采集及处理部分和 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 对三相直流无刷电机的控制部分。该系统将自动控制的有关理论转 变为实时应用算法移入d s p ，并与前向通道和后向通道共同构成一个稳定、可靠的 负反馈系统，控制三相直流无刷电动机的状态转换和速度调整，在需水量不断变 化的情况下，使送水管道保持相对稳定的水压，以满足恒压供水的需要。 本文详细介绍了整个供水系统的设计方案，对全系统的硬件电路进行了设计， 并详细介绍了硬件结构的特点及设计要点。给出了数据采集和处理部分的实现方 案论证，并在此基础上进行了数据采集和处理部分的程序设计。 硬件电路设计主要包括信号采集及处理电路和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 对三相无刷直流 电动机的控制电路的设计。前者包括对分别来自压力传感器和液位传感器的信号 进行预处理( 包括整流、放大等) ，并送入t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的片内a d 模块进行a d 转换；后者利用主控芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 片内的两个事件管理器e v a 、e v b 分别对 电机进行了控制：每个事件管理器的6 路p 删信号分别控制着电机的6 个功率变 换元件的开关，三个捕捉引脚c a p l ，c a p 2 ，c a p 3 通过产生捕捉中断来给出电机的 换相时刻，同时给出位置信息。除此之外，硬件电路还包括由h d 7 2 7 9 a 芯片组成 山东大学硕士学位论文 的人机接口电路，负责对按键输入及l e d 显示进行控制；存储器扩展电路通过 i s 6 1 l v 6 4 1 6 芯片为系统提供了6 4 k 字的数据存储器；r s 2 3 2 接口电路使用了 m a x 3 2 3 2 芯片，为p c 机提供与该系统的接口；j t a g 接口电路用于实现程序的下载、 仿真及调试等。 数据采集和处理部分的设计思路是：压力传感器将采集到的水压信号转换成 电流信号，然后经电流一电压转换后送入t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的片内a d 模块进行a d 转换，转换后的数字量经过数字滤波，去除干扰后再进行尺度转换，获得水压值， 进行显示，并作为控制电机转速的参数参于控制运算。置于蓄水池中的液位传感 器采集的水位信号经过与水压信号相似的处理后，得到蓄水池水位值， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 检测其是否超上限或超下限，并分别通过硬件进行超上限或超下限 报警。本文还进行了一系列的程序设计，包括a d 转换程序、数字滤波程序、尺 度变换程序及人机接口程序等。 由于时间和水平有限，以及其他客观原因，本课题仍存在诸多不足，如系统 并未完成全部的现场调试，无法满足大范围的需水要求等等，这些都需要在今后 的工作和学习中进一步完善。 关键词：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7三相无刷直流电动机a d信号采集及处理 尺度变换 2 山东大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ - i l la h i 一 a bs t r a c t r e s e a r c ho fw a t e rs u p p l ya p p e a r sa f t e rc e n t r a l i z a t i o no fo u rl i v i n ge n v i r o n m e n t a n dd e v e l o p m e n to fo u rl i v i n gi n d i v i d u a t i o n t h er e s e a r c ho fs p e e d s h i f t e d - p u m pw a t e r s u p p l yi s a l li m p o r t a n tt a s k s o m ek i n do fw a t e rs u p p l c o n t r o l l e db ys i n g l ec h i p m i c y o c o ( s c m ) ，h a sl o ws p e e da n dl a g g a r dc o n t r o l l i n gm e t h o d n o w a d a y s ，d s p , w i t h s u p e r - h i g hs p e e d ，l o wp o w e rl o s sa n ds t r o n gr e a l t i m eq u a l i t y , h a sb e e ng r a d u a l l y s u b s t i t u t i n gs c m t oi m p l e m e n ti ni n t e l l e c t i v ew a t e rs u p p l y i tm a k e sm o t i v i t y , e c o n o m y a n ds t a b i l i t yo fs p e e d - - s h i f t e d p u m pw a t e rs u p p l yi m p r o v i n gg r a d u a l l yt h i st h e s i sj u s t i n t r o d u c e st h ed e s i g no fs p e e d s h i f t e d - p u m pw a t e rs u p p l yw i t ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7s e r i e s o fd s pa