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DZ231步进电动机的DSP控制,毕业设计
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中北大学分校学位论文（设计） 1 1 绪论 1.1 步进电动机的背景、意义、特点 步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度。近三十年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。 步进电动机有如下特点： 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格的成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随型； 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节 组成高性能的闭环数控系统； 步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速； 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载； 步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源； 步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施； 步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 1.2 步进电动机的相关技术 把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控 制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置 。 步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。步进电动机的运行性能决定于电机与驱动电源间的良好配合。 1.3 论文内容安排 第一周，查阅各类相关资料，复习有关知识，并明确设计要求。第二周，确定总体设计方法，细化指标，并完成外文文献的翻译工作。第三、四周，选定课题各部分具体实施方案，设计硬件及 程序框图，并进行方案的可行性论证，完成开题报告。第五、六nts步进电动机的 DSP 控制 2 周，绘制硬件电路图，并用电路仿真软件或用实验箱验证电路的可行性，并编写程序。第七周，具体的电路制作、程序设计并调试，同时接受毕业设计中期检查。第八周，硬件电路调试，并完成软件设计。第九、十周，电路总体调试，程序整合并根据实际效果改进电路。第十一、十二周，完善设计，并撰写论文。第十三周，完善论文，并完成打印装订工作，准备答辩材料，包括演示文稿。第十四周，答辩并总结设计工作。 nts中北大学分校学位论文（设计） 3 2 步进电动机的工作原理 2.1 步进电动机的结构 2.1.1 步进电动机的分类 步进电动机可分为三大类： （ 1） 反应式步进电动机（ Variable Reluctance ，简称 VR） 反应式步进电动机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。 （ 2） 永磁式步进电动机（ Permanent Magnet ，简称 PM） 永磁式步进电动机的转子是由永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性能好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需供给正负脉冲信 号。 （ 3） 混合式步进电动机（ Hybrid ，简称 HB） 混合式步进电动机综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。 2.1.2 步进电动机的结构 步进电动机分为转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成的。定子上有六个磁极（大极），每两个相对的磁极（ N、 S 极）组成一对，共有三对。每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相，这样三对磁极有三个绕组，形成三相。可以得出，四相步进电动机有四对磁极、五相绕组依此类推。每个磁极的内表面都分布着多个小齿，它们大小 相同，间距相同。 转子是由软磁材料制成的。其外表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同，形状相似。 由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式： Z=2/Z (2.1) 来计算。式中， Z 为转子的齿数。 反应式步进电动机运动的动力来自于电磁力。在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率（或者最小磁阻）的位置，即定子小齿与转子 小齿对齐的位置，并处于平衡状态。对三相步进电动机来说，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置，即定子小齿与转子小齿不对齐的位置。 nts步进电动机的 DSP 控制 4 把定子与转子小齿对齐的状态称为对齿；把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电动机能够旋转的前提条件。所以，在步进电动机的结构中必须保证有错齿存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其它相必须处于错齿状态。 因为定子的齿距角与转子相同，所不同的是，转子的齿是圆周分布的，而定子的齿只分布在磁极上，属于不完全齿。当某一相处于 对齿状态时，该相磁极上的定子的所有小齿都与转子上的小齿对齐。 