（机械设计及理论专业论文）基于频域分析和神经网络的负载识别及dsp实现研究.pdf

摘要 摘要 供用电智能管理系统是用电管理现代化发展的必然选择。近年来，随着电 力电子技术的飞速发展，引发了供用电管理系统的智能化和网络化，负载识别 对供用电管理系统有重要的现实意义。 随着神经网络理论和d s p 硬件技术的发展，用快速傅立叶变换和神经网络 理论实现各类负载的自动识别已成为可能。为快速识别和区分混合负载、冲击 性整流负载、电磁兼容性负载、非线性负载等，将快速傅立叶变换的结果作为 神经网络的输入，建立和训l 练神经网络，进行负载识别。计算机模型模拟成功 后，结合d s p 硬件编制软件程序，在d s p 中运行，完成负载识别。 集群式用电管理系统具有广阔的推广性和实用性。 关键词：智能用电，傅立叶变换，神经网络，d s p a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ts y s t e mo fc e n t r a l i z e dp o w e ru t i l i z a t i o ni st h en e c e s s a r y c h o i c eo ft h ed e v e l o p m e n to f p o w e ru i t i l i z a t i o nm a n a g e m e n t t h ef a s td e v e l o p m e n t o ft h ee l e c t r i c p o w e re l e c t r o n e d u c e st h e i n t e l l i g e t i z a t i o n a n d n e t w o r ko ft h e i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ，a n dt h el o a dt y o er e c o g n i z a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt o i t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e u r a ln e t w o r kt h e o r ya n dt h et e c h n o l o g yo f d s ph a r d w a r e ，i ti sp r o b a b i l i t yt or e c o g n i z et h el o a dt y p ea u t o m a t i c l yw i t ht h ef a s t f o u r i e rt r a n s f o r ma n dt h en e u r a ln e t w o r k t h e o r y i no r d e rt or e c o g n i z et h el o a dt y p e s u c ha sc o m m i x e dl o a d ，i m p u l s e dc o m m u t el o a da n dn o n l i n e a rl o a dt y p e ，t h er e s u l t o ft h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r mi st a k e da st h ei n p u to ft h en e u r a ln e t w o r k ，b u i l da n d t r a i nt h en e u r a ln e t w o r kt or e c o g n i z et h el o a dt y p e a f t e rt h em o d e li nt h ec o m p u t e r s i m u l a t es u c c e s s f u l l y , cp r o g r a mi sw o r k o u t e dc o m b i n e dw i t ht h eh a r d w a r eo fd s p c h i p ，t h e ni st u n e d t oc o m p l e t et h el o a dt y p e r e c o g n i z a t i o n i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ts y s t e mo fp o w e r u t i l i z a t i o nh a se s t e n s i v ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tp o w e ru t i l i z a t i o n ，f o u r i e rt r a n s f o r m ，n e u r a ln e t w o r k ，d s p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导帅指导i - 进行的研究t 作 及取得的研究成果。尽我所知，除了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1 i 包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我。