st h ec o r ec h i p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i sak i n do fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rw i t hp o w e r f u lf u n c t i o n t h i s c h i pi so n ep r o d u c to fc 2 0 0 0s e r i e s ，p r o d u c e dt oa p p l y i ni n d u s t r yc o n t r o l l i n gr e g i o nb y a m e r i c a nt ic o m p a n y ，w h o s em a r k e tl o tr e a c h e s4 4 p e r c e n t i nt h ew o r l d t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7h a sl o wp o w e rl o s s ，h i 曲s p e e da n ds t r o n gc o n t r o l l i n ga b i l i t y t h i s t h e s i sa n a l y z e st h ea d v a n t a g e so fd s pi no p e r a t i n gs p e e d , i n t e g r a t i n gd e g r e e ， s p e c i a l i z a t i o na n ds t a b i l i t y na l s oi n t r o d u c e sc p u m e m o r ya n do u t s i d ef a c i l i t yo n - c h l p o f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 1 1 垃e n t i r ew a t e rs u p p l yi n c l u d e st w op a r t s ，w h i c ha r es i g n a lc o l l e c t i n ga n d d i s p o s a lp a r ta n dc o n t r o l l i n gp a r to f 耶m s 3 2 0 l f 2 4 0 7t o w a r d sd i r e c tc u r r e n tm o t o r w i t h o u tb r u s hr e s p e c t i v e l y t h i ss y s t e mt r a n s l a t e sr e l a t e da u t o c o n t r o lt h e o r yt or e a l t i m e a p p l i c a t i o na r i t h m e t i c ，t of o r m as t a b l ea n dr e l i a b l em i n u sf e e d b a c ks y s t e mw i t h p r e - c h a n n e la n dp o s t - c h a n n e l ，i n o r d e rt oc o n t r o lt h es t a t ec o n v e r s i o na n ds p e e d a d j u s t i n go ft h ed i r e c tc u r r e n tm o t o rw i t h o u tb r u s h w h i l et h en e e do fw a t e r i sc h a n g i n g ， t h ew a t e rp i p i n gc a nk e e ps t a b l eh y d r a u l i cp r e s s u r et om e e tt h en e e d so fc o n s t a n tw a t e r p r e s s u r e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g ns c h e m eo ft h ew h o l ew a t e rs u p p l y , a n dd e s i g n s t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ee n t i r ew a t e rs u p p l y t h e ni ti n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r so ft h e h a r d w a r es t r u c t u r ea n dd e s i g ne s s e n t i a li nd e t a i l ，a n dp u tf o r w a r dt h ea r g u m e n to ft h e s c h e m eo fs i g n a lc o l l e c t i n ga n dd i s p o s a lp a r t b a s e do nt h i sp o i n t , i tp r e s e n tp r o g r a m 3 山东大学硕士学位论文 _ - i iii ii i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ d e s i g nm e t h o d so fe v e r yp a r t s h a r d w a r ec i r c u i tm a i n l yi n c l u d e s s i g n a lc o l l e c t i n ga n dd i s p o s a lc