2.2 步进电动机的工作方式 2.2.1 步进电动机的步进原理 如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（或磁阻最小）的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电动机就是基于这一原理转动的。 步进电动机步进的过程也可通过电动机进一步说明。当开关 KA 合上时， A 相绕组通电，使 A 相磁场建立。 A 相定子磁极上的齿与转子的齿形成对齿，同时， B 相、 C 相上的齿与转子形成错齿。 将 A 相断电，同时将 KB 合上，使处于 错 1/3 个齿距角的 B 相通电，并建立磁场。转子在电磁力的作用下，向与 B 相成对齿的位置转动。其结果是：转子转动了 1/3 个齿转角； B 相与转子形成对齿； C 相与转子错 1/3 个齿距角； A 相与转子错 2/3 个齿距角。 当 C 相断电，再给 A 相通电时，转子又转动了 1/3 个齿距角，与 A 相形成对齿，与 B、 C 两相形成错齿。至此，所有的状态与最初时一样，只不过转子累计转过了一个齿距。 可见，由于按 A B C A 顺序轮流给各相绕组通电，磁场按 A B C 方向转过了 360，转子则沿相同方向转过一个齿距角。 同样，如果改变通电 顺序，即按与上面相反的方向（ A C B A 的顺序）通电，则转子的转向也改变。 如果对绕组通电一次的操作称为一拍，那么前面所述的三相反应式步进电动机的三相轮流通电就需要三拍。转子每拍走一步，转一个齿距角需要三步。 转子走一步所转过的角度称为步距角 N，可用下式计算 Z= Z/N=2/NZ （ 2.2） 式中， N 为步进电动机工作拍数。 2.2.2 单三拍工作方式 三相步进电动机如果按 A B C A 方式循环通电工作，就称这种工作方式为单三nts中北大学分校学位论文（设计） 5 拍工作方式。其中“单”指的是每次对一个相通电；“三拍”指的是磁场旋转一周需要换相三次，这时转子转动一个齿距角。如果对多相步进电动机来说，每次只对一相通电，要使磁场旋转一周就需要多拍。 以单三拍工作方式的步进电动机，其步距角按式（ 2.2）计算。 在用单三拍方式工作时，各相通电的波形如图 2.1 所示。其中电压波形是方波；而电流波形则是由两段指数曲线组成。这是因为受步进电动机绕组电感的影响。当绕组通电时，电感阻止电流的快速变化；当绕组断电时，储存在绕组中的 电能通过续流二极管放电。电流的上升时间取决于回路中的时间常数。我们希望绕组中的电流也能像电压一样突变，这一点与其它电动机不同，因为这样会使绕组在通电时能迅速建立磁场，断电时不会干扰其它相磁场。 图 2.1 单三拍工作方式时的相电压、电流波形 为了达到这一目的可以有许多方法。在续流二极管回路中串联一个电阻是其中一种有效的方法。它可以在绕组断电时，通过续流二极管将储存在绕组中的电能消耗在电阻上，表现为电流波形下降的速度加快，下降时间减 小。 2.2.3 双三拍工作方式 三相步进电动机的各相除了采用单三拍方式通电工作外，还可以有其它种通电方式。双三拍是其中之一。 双三拍的工作方式是：每次对两相同时通电，即所谓“双”；磁场旋转一周需要换相三次，即所谓“三拍”，转子转动一个齿距角，这与单三拍是一样的。在双三拍工作方式中，步进电动机正转的通电的顺序为： AB BC CA；反转的通电顺序为： BAAC CB。 因为在双三拍工作方式中，转子转动一个齿距角需要的拍数也是“三拍”，所以，步进时钟 A 相波形 B 相波形 C 相波形 nts步进电动机的 DSP 控制 6 它的步距角与单三拍时一样，仍然用式（ 2.2） 求得。 在用双三拍工作方式时，各相通电的波形如图 2.2 所示。由图可见，每一拍中，都有两相通电，每一相通电时间都持续两拍。所以，双三拍通电的时间长，消耗的电功率大，当然，获得的电磁转矩也大。 图 2.2 双三拍工作方式时的相电压、电流波形 双三拍工作时，所产生的磁场形状与单三拍时不一样。 与单三拍另一个不同之处是：双三拍工作时的磁导率最大位置并不是转子处于对齿的位置。当某两相通电时，最大磁导率的位置是转子齿与两个 通电相磁极的齿分别错 +（ 1/6）或 （ 1/6）个齿距角的位置，而此时转子齿与另一未通电相错 1/2 个齿距角。也就是说，在最大磁导率位置时，没有对齿存在。在这个位置上，两个通电相的磁极所产生的磁场，使定子与转子相互作用的电磁转矩大小相等，方向相反，使转子处于平衡状态。 双三拍方式还有一个优点，这就是不易产生失步。这是因为当两相通电后，两相绕组中的电流幅值不同，产生的电磁力作用方向也不同。所以，其中一相产生的电磁力起了阻尼作用。绕组中电流越大，阻尼作用就越大。这有利于步进电动机在低频区工作。而单三拍由于是 单相通电励磁，不会产生阻尼作用，因此当工作在低频区时，由于通电时间长而使能量过大，易产生失步现象。 2.2.4 六拍工作方式 六拍工作方式是三相步进电动机的另一种通电方式。这是单三拍与双三拍交替使用的一种方法，也称作单双六拍或 1 2 相励磁法。 步进电动机的正转通电顺序为： A AB B BC C CA；反转通电顺序为： A步进时钟 A 相波形 B 相波形 C 相波形 nts中北大学分校学位论文（设计） 7 AC C CB B BA。可见，磁场旋转一周，通电需要换相六次（即六拍），转子才转动一个齿距角。这是与单三拍和双三拍最大的区别。 由于转子转动一个齿距角需要六拍，根 据式（ 2.2），六拍工作时的步距角要与单三拍和双三拍时的步距角小一半，所以步进精度要高一倍。 六拍工作时，各相通电的电压和电流波形如图 2.3 所示。可以看出，在使用六拍工作方式时，有三拍是单相通电，有三拍是双相通电；对任一相来说，它的电压波形是一个方波，周期为六拍，其中有三拍连续通电，有三拍连续断电。 图 2.3 六拍工作方式的相电压、电流波形 单三拍、双三拍、六拍这三种工作方式的区别见表 2.1。 表 2.1 三种工作方 式的比较 工作方式 单三拍 双三拍 六 拍 步进周期 T T T 每相通电时间 T 2T 3T 走齿周期 3T 3T 6T 相电流 小 较大 最大 高频性能 差 较好 较好 转矩 小 中 大 电磁阻尼 小 较大 较大 振荡 易 较易 不易 功耗 小 大 中 步进时 钟 A 相波形 B 相波形 C 相波形 nts步进电动机的 DSP 控制 8 由表 2.1 可以看出，这三种工作方式的区别较大，一般来说，六拍工作方式的性能最好，单三拍工作方式的性能较差。因此，在步进电动机控制的应用中，选择合适的工作方式非常重要。 以上的三相步进电动 机的工作方式。