同工作的同志埘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。 签名：一日期： 关于论文使用授权的说明 本人完令了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：f _ j f 期： 第一章引言 1 1 研究的意义 第一章引言 供用电智能管理系统是用电管理现代化发展的必然选择，近年来，随着电 力电子技术的b 速发展，e | j 电负载出现了许多革命性的变化，出现了许多前所 未有的新型负载，带来了许多供用电的新问题，供电与用电之间的矛盾日益突 出，传统的用电管理系统远远不能满足供用电管理现代化的要求，建赢供用电 智能管理系统，是用电管理现代化的迫切需要。 现代负载的出现对传统的供用电管理系统提出了新的研究课题。现代负载 是与原有的传统负载相比较而提出的。众所周知，传统用电负载虽然多种多样， 但就其负载性质而言，归纳起来，不外乎两种，一种是电阻忭负载，它只产生 有功电流；第二种是电感性负载，它即能产生有功电流，还产生无功电流。但 近年来，随着电力电子技术的飞速发展和科学技术的进步，出现了许多与上述 负载不一样的负载，我们通称为现代负载，主要有以下几种： ( 1 ) 非线性负载非线性负载是指负载阻抗值是非线性的。包括：不可控 整流电路负载：可控整流电路负载；开关电源电路负载；不问断电源负载；饱 和电抗器等。 f 2 ) 电磁兼容性负载有些电力电子设备的用电负载会发出严重的电磁干 扰波，这类负载称为电磁兼容性负载。如雷达类负载，电磁干扰类负载等。 ( 3 ) 自动化供电负载由于现代信息技术的发展，计算机及智能控制管理系 统的大量采用，对供电可靠性非常重视，绝不允许供电有任何停供状态，电源 必须自动切换，以确保供电。这类需求负载，就是自动化供电负载。对供用电 管理系统提出了新的要求。 ( 4 1 电容性负载由于科学技术的进步和发展，使大容量高压电容器实现了 _ t ：业化生，“。过去用电抗器滤波的整流、变流设备，现已改为电容器滤波，使 装备体积大大缩小，重量大大减轻，这样就出现了电容性负载问题。 对负载类型进行识别是用电智能管理系统的重要组成部分。随着电子技术、 通信技术、计算机网络技术的发展，人们已研制出全电子式智能计量系统【2 。j ， 第一章引言 在计量方式上采用远程计算机信息管理网络，基本实现了计量的网络化和自动 化。但是以往的研究都没有涉及负载类型识别问题，因此，研究负载识别，有 助于填补这一空白。 本课题属于河北省科技厅科研项目，项日名称为：多用户智能供电计算机 测控联网信息系统；项目编号为：0 3 2 1 3 5 1 0 3 。 1 2 国内外研究动态 目前，国内外研究负载模式识别的人较少。毛吉军提出了基于内容的负载 均衡方法1 8 】，陈建章和严仰光1 9 j 提出了利用微处理器通过软件进行快速逆变换器 负载性质判别与负载参数估算的方法，从而实现对无差拍控制逆变换器的输出 进行精确控制。郭刚运用模糊识别的原理对基于操作者经验的阀控缸系统的负 栽阻力识别进行了研究1 1o j 。魏武【l l j 对智能交通系统中的图像处理、模式识别和 智能控制技术等关键技术进行了深入的研究并将这些技术融合到车牌识别、车 道检测和跟踪、车型识别系统的具体研究中。彭志科2 l 用小波尺度谱和相位谱 划一些典型的旋转机械故障振动信号进行了分析研究，他们的研究为负载识别 提高了一种思路。c h e n , c s 和h w a n g ，j c 等| 1 j 研究了利用负载测量系统进行用 j 、负载识别的方法，介绍了如何运用采样理论进行采样，还考虑了周围环境对 测试结果的影响。他们的研究对简单负载参数进行了估算，但是，这些工作没 自实现自动化，凼此工作量大、效率低，不适合实时控制的需要。 为更好地满足计算及判别的自动化，应用了波形识别的概念，蒋国旗，廖 师戈【“】研究了电能质量扰动波形的识别。王立德、郭其一u5 l 讨论了对波形的瞬 时值进行采样并与相应的特征值进行对比，以判断设备的工作情况，对整个波 形的特征并未加以利用。上海交大电力系的郁惟镛，胡炎等u6 j 利用人工神经网 络的波形识别功能解决了自适应重合闸中的永久性故障和瞬时性故障的判别问 题。王俊，张守宏【1 7 埽4 用窗函数对检测波形处理后经短时傅立叶变换或小波变 换获得特征值由此建立二维时频域空间，利用子空间投影方法进行波形分析。 但此方法中需要最优选择二维窗函数的参数，不便于波形的自动、快速分析。 马皓，徐德鸿【1 8 j 利用波形的瞬时值和频谱分析与电路的工作状态建立联系，然 后用神经网络记忆这种映射关系，并通过应用进行了对比认为频谱分析比波形 瞬时值更适合在电力电子电路检测中应用。但它所能检测的故障类别比较少， 2 第一章目l 言 阻碍了此力+ 法在负载类型识别中的应用。徐效文，付有余和郭劲设计了基于 d s p 的单脉冲瞬态波形采集与识别系统在d s p 巾利用f f t 实现了波形的识别。 姜新华、会玮和范征宇【2 0 】利用d s p 按照傅立叶变换、小波分析等算法分析了测 试信号的特征，并经过比对确定系统t 作状态，但没有建立系统自动比对方法。 苇延军，范蟠果和王磊【2 l 】根据波形自动分析的需要，将典型波形进行傅市叶变 换，所得数据形成波形模式，继而形成典型波形窄问。然后利用空间模式识别 方法，把测试波形模式与典型波形空间中的模式进行比较，按离差度给出测试 波形与典型波形的匹配程度，从而确定测试波形类型，但当测试波形发生畸变 时，权值矢量比较难选择，并且由于典型波形模式的限制，此方法的泛化能力 较差。 神经网络模型是人类神经系统功能的某种简化、抽象和模拟，是一种更接 近于人的认知过程的计算模型。