i r c u i ta n d c o n t r o l l i n gc i r c u i to ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7t o w a r d sd i r e c tc u r r e n tm o t o rw i t h o u tb r u s h t h e f o r m e ri n c l u d e sp r c t r c a t m c n to fs i g n a l ( i n c l u d e sc o m m u t a t i o n ，a m p l i f y i n ga n ds oo n ) f r o mp r e s s u r es e n s o ra n dw a t e r - l e v e ls e n s o r i ta l s oi n c l u d e sa dc o n v e r s i o no fs i g n a l s f r o mt h et w os e n s o r si na dm o d u l ee m b e d d e di n s i d et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ；t h el a t t e ru s e s t w oe v e n t m a n a g e r s ，e v aa n de v b ，w h i c hi si n s i d et h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，t oc o n t r o lo n e m o t o rr e s p e c t i v e l y ：6r o u t e so fp w ms i g n a l sc o n t r o l s6s w i t c h e so fp o w e r - s h i f t e d c o m p o n e n tr e s p e c t i v e l y , a n dt h r e ec a p t u r e s ，c a pi ，c a p 2 ，c a p 3 ，c a np r e s e n tt h et i m e i n f o r m a t i o nw h e np h a s e so ft h em o t o rs h i f ta n dp o s i t i o ni n f o r m a t i o nb yc a p t u r e i n t e r r u p t b e s i d e s ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ta l s oi n c l u d e si n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nh u m a n a n dp c ，w h i c hu s e st h ec h i po fh d 7 2 7 9 a , t oa p p l yi nk e y - p r e s si n p u ta n dl e d d i s p l a y ；, m e m o r ye x p a n d i n gc i r c u i t ，u s e si s 6 1l v 6 416c h i p ，t oo f f e rd a t am e m o r yw i t h6 4 k b i t e s ； r s 2 3 2i n t e r f a c ec i r c u i t , u s e sm a x 3 2 3 2c h i p t oo f f e ri n t e r f a c eb e t w e e np ca n dt h i s s y s t e m ；j t a gi n t e r f a c ec i r c u i t ，t or e a l i z ed o w n l o a d i n g ，s i m u l a t i n g ，d e b u g g i n ga n ds o o n t h ed e s i g nt h o u g h t so fs i g n a l c o l l e c t i n ga n dd i s p o s a lp a r ti sv e r yc l e a r t h e p r e s s u r es e n s o rt r a n s l a t e st h ew a t e rp r e s s u r es i g n a lt oc u r r e n ts i g n m ，w h i c hw i l lt h e nb e c o n v e r t e dt ov o l t a g es i g n a lb yc u r r e n t - v o l t a g ec o n v e r t e r t h ev o l t a g es i g n a li sd e l i v e r e d i n t oa dm o d u l ei n s i d eo ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a f t e ra dc o n v e r s i o n , t h ed i g i t a lq u a n t i t y w i l lb es e n ti n t od i g i t a lf i l t e rt ow i p eo f fi n t e r f e r e n c e t h e ni tw i l lb ep r o c e s s e ds c a l e t r a n s f o r m a t i o nt ob et r a n s f o r m e dt od i g i t a lw a t e rp r e s s u r e ，a