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智能机电控制基础 第四章 第四章数字处理技术 数字处理器是智能机电控制的核心环节 数字处理单元担负着几乎所有 智能 的任务 所以数字处理单元的性能也决定了整个智能系统的性能 对整个智能机电控制系统来说 选择合适的数字处理平台是合理完成智能任务的重要环节 本章介绍了目前主流的数字处理单元 包括有IPC ARM处理器 PLC和DSP处理器 MSP430单片机 8051单片机等嵌入式平台 介绍了这些平台的功能特点 技术参数 选型注意事项和发展趋势等 第四章数字处理技术 4 1工业控制计算机4 2PLC控制系统4 3ARM嵌入式控制器4 4DSP数字处理技术4 5MSP430单片机技术4 6MS 51单片机技术4 7其他嵌入式平台 4 1工业控制计算机 工控机即工业控制计算机 但现在 更时髦的叫法是产业电脑或工业电脑 英文简称IPC 全称IndustrialPersonalComputer 工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机 4 1工业控制计算机 4 1 1工控机概述4 1 2工控机的特点4 1 3工控机的发展历程与趋势4 1 4工控机的配置举例 4 1 1工控机概述 工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机 而工业现场一般具有强烈的震动 灰尘特别多 另有很高的电磁场力干扰等特点 且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息 因此 工控机与普通计算机相比 硬件上一般具有以下特征 1 机箱采用钢结构 有较高的防磁 防尘 防冲击的能力 2 机箱内有专用底板 底板上有PCI和ISA等总线插槽 3 机箱内有专门电源 电源有较强的抗干扰能力 4 要求具有连续长时间工作能力 4 1 2工控机的特点 1 具有较完善的过程通道 便于各种形式的信息变换 并完成检测数据输入和控制信息输出 2 要有比较完善的中断系统和高速数据通道 以使其能迅速响应生产过程发出的中断请求 并能与生产过程实时交换信息 3 具有高可靠性 4 具有人机联系功能 以便实现人机对话 及时地对生产过程进行必要的干预 5 具有能正确反映生产规律的数学模型 6 具有适于控制用的软件系统 4 1 3工控机的发展历程与趋势 回顾历史 中国工控机技术的发展经历了80年代的第一代STD总线工控机 90年代的第二代IPC工控机 现在进入了第三代CompactPCI总线工控机时期 而每个时期大约要持续15年左右的时间 STD总线工控机解决了当时工控机的有无问题 IPC工控机解决了低成本和PC兼容性问题 CompactPCI总线工控机解决的是可靠性和可维护性问题 作为新一代工控机技术 CompactPCI总线工控机将不可阻挡地占据生产过程的自动化层 IPC将逐渐由生产过程自动化层向管理信息化层移动 而STD总线工控机必将退出历史舞台 这是技术发展的必然结果 同时 新一代工控机技术也是下一代网络 NGN 技术设备的基础 因此 覆盖CompactPCI总线 PXI总线以及AdvancedTCA技术的新一代工控机技术具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景 1 概述 工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心 传统意义上 将用于工业生产过程的测量 控制和管理的计算机统称为工业控制计算机 包括计算机和过程输入 输出通道两部分 但今天的工业控制计算机的内涵已经远不止这些 其应用范围也已经远远超出工业过程控制 因此 工业控制计算机是 应用在国民经济发展和国防建设的各个领域 具有恶劣环境适应能力 能长期稳定工作的加固计算机 简称 工控机 2 第一代工控机技术开创了低成本工业自动化技术的先河其标志性产品是STD总线工控机 STD总线最早是由美国Pro Log公司和Mostek公司作为工业标准而制定的8位工业I O总线 随后发展成16位总线 统称为STD80 后被国际标准化组织吸收 成为IEEE961标准 3 第二代工控机技术造就了一个PC based系统时代1981年8月12日IBM公司正式推出了IBMPC机 震动了世界 也获得了极大成功 IPC在中国的发展大致可以分为三个阶段 第一阶段是从20世纪80年代末到90年代初 这时市场上主要是国外品牌的昂贵产品 第二阶段是从1991年到1996 台湾生产的价位适中的IPC工控机开始大量进入大陆市场 这在很大程度上加速了IPC市场的发展 IPC的应用也从传统工业控制向数据通信 电信 电力等对可靠性要求较高的行业延伸 第三阶段是从1997年开始 大陆本土的IPC厂商开始进入该市场 