由卡其具有犬规模并行处理，以及它所具有的 高度容错性、自组织、自适应和自学习和非线性特性，引起人们的极大关注i ”1 。 它是在现代神经生物学研究基础上提出模拟生物过程以及反映人脑某些特性的 计算结构。它不是人脑神经系统的真实描写，而只是它的某种抽象、简化和模 拟。神经网络的研究可追溯到1 9 世纪末期，其发展历史可分为四个时期。第一 个时期为启蒙时期，丌始于1 8 9 0 年美国著名心理学家w j a m e s 关于人脑结构与 功能的研究，结束于1 9 6 9 年m i n s k y 和p a p e r t 发表 - - 书。第二个 h 寸期为低潮时期，开始于1 9 6 9 年，结束于1 9 8 2 年h o p f i e l d 发表著名文章“神 经网络和物理系统”m e u r a ln e t w o r ka n dp h y s i c a ls y s t e m ) 。第三个时期为复兴 时期，丌始于j j h o p f i e l d 的突破性论文，结束于1 9 8 6 年d e r u m e l h a r t 和 j l m c c l e l l a n d 领导的研究小组发表的 ( p a r a l l e ld i s t r b u t e d p r o c e s s i n g ) - - - 书。第四个时期为高潮时期，以1 9 8 7 年首届国际人工神经网络学 生会议为开端，迅速在全世界范围内掀起人工神经网络的研究应用热潮，至今 势头不衰。 随着人工神经网络( a n n ) 研究的不断深入，其应用范围也曰益扩大。神经网 络所具有的信息分布式储存、大规模自适应并行处理和高度的容错性等特点， 足用于模式识别的基础【2 3 。特别是其学习能力和容错性对不确定性模式识别具 有独到之处。目前，神经网络已在手写体数字、仿真输出数据分布、通信信号、 味觉信号、语音、汉字识别系统的研究中取得了成功1 2 4 。j 。可用于模式识别与 分类的神经网络主要包括：b p 网，r b f 网，a r t 网，高阶神经网，模糊神经网， 第一章引奇 h o p f i e l d 网等。其t t - b p 网长期以来一直是神经网络分类器中的热点，由于它理 论发展成熟，网络结构清晰，目前采用b p 算法的多层感知器已经成功的应用十 诸多场合，在模式识别方面的效果尤为突出【3 0 1 。特别是2 0 世纪8 0 年代以来， 神经网络和控制技术相结合，发展成为自动控制领域的一个前沿学科神经 网络控制。它是智能控制的个重要分支，为解决复杂的非线彤、不确定知系 统的控制问题丌辟了一条新的途径。本文将就神经网络在学生公寓的用电控制 方面的应用进行研究。 在本世纪六十年代以前，对信号的处理绝大多数情况是用模拟方法实现的， 但直到六1 。年代，用数字方法进行信号处理才得到更快地发展。数字信号往产 生、处理、存储和传输方面具有模拟信号无法比拟的优点，数字信号处理技术 迅速发展的原因在技术性能的优越，它具有高度的稳定性( 抗干扰能力强) 和高度 的灵活性( 系统的性能容易根据需要随意调整) ，数字化是电子系统发展的方向。 数字信号处理是利用计算机或专用设备，以数字形式对信号进行采集、变换、 滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。自 然界中的模拟信号( 如声音、图像) 通过采样成为一组用数字表示的序列即数字信 号。数字信号处理就是对这样的数字信号进行分析、处理，它侧重于理论分析、 算法确定及软件实现，如快速傅立, t l + f | 变换、卷积、数字滤波等。要实现这些算 法，特别是要实时地完成某种算法，就需要有特殊的硬件支持。虽然数字信号 处理理论发展迅速，但d s p 芯片出现以l i ，由于没有高效的硬件支持，数字信 号处理的理论在实践中还得不到广泛的应用。 自从在2 0 世纪7 0 年代术科技人员开发出了这种基于超大规模集成电路和 计算机技术的数字信号处理器一- - d s p 芯片以来，d s p 技术得到了飞速的发展， 它是微电子学、数字信号处理、计算机技术这3 门学科综合研究的成果，在信 号处理、通信等许多领域得到广泛的应用。d s p 芯片采用程序总线和数据总线 分别独立并具有多条总线的哈佛结构，流水线操作功能、单周期完成乘法的硬 件乘法器、多处理单元和特殊的d s p 指令。所有这些都为数据的采集、高速度 的处理以及实时控制提供了硬件和软件支持。历经了3 0 多年的耕耘，已经形成 了一门独立的学科，近年来，d s p 的最新发展，主要是d s p 芯片的研制及其大 规模的丌发应用h ”。 d s p 芯片按用途可以分为通用型和专用型两大类。通用型d s p 芯片是种 软件可编程的芯片，可适用与各种d s p 应用，专用型d s p 芯片则将d s p 处理 4 一 第章引言 的算法集成到芯片内部。一般适用于某些专用的场合；按基础特性可分为静态 和动态d s p 芯片，静态d s p 芯片是指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：按数据格式 分训分为定点和浮点d s p 芯片。 d s p 应用系统有其特有的优点：首先是接口方便，d s p 应用系统与其他以 数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，它与这样的系统接口以实现某 种功能要比模拟系统与这些系统的接口要容易的多；编程方便，d s p 应用系统 中的可编程芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升 级；稳定性好，d s p 应用系统以数字处理为基础，受环境以及噪卢的影响较小， 可靠性高；精度高，1 6 位数字系统可以达到】0 。