sap a r a m e t e rt oc o n t r o lt h e t h r e e - p h a s ed i r e c tc u r r e n tm o t o rw i t h o u tb r u s h w a t e r - l e v e ls e n s o r , p o s i t i o n e di nt h e p o o l ，c o l l e c t sw a t e rl e v e ls i g n a l a f t e rs i m i l a rp r o c e s s i n g 丽mw a t e rp r e s s u r es i g n a l ，w e o b t a i nt h ed i g i t a lw a t e rl e v e ls i g n a l t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7c h e c k sw h e t h e rt h ew a t e rl e v e l o v e r s t e p st h em a x i m u m o rt h em i n i n l u l no ft h ep o o l ，a n dg i v e sa na l a r mr e s p e c t i v e l yv i a h a r d w a r ec i r c u i t t h i st h e s i sa l s op r o c e s s e ss e r i e so fp r o g r a m m i n gd e s i g n , 硫l u d i n g a dc o n v e r t i n gp r o g r a m , d i g i t a lf i l t e r i n gp r o g r a m , s c a l ec o n v e r t i n gp r o g r a m , i n t e r f a c e p r o g r a ma n ds oo n a st i m ea n dt h ew r i t i n gl e v e li sl i m i t e d , a n ds o m eo t h e rr 伐k , q o n si na d d i t i o n , t h e m a r es o m ed i s a d v a n t a g e si n t h i st a s k f o re x a m p l e , t h i ss y s t e mh a s n tc o m p e t e dt h e d e b u g g i n go fa l lo ft h ep r o g r a m , a n di tc a nn o ts a t i s f yt h en e e do fw a t e ri nl a r g es c a l e 4 山东大学硕士学位论文 s oi tn e e d sm o r ee f f o r ti ns t u d ya n d w o r k i n gi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，t h r e e - p h a s ed i r e c tc u r r e n tm o t o r 、) i r i t h o u tb r u s h , a d ， s i g n a lc o l l e c t i n ga n dd i s p o s a l ，s c a l et r a n s f o r m 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：冬迤 e t 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二嫩导师签名：越日期：z ! 堡：2 ：乡 山东大学硕士学位论文 1 1 变速泵供水系统 第一章绪论 随着人们的居住环境的集中以及生活个性化的发展，城市供水系统的负荷变 化很大。以前通常采用大型蓄水池的方式来缓解，该方法供水压力稳定，但存在 许多弊端，如设备使用寿命不长、需派专人管理等。近年来在供水系统中引入了 直流恒压供水系统，较好地解决了以上问题。 本系统采用t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 驱动三相直流无刷电机来完成对水泵 的控制。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是1 6 位定点d s p 芯片，它的速度高达4 0 m i p s ，片内配置 有双口数据存储器d a r a m 和r o m f l a s h 等程序存储器，有强大的片外寻址能力， 并具有丰富的片内外围设备，可广泛应用于数字马达控制、工业自动化、电力转 换系统、空调控制等。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在性能上远远超过一般的单片机芯片，而其 价格却在逐年下降，正在逐步接近单片机的价格，成为不可或缺的可编程基础器 件。因此在进行了多方面考虑之后，本系统采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为系统的主控 芯片。 本文选用的水泵型号为l g 5 0 - 1 6 0 a ，其工作功率为2 2 k w ，启动电压为如v 三 相交流电，工作电压为1 5 v 。该型号水泵可保证供水流量在5 5 0 0 00 1 1 ，水压范围 在0 1 - 1 5 m p a 。本文设计的供水系统由两套水泵组成，这样可以根据需水量的多 少灵活选择应用几套水泵，来保证既满足用户的需水要求又不至于浪费。该系统 所对应的蓄水池是l o m 3 ，可同时为2 0 0 户用户提供用水，因此本系统适用于小范围 内的居民用水。 系统设计中采用了三相无刷直流电机来驱动水泵。