对于多相步进电动机，也可以有几种工作方式。例如四相步进电动机，有单四拍（ A B C D）、双四拍（ AB BC CD DA）、八拍（ A AB B C CD D DA，或者 AB ABC BC BCD CD CDA DADAB）。同样，读者可以自己推得五相步进电动机的工作方式。 nts中北大学分校学位论文（设计） 9 3 数字信号处理及 DSP 芯片概述 随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的学科。而 DSP芯片的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可 能。这一方面极大的促进了数字信号处理技术的进一步发展，另一方面，它也使数字信号处理的应用领域得到了极大的拓展。 DSP芯片，即数字信号处理器，是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊的结构的微处理器。它具有以下特点：（ 1）内部采用程序和数据分开的哈佛总线结构；（ 2）具有专门的硬件乘法器；（ 3）广泛采用流水线操作；（ 4）提供特殊的 DSP指令集。 目前在微电子发展的带动下， DSP 的发展日新月异。 DSP 的功能也日益强大，性能价格比不断上升，开发手段不断改进，从而促进了数字信号处理器在众多领域中的应用 。DSP 芯片已经在通信与电子系统、信号处理系统、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器、电力系统等许多领域得到了广泛的应用，而且新的领域不断的被发掘。 数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础， 同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。 数字信号处理的实现方法一般有以下几种： (1)在通用的计算机（如 PC机）上用软件（如 Fortran、 C语言）实现； (2)在通用计算机系统中加上专门的加速处理机实现； (3)用通用的单片机（如 MCS-51、 96系列等）实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理，如数字控制等； (4)用通用的可编程 DSP芯片实现。与单片机相比， DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法； (5)用专用的 DSP 芯片实现。在一些特殊的场合，要 求的信号处理速度极高，用通用 DSP 芯片很难实现，例如专用于 FFT、数字滤波、卷积、相关等算法的 DSP 芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程。 在上述几种方法中，第 1种方法的缺点是速度较慢，一般可用于 DSP 算法的模拟；第 2种和第 5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nts步进电动机的 DSP 控制 10 运行；第 3种方法只适用于实现简单的 DSP算法；第 4种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。 虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在 20世纪 80年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理的 理论还得不到广泛的应用。直到 20 世纪 70 年代末 80 年代初世界上第一片单片可编程 DSP 芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展，可以毫不夸张地说， DSP 芯片的诞生及发展对近 20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。 这里主要讲述有关 DSP的一些基础知识，介绍 DSP技术的发展历史，特点以及相关的应用领域、如何根据自己的具体需求制定系统解决方案以及选择合适的数字信号处理器来实现等。 3.1 数字信号处理系统 3.1.1 数字信号处理系统的 构成 图 3.1所示为一个典型的 DSP系统。图中的输入信号可以有各种各样的形式。例如，它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号，可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。 抗 混叠 滤波A / D D S P 芯片 D / A 平 滑滤 波输 入 输 出图 3.1 典型的 DSP系统 输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行 A/D（ Analog to Digital）变换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的 2倍。 DSP 芯片的输入 是 A/D 变换后得到的以抽样形式表示的数字信号， DSP 芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（ MAC）。数字处理是 DSP的关键，这与其他系统（如电话交换系统）有很大的不同，在交换系统中处理器的作用是进行路由选择，它并不对输入数据进行修改。因此虽然两者都是实时系统，但两者的实时约束条件却有很大的不同。最后，经过处理后的数字样值再经 D/A(Digital to Analog)变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟信号波形。 nts中北大学分校学位论文（设计） 11 必须指出的是，上面给出的 DSP系统模型是 一个典型模型，但并不是所有的 DSP系统都必须具有模型中的所有部件。如语音识别系统在输出端并不是连续的波形，而是识别结果，如数字、文字等；有些输入信号本身就是数字信号如 CD： Compact Disk，因此就不必进行模数变换了。 