促使IPC的价格不断降低 也使工控机的应用水平和应用行业发生极大变化 应用范围不断扩大 IPC也随之发展成了中国第二代主流工控机技术 目前 中国IPC工控机的大小品牌约有15个左右 主要有研华 凌华 研祥 深圳艾雷斯和华北工控等 90年代末期 ISA总线技术逐渐淘汰 PCI总线技术开始在IPC中占主导地位 使IPC工控机得以继续发展 但由于IPC工控机的结构和金手指连接器的限制 使其难以从根本上解决散热和抗振动等恶劣环境适应性问题 IPC开始逐渐从高可靠性应用的工业过程控制 电力自动化系统以及电信等领域退出 向管理信息化领域转移 取而代之的是以CompactPCI总线工控机为核心的第三代工控机技术 值得一提的是 IPC工控机开创了一个崭新的PC based时代 对工业自动化和信息化技术的发展产生了深远的影响 在第二代工控机技术里 还需要提及一个比较成功的技术 PC 104总线技术 基于ISA总线的PC 104总线问世于1992年 自层迭式结构 具有尺寸小 结构紧凑 功耗低 可靠性高等特点 主要应用于军事和医疗设备 4 迅速发展和普及的第三代工控机技术CompactPCI工控机标准于1997年发布之初就倍受业界瞩目 相对于以往的STD和IPC 它具有开放性 良好的散热性 高稳定性 高可靠性及可热插拔等特点 非常适合于工业现场和信息产业基础设备的应用 被众多业内人士认为是继STD和PCI之后的第三代工控机的技术标准 2001年 PICMG2 16将以太网包交换背板总线引入到CompactPCI总线标准中 为电信语音增值服务设备和基于以太网的工业自动化系统提供了新的技术平台 2002年 PICMG颁布了面向电信的新标准AdvancedTCA 简称ATCA ATCA比PICMG2 16有更大的规格和容量 更高的背板带宽 对板卡更严格的管理和控制能力 更高的供电能力以及更强的制冷能力等 仪器和仪表是工业自动化设备的重要组成部分 CompactPCI向仪器仪表领域的扩展总线就是PXI总线 PXI产生于1998年 主要是面向 虚拟仪器 市场而设计的 但已经不局限于测试和测量设备 正在迅速向其它工业控制自动化领域扩展 并与CompactPCI总线互相补充和融合 5 新一代工控机的产业化及应用前景正在迅速发展的智能交通系统需要新一代工控机技术 纺织工业 制造业 食品加工 石油化工行业 车载信息系统等需要采用新一代工控机技术 海军舰载测控设备 陆军车载武器控制系统和指挥系统 新型的飞行模拟教练系统等需要高性能的新一代工控机 航空和航天器地面测控设备 雷达识别跟踪系统和电子对抗系统需要新一代工控机技术 核电站的核聚变低杂波数据采集与控制系统 大专院校的虚拟仪器教学实验系统 汽车功能测试性能测试系统 防洪数字化大坝在线监测系统等需要新一代工控机技术 下一代的网络设备 电信核心和边缘设备 数据通信设备 计算机电话集成 CTI 系统和增值服务业务需要CompactPCI PICMG2 16及ATCA等新一代工控机技术 还有你能想到的或没有想到的其它应用领域 如果说我国工业自动化设备市场份额只有大约200亿人民币的话 那么加上国防自动化和信息产业基础设备 那就是上千亿的大市场正等待新一代工控机去拓展 6 目前急需解决的问题加速第三代工控机产品的国产化和本地化 实现产业化 降低产品价格 加大以第三代工控机技术为基础的开放式控制系统研制的投入力度 加快产业化速度 加强配套功能模板的OEM产品开发 解决系统配套问题 提供完整解决方案 加强人才培养和用户培训 提高技术支持和服务水平 成立产品兼容性和可互操作性测试权威机构 解决不同厂家的产品互操作问题 面向行业发展 建设示范工程 加速推广应用 加强软件开发环境的研制 使操作简单 方便 7 结束语如今的时代是变革的时代 也是推陈出新的时代 以CompactPCI总线工控机技术为核心 覆盖CompactPCI PXI和ATCA的新一代工控机技术注定要成为这个时代的主旋律 业界权威人士已经预测 第一 CompactPCI将以每年15 20 的增长速度取代传统的IPC工控机 第二 CompactPCI与嵌入式系统将成为未来工业控制器的两大主流技术 第三 中国将成为CompactPCI全球最大的市场 伴随着新一代工控机技术的兴起 工控机制造行业也将重新洗牌 强者和弱者将站在同一个起跑线上 百舸争流 不进则退 机遇与挑战并存 国内的企业 只要抓住机遇 大胆创新 勇于和善于迎接挑战 就一定会与新一代工控机技术一起发展壮大 这是不可阻挡的历史潮流 4 1 4工控机的配置举例 表4 1研华工控机系列 4 2PLC控制系统 4 2 1PLC控制系统综述4 2 2PLC的特点4 2 3PLC的应用领域4 2 4PLC的发展方向4 2 5PLC控制系统与其他控制系统的比较4 2 6PLC应用举例 4 2 1PLC控制系统综述 40年来可编程控制器从无到有 