无刷直流电动机既有直流 电动机优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等 优点，又有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，所以它一经出 现就以极快的速度发展和普及着。 通过本系统的设计，可灵活方便地选择投入使用的水泵的套数，并可使任何 一套水泵在程序的控制下，都能工作在全速或调速状态。同时利用水泵的运行匝 6 山东大学硕士学位论文 线和工作效率的关系，可使得每台水泵轮流处于节能高效运行状态，既节约能源 又延长水泵寿命。进一步通过控制算法设计可以保证两套水泵的运行时间和开启 次数接近，以延长设备的整体使用寿命。 1 2 数据采集及处理部分 设计中采用美国t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 实现了对整个供水系统的控 制，包括数据的采集及处理部分和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 对直流无刷电机的驱动控制部分， 本文丰要对前一部分进行了设计。由置于送水管道中的压力传感器采集到水压信 号，经预处理后送入t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 进行a d 转换、数字滤波、尺度变换等一系列 信号处理，处理后的水压信号可用来控制电机的转速，即当水压较低时电机转速 加快，反之转速减慢。同时置于蓄水池中的液位传感器检测到液位信号，经过与 水压信号同样的信号处理后，通过人机接口显示出来，并根据水位是否超上限或 低于下限来决定是否报警。通过键盘输入可以设定p i d 算法的参数以灵活实现对 电机的控制。另外在这部分还做了一系列系统运行所须的工作，如外扩了数据存 储器，接入了j t a g 接口，设置了r s 2 3 2 接口电路等。 1 3 选题的意义 直流恒压供水系统是现代化城市和生活小区供水的发展方向。系统所选用的 无刷直流电动机兼顾了直流电机与交流电机的优势，目前已经得到了非常广泛的 发展。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 不但具有高性能的l f 2 4 xd s p 内核，配置有高速数字信号处理 的结构，而且还具有单片电机控制的外设功能。它将d s p 的高速运算功能与面向电 机的强大控制能力结合在一起，从而为直流恒压供水系统的设计奠定了基础。本 系统采用d s p 控制直流恒压供水系统，工作可靠，实现容易，高效调节，性能优越 且价格低廉，对于小范围内的供水是非常理想的系统。 1 4 本文的主要工作 在本文前期的方案论证过程中，在充分了解国内外水泵控制系统发展现状的 情况下，进行了一系列相关文献的检索及资料查询，并进行了较为充分的市场调 研，最终设计出了基于d s p 的直流恒压变速泵供水系统。该系统包括两部分，分别 是数据采集及处理部分和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 对直流无刷电机的控制部分。本文完 7 山东大学硕士学位论文 成的是前一部分的工作，后一部分由我的合作者完成。 本文首先提出了变速泵供水系统的总体设计方案，并对数据采集和处理部分 的设计要求等进行了简要说明，然后分别从硬件和软件两个方面对数据采集和处 理部分的设计进行了全方面的介绍。 硬件方面主要工作如下： 对主控芯片的选型。通过多方面查阅资料后，否定了以传统单片机作为主控芯 片的设计方案，最终选定由美国t i 公司生产的d s p 系列的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为主 控芯片。选用该芯片，对本系统来讲是一个最佳选择； 对传感器的选型。本系统采用了压力传感器和液位传感器。在充分考虑了现实 中居民对供水压力及供水容量的需求，考虑了水泵的选型、参数及蓄水池或水塔 的容量之后，我们选择了量程为o - 2 1 咿a 的压力传感器和o - l o m 的液位传感器，它 们较好的符合了日常用户对水的需求。 整个d s p 应用系统的设计。本文对基于d s p 的变速泵供水系统的整个硬件电路 进行了设计，包括t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 对三相直流无刷电机的驱动控制电路、信号采集 及预处理电路、电源电路、时钟及复位电路、人机接口电路、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 与p c 机通讯电路、j t a g 接口电路、数据存储器扩展电路等。在设计中，通过查阅大量 资料，进行了诸多芯片的选型，且每部分电路及系统总电路都由作者使用p r o t e l 设计给出。 软件方面主要工作如下： 根据奈奎斯特采样率确定采样速率及分辨率。在d s p 系统时钟为3 0 m l l z 的情况 下，设计程序使a d c 模块每2 0 m s 采样一次。将o - - l o m 、o - 2 m p a 转换为1 0 位的数 字量，因此采样精度可达到0 0 1 2 m 、2 4 4 k p a 。 根据t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 片内a d 的工作原理，编写了a d 转换程序； 对采样的数字信号进行数字滤波，去除干扰。数字滤波采用8 级f i f o 缓冲求 平均值的方法，减轻了噪声干扰对采集信号的干扰。 对经过数字滤波之后的采样信号进行尺度变换，以获得原物理量一蓄水池的水 位及管道水压的数字值； 编写键盘及显示、报警程序，实现了人机接口。 山东大学硕士学位论文 第二章变速泵供水系统的设计方案 2 1 变速泵供水系统的总体设计方案 2 1 1 系统结构及控制原理 恒压供水系统是指在用户端用水量变化的情况下，总保持水泵出水管网中水 压基本恒定。这样，既可满足不同时间、不同用户对用水量的需求，又不会产生 电动机空转，防止造成电能的浪费。 