级的精度；可重复性好，模拟 系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大，而数字系统基本不受影响， 因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。集成方便，d s p 应用系统中的数 字部件有高度的规范性，便于大规模集成。当然，d s p 应用系统也存在些缺 点。例女i | ，对于简单的信号处理任务( 如与模拟电话线的接口) ，若采用d s p 则 使系统成本增加。d s p 系统中的高速时钟可能带来高频1 二扰和电磁泄漏等问题， 而且d s p 系统的功耗也较火。此外d s p 技术更新的速度快，开发和调试手段还 有待于进一步完善。 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节，选择芯片应根 据实际情况和系统需要面定，般应考虑的因素有：芯片的运算速度、价格、 硬件资源、运算精度、开发t 具、功耗和其他冈素，一个典型的d s p 应用系统 模型如图1 1 所示： 输入 + 抗 d s p 混叠 a ，d 芯片 d a 滤波 图卜1 典型的d s p 应用系统 平滑 滤波 第一章引高 1 3 研究的主要内容 本研究课题主要在以下几个方面展开工作： ( 1 ) 基于f f t 的负载识别 根据采样定律选择采样点的个数并采集各种负载类型用电时的参数。在频 域卜埘负载的波形进行傅立叶变换，获取不同负载波形各频率的幅值和相位，得 出一般负载的波形和幅频特征。研究计算机负载的幅频特征，计算出负载中所 含计算机负载的功率值，做为负载识别的依据。编制f f t 负载识别的c 程序， 在v c 中进行算法模拟，结果可靠后，编制d s p 程序，在d s p 板上实现。 ( 2 ) 基于神经嘲络的负载识别 第一种方法是电流信号f f t 变换后的特定频率的幅值作为b p 神经网络的输 入参数，用m a t l a b 进行仿真。根据仿真结果没计权值阈值固定的b p 神经网络 分类器。再用c 语言编程在v c 环境下f f t 特征提取和神经网络负载的识别。 分析识别结果，结果可靠后，编制d s p 程序，在d s p 板上实现。 第二种方法是将电流信号、电压信号f f t 变换后的特定频率的幅值作为神 经1 ) 【) 4 络的输入参数，直接用c 进行神经网络在线训练和仿真识别。因为c 语言 便于在d s p 中运行，为系统升级换代和出现新的需要识别的负载类型打下基础。 ( 3 ) d s p 实现研究 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 进行d s p 硬件设计，将在v c 中仿真实验t f 确的算法 程序转化为l f 2 4 0 7 的c 程序在试验板上运行，实现负载识别。 本文共分六章，第一章是引言。介绍研究的意义，国内外研究动态和本论 文研究的主要内容。 第：章是关于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的基本介绍。分内部结构、存储器和i o 空间、硬件资源、软件编程等几个方面进行介绍。 第三章是关于基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 集群式学生公寓用电智能管理系统的介 绍。重点介绍了系统的组成、系统的功能、主控板的设计、输入接口板、输出 接口板、液晶显示、上位机与f 位机的通讯等几个方面。 第四章是关于傅立口t - 变换负载识别方法的讨论。介绍傅立叶变换的基本理 论，利用傅立叶变换实现计算机功率识别的原理，如何在v c 和d s p 中实现f f t 负载识别，并给出算法程序。 第五章是基于神经网络的负载识别。介绍b p 神经网络基础知识、神经网络 第章引言 进行负载识别算法的c 语言实现和d s p 实现。 第六章总括全文。 1 4 采取的措施及实现方法 集群式用电智能管理系统以上位机( p c ) 为主机，下位柑l ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 为 从机，扩展两片片外存储器6 4 1 6 ，日历时钟芯片选用p c f 8 5 8 3 ，利用r s 2 3 2 总 线进行通讯。 算法主要采用傅立叶变换和b p 神经网络。 软件编程时采用c 和汇编混合编程。在用c 语言开发d s p 应用程序时，可 能会遇到一些对实时性要求较高或需要对d s p 底层资源进行操作的场合。这时 用c 语言编写相应的代码就会给开发带来一定的困难，甚至某些操作c 语言根 本无法实现。在很多情况i - ，d s p 应用程序往往需要用c 语占和汇编语言混合 编程方法来实现，以达到最佳利用d s p 芯片的日的。 7 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片结构 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片特点及结构 d s p 芯片，即数字信号处理器芯片，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的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信 号处理算法。