实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃 其功能从弱到强 实现了逻辑控制到数字控制的进步 其应用领域从小到大 实现了单体设备简单控制到胜任运动控制 过程控制 集散控制等各种任务的跨越 今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备 在世界各地发挥着越来越大的作用 4 2 1PLC控制系统综述 1 早期的PLC 20世纪60年代末 20世纪70年代中期 早期的PLC性能要优于继电器控制装置 具有简单易懂 便于安装 体积小 能耗低 有故障指示 能重复使用等优点 2 中期的PLC 20世纪70年代中期 20世纪80年代中后期 模拟量运算 PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多 产量日益上升 这标志着可编程控制器已步入成熟阶段 3 近期的PLC 20世纪80年代中后期至今 1987年国际电工委员会 InternationalElectricalCommittee IEC 颁布的PLC标准草案中对PLC所作的如下的定义 PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用可以编制程序的存储器 用来在其内部存储用来执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 从控制规模上来说 这个时期发展了大型机和超小型机 从控制能力上来说 诞生了各种各样的特殊功能单元 用于压力 温度 转速 位移等各式各样的控制场合 从产品的配套能力来说 生产了各种人机界面单元 通信单元 使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易 4 2 2PLC的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时 2 配套齐全 功能完善 适用性强使PLC渗透到了位置控制 温度控制 CNC等各种工业控制中 加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展 使用PLC组成各种控制系统变得非常容易 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造5 体积小 重量轻 能耗低 4 2 3PLC的应用领域 1 开关量的逻辑控制2 模拟量控制3 运动控制4 过程控制过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 5 数据处理6 通信及联网 4 2 4PLC的发展方向 21世纪 PLC会有更大的发展 从技术上看 计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上 会有运算速度更快 存储容量更大 智能更强的品种出现 从产品规模上看 会进一步向超小型及超大型方向发展 从产品的配套性上看 产品的品种会更丰富 规格更齐全 完美的人机界面 完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求 从市场上看 各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破 会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面 会出现国际通用的编程语言 从网络的发展情况来看 可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向 目前的计算机集散控制系统DCS DistributedControlSystem 中已有大量的可编程控制器应用 伴随着计算机网络的发展 可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分 将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用 4 2 5PLC控制系统与其他控制系统的比较 1 与继电器控制系统的比较2 PLC系统与计算机控制系统的比较3 PLC控制系统与工控机系统的比较 与继电器控制系统比较 通用计算机控制系统与PLC控制系统比较 PLC与一般的工业控制计算机相比较 光电耦合隔离和R C滤波器 有效的防止了干扰信号的进入 内部采用电磁屏蔽 防止辐射干扰 采用优良的开关电源 防止电源线引入的干扰 具有良好的自诊断功能可对CPU等内部电路进行检测 一旦出错 立即报警 对程序及有关数据用电池供电进行后备 一旦断电或运行停止 有关状态及信息不会丢失 对采用的器件都进行了严格的筛选和简化 排除了因器件问题而造成的故障 采用了冗余技术进一步增强了可靠性 