系统的总体结构示意图如下图2 1 所示： 1 d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 72 液位传感器3 压力传感器 图2 1 供水系统的系统结构示意图 系统以控制器、两台由直流无刷电动机带动的水泵、压力传感器、i v 转换预 处理电路等构成的闭环系统为控制核心，此外系统还包括水位传感器、i v 转换预 处理电路、水位报警指示灯、l e d 显示器件、键盘等外围部件。 图中的控制器是以t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心组成的，它具有运 算速度快、处理能力强、实时性高和抗干扰能力好的特点，并可利用它丰富的指令 集，通过软件实现系统的各种控制及检测功能，从而大大提高系统的处理能力。 系统实现恒压供水的控制原理如图2 2 所示： 9 山东大学硕士学位论文 卜倒p w m 蚓电机水泵h 管网f _ 了i i j _ h 压力传感器l 图2 2 恒压供水系统控制原理框图 如图2 2 ，为了实现恒压供水，系统首先通过置于水泵出水管网上的液压传感 器周期性地采集水泵出水符网中的水压信息，并将其变送成( 幅度范围) 的标准 信号，输入至u d s p 中进行a d 转换、滤波和尺度变换，以将该压力信息转换为数字量 压力h f 。d s p 通过将实际供水压力值h f 与设定的压力值h r 进行比较，形成偏差ae ， 按照p i d 控制算法规律，控制输出的p 删波形信号，通过改变p w m 波形的占空比来调 整无刷直流电机的转速，进而改变变速泵的抽水速率，维持出水管网中压力的稳 定。例如，当用户用水量增多，采集到的出水管网中的水压小于设定压力值时，这 时通过p i d 算法的计算，改变输出p 1 | i m 波形的占空比来改变电机的转速，使变速泵转 速加快，出水量加大，使管网中的水压值上升；如果丰泵全速运行，出水压力仍小 于设定压力值时，就启动辅助泵并控制其变速运行。反之，当用户用水量减少， 管网中的水压大于设定压力值时，就通过p i d 算法改变输出p w m 波形的占空比来使 水泵转速下降，出水量减小，使管网中的水压下降；当辅助泵最低速运行水压仍高 于设定压力值时，就停止辅助泵，只使用主泵调速运行。如此经过循环反复的调 整，就可以使供水管网中的压力值围绕设定压力值上下波动，保持供水压力恒压。 这就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。 2 1 2 设计要求 系统具备同时控制两台水泵的功能。根据不同场合、不同需要可以采取二台 水泵同时运行、台运行一台备用、换泵等多种工作方式，实现水泵出水管网中 恒压供水。系统具有管网实时压力显示、蓄水池水位显示、蓄水池水位超限报警 指示；设定上限保护压力；设定哪个泵先上电工作等功能。 d s p 控制2 台直流无刷电机水泵，一台作为主泵，一台作为辅助泵，并可以人 工选择哪台作为主泵，哪台作为辅助泵。控制器跟据用水量的大小自动选择需投 入运行的水泵数量。一般情况下，主泵根据采样的实际水压值变速运行，辅助泵 1 0 山东大学硕士学位论文 停机待命。但当主泵全速运行水压仍低于设定水压值时，则启动辅助泵运行。 系统包括人机接e 1 ，通过l e d 实时的显示当前的蓄水池水位值、当前管网的水 压值；并可以通过键盘输入p i d 控制参数、选择不同水泵、选择水压显示、选择水 位显示及系统复位等。 系统还设置有报警装置，当蓄水池当前水位值高于水位上限时，水位上限报 警灯亮；当当前水位值低于水位下限时，水位下限报警灯亮。 系统预置与上位机的串行通信接口，以方便与p c 机的通信或作为后期扩展所 用。 系统设置 t a g 接口，以实现程序的下载、仿真及调试。 2 2 数据采集及处理部分的设计要求 2 1 2 节中除了d s p 对直流无刷电机水泵的控制之外，其余部分属于本文的涉 及范畴。 蓄水池中的液位传感器将采集到的水位信号，经放大处理后输入t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的a o 转换器进行转换，转换后的数字量进行数字滤波以滤除高频干扰，然 后对其进行尺度转换，转换成水位的数字量。d s p 检测水位是否超上限或超下限并 分别进行超上限或超下限报警，并将水位的高低通过人机接口的l e d 显示出来。 同理，水泵出水管网中的压力传感器将采集到的水压信号，经放大处理后输 入d s p 的a d 转换器进行转换、数字滤波、尺度转换，得到水压的数字量。d s p 计 算采集到的水压值与设定水压值的误差ae 的大小，将其送入p i d 控制模块作为 控制p w m 波形及电机转速的依据。同时d s p 将水压的高低通过人机接口的l e d 显 示出来。 人机接口方面：通过h d 7 2 7 9 a 芯片来设置人机接口，包括l e d 显示及键盘输 入。通过l e d 实时的显示当前蓄水池的水位值或管网中的水压值。通过键盘人工 选择哪台作为主泵，哪台作为辅助泵；输入p i d 控制参数；选择水压显示：选择 水位显示；系统复位等。 报警装置方面：设置蓄水池水位上下限报警指示灯，当蓄水池水位值高于水 位上限时，水位上限报警灯亮；当蓄水池水位值低于水位下限时，水位下限报警 灯亮。 山东大学硕士学位论文 一ii _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - 通信接口方面：通过t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的s p i 模块设置与上位机的串行通信接口， 以方便与p c 机的通信或作为后期扩展所用；设置j t a g 接口，以实现程序的下载、 仿真及调试。 抗干扰方面：要编写数字滤波程序，以滤除采样现场的高频干扰及噪声，防 止它们引起电机的误操作。 1 2 山东大学硕士学位论文 3 1d s p 的特点 第三章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 功能简介 d s p 是以数字信号来处理大量信息的器件，是一种特别适合于实现各种数字信 号处理运算的微处理器。