根据数字信号处理的要求，d s p 芯片般具有如下特点：在一个 指令周期内可完成一次乘法和一次加法；程序和数据空间分丌，可以同时访问 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；具有低开销和无升销循环及跳转的硬件支持；快速的中断处理和硬件i 0 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，使取值、译码和执行等操作可以并行执行。 随着集成电路技术的发展和巨大应用市场的刺激，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。目前，d s p 芯片在信号处理、 通信、语音、图像图形、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等方面 得到了广泛的应用。随着d s p 芯片的性能价格比的不断提高，d s p 芯片将会在 更多的领域内得到更为广泛的应用。 为了快速的实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结 构。t m s 3 2 0 系列d s p 芯片基本结构包括： ( 1 ) 哈佛结构。哈佛结构是不同于传统的冯诺依曼( v o nn e u m a n n ) 结构的 并行体系结构，其主要的特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程 序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立 访问。与之对应系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞 吐量提高了一倍。 ( 2 1 流水线。与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令的执行 时间，从而增强了处理器的处理能力。 ( 3 ) 专用的硬件乘法器。在一般的数字信号处理中，乘法是主要的运算组成 部分，乘法速度越快，d s p 的处理器的性能越高。通用处理器是靠系列加法 来实现乘法运算，而d s p 芯片则采用专用的硬件乘法器，使运算速度大大提高。 f 4 1 特殊的d s p 指令。d s p 芯片的另一个特征使采用特殊的指令。进一步 加快d s p 的运算速度。 8 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片结构 2 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的特点 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x d s p 是t t 公司新一代定点数字信号处理器产品，具有t m s 3 2 0 系列的基本功能，还具有如下特点： ( 1 ) 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； f 2 13 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短道3 3 n s ( 3 0 m h z ) ； ( 3 ) 与t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核兼容，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 核t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。从而保证了控制器的实时控制能力； ( 4 ) 片内高达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 字的双口r a m ( d a r a m ) 12 k 字的单口r a m ( s a r a m ) ；可扩展的外部存 储器总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字的数据存储器空问；6 4 k 字i o 寻址空间； ( 5 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位的通用定时器， 8 个1 6 位的脉宽调* j l j ( p v m ) 通道； ( 6 ) 看门狗定时器模块( w d t ) ； ( 7 ) 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a d 转换器： ( 8 ) 控制器局域网络( c a n ) 模块； f 9 ) 串行通信接r ： s c i 模块；1 6 位串行外设( s p i ) 模块；基于锁相环的时钟 发生器： ( 1 0 ) 高达4 0 个可单独编程或复用输入输出引脚( g p i o ) ； f 1 1 15 个外部中断处理； ( 1 2 ) 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。 所有这些特点可以满足高速采样处理等众多领域的实时处理的要求。 