对某些大型的PLC还采用了双CPU构成冗余系统 或三CPU构成表决式系统 PLC程序设计简单 易学易懂易维护 更适合于工程技术人员 但是 我们也必须承认 计算机在信息的处理方面还是要大大地优于PLC 所以 PLC控制系统更适合于进行现场控制 若能将两者结合起来 用PLC作现场控制 计算机做信息处理 它们之间用过通讯线路实现信息的传送和交换 相辅相成 这样将会构成一个功能较强的完整的控制系统 4 2 6PLC应用举例 水位水温设定值录入部分梯形图程序 系统模拟量处理设计 EM231模块原理图 EM231外部端子接线图 数值整定 在EM231模块转换下 0 20mA电流信号所对应的数字信号为0 32000 而对于传感器而言 是将量程的最底值 量程的最高值 线性转化为4 20mA 其相互关系如下图4 7和表4 4所示 例如 对于水温模拟量的输入 由于其最小值从 50 开始而不是从0开始 所以在整定时还需要进行一个偏移 则其实际工程值R2可用下面公式 4 4 进行计算 4 4 系统模拟调试 该系统的所有程序均采用西门子S7系列PLC专用编程软件STEP7 MicroWIN32 利用简单明了的梯形图 LAD 编程语言实现编程 系统程序在该软件中进行了初步的检测 调试 均达到预想效果 仿真软件 S7 200 exe 是一款专门针对于西门子S7 200系列PLC的程序 进行仿真运行调试的软件 该软件可直接运行 可真实直观的实现S7 200系列PLC程序的运行情况 可选择CPU型号 添加相应的扩展模块 其界面布置和指示灯的显示与真实PLC模块的情况完全相同 另外 该软件还可以进行相关数据的跟踪测试显示 其界面如下图4 10所示 应用该软件进行仿真运行时 只需要将原程序从STEP7 MicroWIN32软件中导出为相应的 awl文件 加载到本仿真软件中运行即可 该软件形象逼真 应用简单 方便 不足之处是不能与编程界面直接关联 不能在编程软件中进行实时的运行程序和在线调试 S7 200 exe 仿真软件界面 4 3ARM嵌入式控制器 4 3 1S3C44B0XARM7微处理器简介4 3 2SDRAM在ARM系统中的应用4 3 3ARM微处理器中的实时时钟RTC4 3 4S3C2410AARM9微处理器简介 4 3 1S3C44B0XARM7微处理器简介 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件 Samsung公司很早就推出了基于ARM7TDMI核的32位RISC高速处理器S3C44B0X 它是基于工业控制应用系统的高性价比微控制器 内含一个由ARM公司设计的16 32位ARM7TDMIRISC处理器核 ARM7TDMI为低功耗 高性能的16 32核 最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合 它的工作电压为3 3V 内核ARM7TDMI的工作电压仅为2 5V 大大降低了芯片的功耗 S3C44B0X嵌入式处理器的结构框图如图4 11所示 S3C44B0X在ARM7TDMI内核的基础上扩展了完整的通用外围器件 使系统性价比大幅提高 减少了对附加配置的需要 集成于片上的功能如下 8个MemoryBanks 用于管理外部存储器 最大存储容量达到256MB 可扩展EPROM Flash USB和LCD 每个Bank支持8 16 32位数据格式 可寻址32MB 其中Bank0专用于系统启动 Bank6 Bank7专用于SRAM SDRAM等 LCD控制器 支持单色 4 16级灰度的LCD模块 支持4位的单双行扫描 8位的单行扫描形式的显示类型 主要支持604x480 320 x240 160 x160等显示点阵 两路UART 最高传输速度为115200b s 支持IrDA1 0 可用于红外通信 5路PWM调制输出 可用于控制蜂鸣器输出不同声音 提示系统各类信息 71个I O口 包括8个外部中断源 可用于键盘 LCD背光 照明控制等 8路10位A D转换器 带日历功能的系统实时时钟 可用于记录数据采集时间 4种系统工作模式 正常 慢速 闲置和停止模式 根据不同的需要设置不同的工作方式 可以降低系统功耗 4 3 2SDRAM在ARM系统中的应用 SDRAM没有掉电保持数据的特性 但其存取速度大大高于Flash存储器 且具有可读 写的属性 因此 SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间 数据及堆栈区 以S3C44B0XARM为例 当系统启动时 CPU首先从复位地址0 x0处读取启动代码 在完成系统的初始化后 程序代码一般应调入SDRAM中运行 以提高系统的运行速度 同时 系统及用户堆栈 运行数据也都放在SDRAM中 在ARM系统中常用HY57V641620 HY57V641620的存储容量为4组 16M位 8M字节 