d s p 具有下列主要特点： 采用改进型哈佛结构，具有独立的程序总线和数据总线，可同时访问指令和数 据空间，允许数据在程序存储器和数据存储器之间进行传输； 高度的操作“并行性”，在一个指令周期内可完成多重操作，一般能够完成一 次乘法和一次加法； 支持流水处理，可在某一时刻同时对若干条指令进行不同阶段的处理； 片内含有专门的硬件乘法器和高性能的运算器及累加器，且多数d s p 的指令系 统中设置有循环寻址及位倒序指令和其它特殊指令，使得在作这些运算时寻址、 排序及计算速度都大幅度提高； 具有单独的d m a 总线及其控制器，可在基本不影响d s p 处理速度的情况下，作 高速的并行数据传送； 丰富的片内存储硬件和灵活的寻址方式为数据处理应用提供了良好条件； 新型d s p 集成了越来越多的其它部件，如a d 、比较器、捕捉器、p w m 、串行 口及看门狗等，为将d s p 应用于智能测控、电机控制、电力电子技术等领域提供 了资源条件，并可以组成新型的d s p 嵌入式应用系统。 3 2t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 适用于工业控制的特点及优势 t m s 3 2 0 l f 2 4 x 系列是美国t i 公司于1 9 9 7 年推出的低价格高性能的1 6 位定点 d s p ，是专为数字电机控制和其它控制应用系统而设计的系列d s p 芯片。l f 2 4 0 7 不 但具有高性能的l f 2 4 xd s p 内核，配置有高速数字信号处理的结构，而且还具有 单片电机控制的外设功能。它将d s p 的高速运算功能与面向电机的强大控制能力 结合在一起，从而成为传统的多微处理器单元m c u 和多片设计系统的理想替代品。 该系列芯片能为价格低廉的电机如a c 感应、直流永磁和开关磁阻电机等提供控制 山东大学硕士学位论文 器；可用于无刷电机的全变速控制；将l f 2 4 0 7 使用在汽车电子动力转向系统中， 可以提高汽油利用率，减少液压装置；用于变速控制可以约大量能源，一般比定 速控制器节约2 5 的能量：另外，l f 2 4 0 7 还可用适应控制、卡尔曼滤波和状态控 制等先进的控制算法，支持多项式的高速实时计算，因而可以减少力矩波纹，增 强系统性能，降低功耗，减少振动，从而延长被控设备的使用寿命，为各种类型 的电机提供了高速、高效和全变速的先进控制技术。 数据总线 1 4 图3 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 功能框图 山东大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 l f 2 4 x 的功能框图如图3 1 所示。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 主要由三大部分 构成：c p u 、存储器和片上外设。l f 2 4 0 7 的片内外设包括双1 0 位a d 转换器；2 8 个可独立编程的多路复用i o 引脚：带有锁相环p l l 的时钟模块；带中断的看门 狗定时器模块；串行通信接口s c i 及串行外设接口s p i 等；特别是l f 2 4 0 7 片内设 置了一个事件管理器，可以提供1 2 路比较p 删通道；3 个具有死区功能的全比较 单元；。3 个单比较单元；空间矢量p w m 动态机；3 个1 6 位通用定时器；4 个捕获单 元，其中有两个具有直接连接正交编码器脉冲的能力。该事件管理器可以为所有 电机类型提供控制技术，为l f 2 4 0 7 在工业自动化控制方面的应用奠定了基础。另 外，l f 2 4 0 7 还具有8 级硬件堆栈和中断处理系统，用于仿真与测试的片上扫描电 路( i e e e 标准1 1 4 9 1 ) 等。 本文设计中用到了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的部分结构，将分别在下面几节中介绍。 3 3t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 的数据存储器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数据存储器的最大寻址范围6 4 k 字，又分为局部数据存储器和 全局数据存储器。其中，局部数据存储器用以保存指令中使用的数据，而全局数 据存储器是附加的数据空间或用来保存与其它处理器共用的数据。两者都在这6 4 k 字范围内，但局部数据存储器从低端地址开始，最多可达6 4 k 字，地址为 0 0 0 0 h f f f f h ，而全局数据存储器占用局部数据存储器的高端地址，数量可为 2 5 6 3 2 k 字，最多可达3 2 k 字，地址可取8 0 0 0 h f f f f h 中的全部或一部分。 局部数据存储器分为片内和片外数据存储器两种。 片内局部数据存储器包括片内d a r a m ( 双口r a m ) b o 、b 1 和b 2 ，它可用作片内 的程序数据存储器。片内的3 个d a r a m 分布在地址0 0 6 0 h 0 7 f f h 之间，其中，块 b 0 有2 5 6 个字，可设置为数据存储器或程序存储器。块b l 有2 5 6 个字，只能用作 数据存储器。块b 2 是一个高速的3 2 个字的暂存r a m 块，它支持双存取操作，并 可用任何数据存储器的寻址方式来寻址，它为那些没有分段的内部# f 部的r a m 块 提供了可变存储空间。 片外局部数据存储器可采用高速r a m 芯片，通过与l f 2 4 0 7 的接口来实现。如 果采用低速r a m 芯片，则必须考虑与l f 2 4 7 的速度匹配问题，需要使用r e a d y 信 号、片外延迟电路或片内等待状态产生器来建立等待状态。 山东大学硕士学位论文 图3 2 事件管理器结构框图 3 4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的事件管理器