2 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的结构 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 的硬件结构围绕6 条总线由1 0 大部分组成，包括中央 处理器c p u 、内部总线控制、特殊功能寄存器、数据存储器r a m 、程序存储器 r o m 、i o 口扩展功能、s c i 、s p i 、定时器、中断系统等。图2 1 给出了 9 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片结构 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的结构框图。 d a d a t a r a mb o o t r o mp r o g r a m e v e n tm a n a g e ra e v e n tm a n a g e rb 2 5 kw o r d s2 5 6w o r d s f l a s h2t i m e r s l 2t i m e r si 3 2 kw o r d s 5c o m p a r e s 5 c o m p ”e s 毒上上 8 p v m o u t p u t s8p v m 0 u t p u t s d e a db a n dd e a db a n d 1 s m m ，d a t “，oe u s e s 3 1 n o u tc a o u t r e3 i n o u tc a o u t r e c 2 x d s p c o r e2 q e p c h a n n e l s i 2q e p c h a n n e l s 1 6 - b i tb a r r e i | 1 6 b i tr 昭l s t 亡【l s h i f t e r ( l ) l1 6 m u 【t i d i yl 1 3 2 b i tr e 2 i s t e r l 勺 乌 叫w dt i m e r s ls h i f t e r1 与 手 3 2 - b i ta l u ； 一 c a n 口 3 2 b i ta c c u m u l a t o r爱 ，l s c i s h i f t e rl 1 7 l 2s t a t u sr e g i s t e r s - js p l 8a u x i l i a r yr e g i s t e r a ，dc o n v e r t e r 8 - l e v e lh a r d w a r es t a c k l ob i t 1 6c h a n n e i r e p e a tc o u n t 图2 - 1 t g s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 方框图 2 2 1总线结构 l f 2 4 0 7 的内部结构是嗣绕6 条1 6 位的总线建立的， 6 条总线分别是： n 1 程序地址总线p a b ：为程序存储器提供读笃地址。 ( 2 ) 数据读地址总线d r a b ：为数据存储器提供读地址。 ( 3 1 数据写地址总线d w a b ：为数据存储器提供写地址。 f 4 1 程序读总线p r d b ：从程序存储器传输指令代码、立即数和表格信息到 c p u 。 ( 5 1 数据读总线d r d b ：从数据存储器传输数据到中央算术逻辑元c a l u 和 辅助寄存器算术单元。 1 0 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片结构 ( 6 ) 数据写总线d w e b 传输程序存储器和数据存储器的地址。 由于数据的读写由两条独立的总线执行，凼此，c p u 的读写可在同一周期 内进行。 22 2 中央处理单元 l f 2 4 0 7 c p u 包含：3 2 位中央算术逻辑单j i ( c a l u ) 、3 2 位累加器、用于c a l u 的输入输出数据定标移位器、1 6 位x1 6 位的乘法器、程序地址产生逻辑和数据 地址产牛单元( 辅助寄存器算术单元a r a u ) 。 223 存储器和i o 空间 l f 2 4 0 7 d s p 的设计基于增强的哈佛结构，它可以通过三组并行的总线访问 多个存储器。它们分别是：程序地址总线( p a b ) 、数据读地址总线( d r a b ) 和数据 写地址总线( d w a b ) 。其中的任意一组可访问不同的程序空间，以实现不同的器 件操作。由于总线工作是独立的，所以可以同时访问程序和数据空间。在一个 给定的机器周期内，c a l u 可以执行多达3 次的并行存储器操作。 l f 2 4 0 7 d s p 的地址映象被组织为3 个可独立选择的空间：程序存储器( 6 4 k 字) ；数据存储器( 6 4 k 字) ；输入输出( i o ) 空间( 6 4 k 字) 。这些空间提供了共1 9 2 k 字的地址范围。 2 2 3 1 片内存储器 l f 2 4 0 7 d s p 有5 4 4 1 6 位字的片上d a r a m ，在一个机器周期内可以访问两 次存储空间。5 4 4 字被分为三块：b o 、b l 和b 2 。该存储空间主要用来保存数据， 但是在b o 块可以保存程序。b 0 块配置成数据存储空间还是程序存储空间，要 根据c n f 位来判断决定。在流水线操作中，c p u 可以在第三周期读数据，在第 四个周期写数据。无论如何，d a r a m 允许c p u 在一个周期内读写数据。 l f 2 4 0 7 d s p 有高达2 k 的1 6 位字单口r a m ( s a r a m ) 。