工作电压为3 3V 常见封装为54脚TSOP 兼容LVTTL电平接口 支持自动刷新 Auto Refresh 和自刷新 Self Refresh 16位数据宽度 其引脚信号描述如表4 5所示 HY57V641620引脚信号描述 RAS CAS SDRAM与S3C44B0X处理器的连接 4 3 3ARM微处理器中的实时时钟RTC S3C44B0X自带有RTC模块 RTC RealTimeClock 单元能在系统断电时 通过备份电池来供电 RTC能通过ARM的STRB LDRB指令传输8位BCD数据到CPU 该数据包括时 分 秒 小时 天 月和年的信息 RTC使用一个外部32 768的晶体 也能执行报警功能 其原理图如下 S3C44B0X中的RTC主要有一下特征 日历功能支持闰年解决了2000年问题独立的供电支持毫秒滴答时间中断作为RTOS核的时间滴答报警功能对RTC的控制是通过RTC控制寄存器RTCCON来进行的 RTC原理图 4 3 4S3C2410AARM9微处理器简介 S3C2410A是Samsung公司推出的16 32位RISC处理器 ARM920T内核 适用于手持设备 POS机 数字多媒体播放设备等等 具有低价格 低功耗 高性能等特点 S3C2410A采用了ARM920T内核 0 18um工艺的CMOS标准宏单元和存储器单元 S3C2410A主要的特征如下 203MHz的ARM920T内核 支持JTAG仿真调试 16KB的I Cache和16KB的D Cache 具有MMU 支持WinCE EPOC32 Linux等操作系统 外部存储器控制器 SDRAM控制和片选逻辑 共分8个Bank 每个Bank可访问128MB空间 片内4KBSRAM 可用作NANDFlash系统引导的缓冲区 LCD控制器 最大支持4K色STN和256K色TFT 1通道LCD专用DMA 4通道DMA 有外部请求引脚 3个UART IrDA1 0 16字节TxFIFO 16字节RxFIFO 2个SPI总线接口 1个多主I2C总线接口 1个IIS总线接口 兼容SD主接口协议1 0版和MMC卡协议2 11兼容版 NANDFlash SM卡接口 支持NANDFlash系统引导 2个USB主机接口 1个USB设备接口 V1 1 4个PWM定时器和1个内部定时器 看门狗定时器 117个通用I O口 24个外部中断 8通道10位ADC和触摸屏接口 具有日历和时钟功能的RTC 1 8V内核供电 3 3V存储器供电 3 3V外部I O供电 功耗控制模式 普通 慢速 空闲和掉电模式 具有片内PLL时钟发生器 4 4DSP数字处理技术 4 4 1DSP芯片介绍4 4 2DSP芯片的应用和发展4 4 3典型的DSP系统及其设计开发技术4 4 4DSP的未来发展 4 4 1DSP芯片介绍 DSP的含义有两种 一种是DigitalSignalProcessor 即数字信号处理器 是一种处理器芯片 另一种含义指DigitalSignalProcessing 即数字信号处理 是一种算法 一种理论 例如我们通常所熟知的DFT FFT等算法 通常我们谈到嵌入式系统平台 指的是利用DSP芯片作为数字处理核心搭建的一个包括硬件和软件在内的系统 1 DSP芯片的特点 根据数字信号处理的要求 DSP芯片一般具有如下的一些主要特点 1 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法 2 程序和数据空间分开 可以同时访问指令和数据 3 片内具有快速RAM 通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问 4 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 5 快速的中断处理和硬件I O支持 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 7 可以并行执行多个操作 8 支持流水线操作 使取指 译码和执行等操作可以重叠执行 与通用微处理器相比 DSP芯片的其他通用功能相对较弱些 2 DSP芯片的发展 世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811 1979年美国Iintel公司发布的商用可编程期间2920是DSP芯片的一个主要里程碑 这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须的单周期芯片 在这么多的DSP芯片种类中 最成功的是美国德克萨斯仪器公司 TexasInstruments 简称TI 的一系列产品 TI公司灾982年成功推出启迪一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011 TMS32C10 C14 C15 C16 C17等 之后相继推出了第二代DSP芯片MS32020 TMS320C25 C26 C28 第三代DSP芯片TMS32C30 C31 C32 第四代DSP芯片TMS32C40 C44 第五代DSP芯片TMS32C50 C51 C52 C53以及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS32C80 C82等 3 DSP芯片的分类 1 按基础特性分这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的 如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上能正常工作 除计算速度有变化外 没有性能的下降 这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片 如果有两种或两种以上的DSP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DSP芯片称之为一致性的DSP芯片 2 按数据格式分这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的 数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点DSP芯片 以浮点格式工作的称为DSP芯片 不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样 有的DSP芯片采用自定义的浮点格式 有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式 3 按用途分按照DSP芯片的用途来分 可分为通用型DSP芯片和专用型的DSP芯片 通用型DSP芯片适合普通的DSP应用 如TI公司的一系列DSP芯片 专用型DSP芯片市为特定的DSP运算而设计 更适合特殊的运算 如数字滤波 卷积和FFT等 4 DSP芯片的选择 1 DSP芯片的运算速度 指令周期 就是执行一条指令所需要的时间 通常以ns为单位 MAC时间 即一次乘法加上一次加法的时间 FFT执行时间 即运行一个N点FFT程序所需的时间 MIPS 即每秒执行百万条指令 MOPS 即每秒执行百万次操作 MFLOPS 即每秒执行百万次浮点操作 BOPS 即每秒执行十亿次操作 2 DSP芯片的价格 根据一个价格实际的应用情况 确定一个价格适中的DSP芯片 3 DSP芯片的硬件资源 4 DSP芯片的运算量 入数据采集采样点数等5 DSP芯片的开发工具 6 DSP芯片的功耗 7 其它的因素 如封装的形式 质量标准 生命周期等 5 DSP芯片的基本结构 1 哈佛结构 2 流水线操作 3 专用的硬件乘法器和高效的MAC指令4 特殊的DSP指令 RISC 精简指令集 ReducedInstructionSetComputer 8 2原则 80 的程序只使用20 的指令在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单RISC具有流水线技术 几个指令可以并行执行提高了CPU的运行效率内部信息流要求通畅流动 5 快速的指令周期 哈佛结构 流水线操作 专用的硬件乘法器 特殊的DSP指令 再加上集成电路的优化设计 可使DSP芯片的指令周期在200ns以下 6 多功能单元为了进一步提高速度 DSP设置了多个并行操作的功能单元 ALU 乘法器和地址产生器等 以C6000为例 其CPU内部有8个功能单元 包括2个乘法器和6个ALU 这8个功能单元最多可以在1个周期内同时执行8条32位指令 7 其他优势专用的数据地址发生器 DAG 独立的传输总线 DMA 及其控制器带有片内存储器 包括程序RAM和数据RAM 以及Cache 含有丰富的外设 如定时器 McBSP HPI I2C EMAC与结构相配合的RISC指令集 ReducedInstructionSetComputer 带有JTAG边界扫描逻辑电路 IEEE标准1149 1 便于对DSP处理器做片上在线仿真 多处理器情况下的调试 以及程序下载 4 4 2DSP芯片的应用和发展 1 DSP芯片的应用自从DSP芯片诞生以来 DSP芯片得到了飞速的发展 DSP芯片高速发展 一方面得益于集成电路的发展 另一方面也得益于巨大的市场 在短短的十多年时间 DSP芯片已经在信号处理 通信 雷达等许多领域得到广泛的应用 目前 DSP芯片的价格也越来越低 性能价格比日益提高 具有巨大的应用潜力 DSP芯片的应用主要有 1 信号处理 如 数字滤波 自适应滤波 快速傅里叶变换 相关运算 频谱分析 卷积等 2 通信 如 调制解调器 自适应均衡 数据加密 数据压缩 回坡抵消 多路复用 传真 扩频通信 纠错编码 波形产生等 3 语音 如语音编码 