与单端口相关的地 址可以配置成数据存储空问或程序存储空问，可以通过软件配置为外部存储器 或内部s a r a m 。当配置为外部存储器，那么，这些地址可以用于片外的程序存 储器。c p u 在一个时钟周期内只能访问s a r a m 饮。当c p u 请求多次访问时， s a r a m 将会提供一个没有准备好的条件给c p u ，然后c p u 在每个时钟周期内 访问一次s a r a m 。例如，如果一条指令要累加器的值保存，并且装载一个新值 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片结构 到累力器，在s a r a m 中完成这个任务需要两个时钟周期，而在d a r a m 中需 要一个时钟周期。 片内的f l a s h 存储器映射到程序存储空阳j 。对于没有外部存储器接口的器 件，f l a s h 存储器在器件中总是处于使能状态。雨对于有外部存储器接口的器 什，如l f 2 4 0 7 ，m p m c 引脚决定访问片上的程序存储器( f l a s h ) ：还是访问片外 的程序存储器。f l a s h 模块用来提供永久的程序空间。f l a s h 可以被编程或者 使用电擦除的方法多次使用，以便允许进行代码的编程丌发。f l a s h 运行在3 3 v 电压模式：编程需要在v c c p 上有5 v 电压供应：由c p u 来实现的。f l a s h 控 制方式寄存器映射到内部i o 空间f f o f h 。该寄存器是个伪寄存器地址，可以 在f l a s h 阵列方式下使能f l a s h 。f l a s h 控制寄存器可以用来对f l a s h 阵 列编程。 2232 程序存储器 程序存储器空间用于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 ，包括片内的d a r a m 和片内的f l a s h 。当一个片外程序 地址需要访问时，d s p 会自动产生个相应的访问外部程序地址空间的信号。 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，决定双端口r a m ( d a r a m ) 是在片内还是片外。若c n f = 0 ，2 5 6 字长的b 0 块被映射为片外程序空间；c n f = 1 ， 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 0 块被映射为数据空 l 司。 ( 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 还是从外部存储器 读入。m p m c = 0 ，器件被配置为微控制器方式。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。对于l f 2 4 0 7 芯片，此时访问片内 程序地址0 0 0 0 f 一7 f f f h ；m p m c = i ，器件被配置为微处理器方式。器件从片外 程序存储器中读取复位向量。此时访问片内程序地址0 0 0 0 f 7 f f f h ；无论m p m c 为何值，l f 2 4 0 7 d s p 都从程序存储器的0 0 0 0 h 单元读取复位向量。 2 2 3 3 数据存储器 l f 2 4 0 7 数据存储器空间的寻址范同高达6 4 k 的1 6 位字，3 2 k 字的内部存 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 和外设存 储器。另外3 2 k 字( 8 0 0 0 h f f f f h ) 的存储器为外部数据存储器。 1 2 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片结构 每个器件都有3 个片内d a r a m 块：b 0 、b 1 和b 2 块。b 0 块配置成数据存 储空间还是程序存储空间，要根据c n f 位的值来判断。b 1 和b 2 块只能配置为 数据存储器。 数据存储器可以采用两种寻址方式：直接寻址和间接寻址。当使用直接寻 址时，按1 2 8 字( 称为数据页) 的数据块对数据存储器进行寻址。全部6 4 k 的数据 存储器包含了5 1 2 个数据页，其标号从0 到5 1 1 。当前页由寄存器s t 0 中的9 位数据页指针( d p ) 的值来确定。因此，当使用直接寻址指令时，用户必须事先指 定数据页，并在访问数据存储器的指令中指定偏置量。 223 4i 0 空间 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的i o 空间存储器可寻址6 4 k 的1 6 位字，i o 空间访问有 程序和数据存储器访问两种，可以由i s 信号的高低来区分。所有6 4 k 的i o 字 p r o g r a md a 诅 i o = 焉= = i i 0 0 0 0 广一 0 0 0 0 广一 图2 - 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 存储器映射图 一1 3 一 黼一 眦裟一 卯印丌鲫阡阡吣阡阡盯阡；#哪m洲 卧岫瓣躲躲躲鼢潞躲瓣需锶蕊 器l|嚣淼篡ll篙一 第章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片结构 的空间均町用i n 和o u t 指令访问。当执行i n 和o u t 指令时，信号l s 将变成 有效，因此可用信号l s 作为外围i o 设备的片选信号。