语音合成 语音识别 语音增强 说话人辨认 说话人确认 语音邮件 语音储存等 4 图像 图形 如二维和三维图形处理 图像压缩与传输 图像增强 动画 机器人视觉等 5 军事 如保密通信 雷达处理 声纳处理 导航等 6 仪器仪表 如频谱分析 函数发生 锁相环 地震处理等 7 自动控制 如引擎控制 深空 自动驾驶 机器人控制 磁盘控制 8 医疗 如助听 超声设备 诊断工具 病人监护等 9 家用电器 如高保真音响 音乐合成 音调控制 玩具与游戏 数字电话 电视等 2 DSP芯片的发展以美国德州仪器公司的DSP发展历程为例 TI公司的C2000系列的DSP发展之路 3 DSP的调试 4 5MSP430单片机技术 4 5 1MSP430系列单片机的特点4 5 2MSP430F449单片机的结构及其管脚说明4 5 3MSP430端口概述4 5 4MSP430单片机开发学习 4 5 1MSP430系列单片机的特点 1 超低功耗2 强大的处理能力3 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块4 系统工作稳定5 方便高效的开发环境6 多种时钟模块 4 5 2MSP430F449单片机的结构及其管脚说明 4 5 3MSP430端口概述 1 类型丰富 2 功能丰富 3 应用灵活 4 5 4MSP430单片机开发学习 4 6MS 51单片机技术 1 微型计算机的应用形态 1 多板机 系统机 将CPU 存储器 I O接口电路和总线接口等组装在一块主机板 即微机主板 上 再通过系统总线和其它多块外设适配板卡连接键盘 显示器 打印机 软 硬盘驱动器及光驱等设备 各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源 软 硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内 再配上系统软件 就构成了一台完整的微型计算机系统 简称系统机 工业PC机也属于多板机 2 单板机将CPU芯片 存储器芯片 I O接口芯片和简单的I O设备 小键盘 LED显示器 等装配在一块印刷电路板上 再配上监控程序 固化在ROM中 就构成了一台单板微型计算机 简称单板机 3 单片机在一片集成电路芯片上集成微处理器 存储器 I O接口电路 从而构成了单芯片微型计算机 即单片机 2 单片机89C2051及其开发与应用 内部模拟比较器 1 引脚 2 电源89C2051有很宽的工作电源电压 可为2 7 6V 当工作在3V时 电流相当于6V工作时的1 4 89C2051工作于12MHz时 动态电流为5 5mA 空闲态电流为1mA 掉电态电流则仅为20nA 这样小的功耗很适合电池供电的小型控制系统 3 存储器89C2051片内含有2K字节的Flash程序存储器 128字节的片内RAM 与80C31内部完全类似 由于2051内部设计全静态工作 所以允许工作的时钟为0 20MHz 也就是说 允许在低速工作时 不破坏RAM内容 相比之下 一般8031对最低工作时钟限制为3 5MHz 因为其内部的RAM是动态刷新的 89C2051不允许构造外部总线来扩充程序 数据存储器 所以它也不需要ALE PSEN RD WR一类的引脚 4 内部I O控制89C2051有15条I O线 在内部I O控制上继承了MCS 51的特性 5路两级中断源结构 1个全双工串行口 2路16位定时器 计数器 5 程序保密89C2051设计有两个程序保密位 保密位1被编程之后 程序存储器不能再被编程 除非做一次擦除 保密位2被编程之后 程序不能被读出 6 软硬件的开发89C2051可以采用下面两种方法开发应用系统 1 由于89C2051内部程序存储器为Flash 所以修改它内部的程序十分方便快捷 只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可 调试人员可以采用程序编辑 编译 固化 插到电路板中试验 这样反复循环的方法 对于熟练的MCS 51程序员来说 这种调试方法并不十分困难 但做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息 2 将普通8031 80C31仿真器的仿真插头中P1 0 P1 7和P3 0 P3 6引出来 仿真2051 这种方法可以运用单步 断点的调试方法 但是仿真不够真实 比如 2051的内部模拟比较器功能 P1口 P3口的增强下拉能力等等 7 性能价格比下面就目前国内应用较多的两种单片机 讨论一下2051的性能价格比 首先 与80C31系统相比较 如果需要构成一个80C31的最小系统的话 除了CPU之外 至少需要一片27C64作为程序存储器 而系统的有效引脚和89C2051基本相同 从元器件的成本 电路板的面积和加密性来看 使用89C2051都是合算的 其次 与PIC单