访问外部并行的i o 端 口i j 访问程序、数据存储器复用相同的地址和数据总线。数据总线的宽度为】6 位，若使用8 位外设，既可使用高8 位或低8 位数据总线，以适应特定的需要。 当访问片内的i o 空间时，信号i s 和s t r b 变成无效，也就说这两个信号驱动 到高电平状态1 3 2 1 。外部地址和数据总线仅仅当访问外部i o 存储器地址时有效。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的存储器映射如图2 - 2 所示。 22 4 程序控制 程序控制执行一个或多个指令块的次序调动。通常程序是顺序执行的，器 件执行这些连续程序存储器地址处的指令。c p u 的程序控制器可对指令进行解 释，对管理流水线操作、存储器操作状态，以及条件操作作出解释。程序控制 涉及程序计数器、状态寄存器、堆栈和地址产生逻辑。用于程序控制的软件机 制包括转移、调用、条件、重复、复位和中断。 2 25 片上外围 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 系列的片上外围资源主要包括：时钟发生器、c l k 寄存器、 定时器、等待状态发生电路、通用目的输入输出引脚、同步串行口、异步串行 口等。 2 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 软件开发 2 3 1 基于c 语言的d s p 芯片开发 d s p 芯片的开发包括硬件开发和软件开发两个方面。就软件升发而言，用 d s p 占片的汇编语言写程序是一件比较繁杂的事情。开发周期较长，修改、升 级非常困难。基于上述原冈，各个d s p 芯片公司都相继推出了相应的高级语言 编译器，使得可以直接用高级语言编写d s p 软件，从而使开发速度大大提高， 同时，也增强了程序的修改、移植和维护。对于系统的改进和升级换代也带来 了极人的便利。 1 4 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片结构 t m s 3 2 0 定点系列c 编译器是一个功能齐全的优化编译器。它的主要功能足把标 准的a n s ic 语言转换成d s p 芯片能够识别执行的汇编语言代码。c 编译器刑c 语言程序编译后生成6 个可以重定位的代码和数据块。这些块可以以小同的方 式分配至存储器以符合不同系统配置的需要。这6 个块可分为两种类型，一是 已初始块，二足末初始化块。 已初始化块主要包括数据表和可执行代码。共创建3 个已初始化块： f 1 ) t e x t 块一包含可执行代码和字符串。 f 2 1 ，c i n i t 块一一包含初始化变量和常数表。 f 3 ) c o n s 块一字符串利s w i t c h 表。在大存储器模式下，该块也包含常数 表。 末初始化块用于保留存储器空间，程序利用这些空问在运行时创建和存储 变量。创建3 个未初始化块： f 4 ) b s s 块一保留全局和静态变量空间。在小模式中，也为常数表保留空 间。 ( 5 1 s t a c k 一一为系统堆栈分配存储器。这个存储器用于将变量传递至函数 以及分配局部变量。 f 6 ) s y s m e m 块一一为动态存储器函数m s l l o c 、c a l l o c 分配存储器空间。 2 32 基于c 和汇编混合编程的d s p 芯片开发 在用c 语占丌发d s p 应用程序时，可能会遇到一些对实时性要求较高或需 要对d s p 底层资源进行操作的场合。这时用c 语言编写相应的代码就会给开发 带来定的困难，甚至某些操作c 语言根本无法实现。c 编译器优化功能可以 使c 代码的效率大大增加，但是在某些情况下，c 代码的效率还是无法和汇编 代码的效率相比，因此，在很多情况下，d s p 应用程序往往需要用c 语言和汇 编语言混合编程方法来实现，以达到最佳利用d s p 芯片的目的。用c 语言和汇 编语言的混合编程方法主要有三种： f 1 1 独立编写c 程序和汇编程序，分开编译或汇编，形成各自的目标代码 模块，然后利用链接器将c 模块和汇编模块链接起来。 但) 直接在c 语言程序的相应位置嵌入汇编语句。 f 3 1 对c 程序进行编译，生成相应的汇编程序，然后对汇编程序进行手工 优化和修改。 1 5 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片结构 2 3 2 1 c 程序调用汇编语言模块 c 程序调用子程序( 包括汇编子程序) 时，t 调c 函数要向子程序传递参 数、子稗序要向丰调函数返回值以及访问c 的变量。这些操作必须遵循下面的 约定： ( 1 ) 寄存器约定 编译器创建和使用自己的软堆栈来传递参数给子函数、存储主调函数返叫 地址、分配局部变量卒问即局部帧( 自动) 。当函数需要局部变量存储时，它在 堆栈中创建自己的工作空间一一局部帧；进入予函数时分配，退出子函数时撤 销。通过堆栈指针( s p ) 、帧指针( f p ) 和局部变量指针( l v p ) 三个寄存器管 理堆栈和局部变量。 寄存器a r l 作为堆栈指针，堆栈为向上增长，s p 指向堆栈下一个有效字。 寄存器a r 0 作为帧指针f p ，f p 指向当前函数的局部帧起始地址，f p 指向的局 部帧第一个字作为暂存位置来实现寄存器一寄存器传递和创建可重入c 函数是 非常必要的。寄存器a r 2 作为局部变量指针i p ，通过l v p 间接访问所有存储 在局部帧内的局部变量。 在不使用