3.1.2 数字信号处理系统的特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点： （ 1）接口方便： DSP 系统与其他以现代数字技术为基础的系统和设备都是相互兼容的，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接口要容易很多； （ 2）编程方便： DSP 系统中 的可编程 DSP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； （ 3）稳定性好： DSP 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪音的影响较小，可靠性高； （ 4）精度高： 16 位数字系统可以达到 10 5的精度； （ 5）可重复性好：模拟系统的性能受到元器件参数影响性能变化比较大，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； （ 6）集成方便： DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口， 若采用 DSP 则使成本增加。 DSP 系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且 DSP 系统消耗的功率也较大。此外， DSP 技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。虽然 DSP系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 3.2 数字信号处理器（ DSP 芯片） 3.2.1 DSP 芯片概要 DSP 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，DSP芯片一般具有如下主要特点： （ 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； nts步进电动机的 DSP 控制 12 （ 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。 当然，与通用微处理器相比， DSP芯片的其他 通用功能相对较弱些。 3.2.2 DSP 芯片分类 DSP芯片可以按照下列三种方式进行分类。 (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。如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上， DSP 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DSP芯片一般称为静态 DSP芯片。例如，日本 OKI 电气公司的 DSP芯片、美国 TI公司的TMS320C2XX系列芯片属于这一类。 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机管脚结构相互兼容，则这类 DSP 芯片称为一致型 DSP 芯 片。例如， TI 公司的 TMS320C54X 就属于这一类。 (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芯片称为定点 DSP 芯片，如 TI 公司的 TMS320C1X/C2X、 TMS320C2XX/C5X、 TMS320C54X/C62XX 系列， AD公司的 ADSP21XX 系列， AT&T公司的 DSP16/16A， Motolora公司的 MC56000等。以浮点格式工作的称为浮点 DSP 芯片，如 TI 公司的 TMS320C3X/C4X/C8X， AD 公司的ADSP21XXX系列， AT&T 公司 的 DSP32/32C， Motolora 公司的 MC96002等。 不同浮点 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，如 TMS320C3X，而有的 DSP 芯片采用 IEEE 的标准浮点格式，如 Motolora 公司的MC96002、 FUJITSU公司的 MB86232和 Zoran公司的 ZR35325等。 (3)按用途分 按照 DSP的用途来分，可分为通用型 DSP芯片和专用型 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 芯片属于通用型 DSP 芯片。专用 DSP 芯片是为特 定的 DSP 运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和 FFT，如Motolora 公司的 DSP56200， Zoran 公司的 ZR34881， Inmos 公司的 IMSA100 等就属于专用型 DSP芯片。 nts中北大学分校学位论文（设计） 13 3.2.3 DSP 芯片的选择 设计 DSP应用系统，选择 DSP芯片是非常重要的一个环节。只有选定了 DSP芯片，才能进一步设计其外围电路。总的说来， DSP 芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的 DSP应用系统由于应用场合、应用目的等不尽相同，对 DSP 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择 DSP芯片时应考虑到 如下诸多因素。 (1)DSP 芯片的运算速度：运算速度是 DSP 芯片的一个重要的性能指标，也是选择DSP 芯片时所需要考虑的一个主要因素。 DSP 芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量： 1 指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以 ns（纳秒）为单位。如TMS320LC549-80在主频为 80MHZ时的指令周期为 12.5ns； 2 MAC 时间：即一次乘法加上一次加法的时间。大部分 DSP 芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和加法操作，如 TMS320LC549-80的 MAC时间就是 12.5ns； 3 FFT 执行时间：即运行一个 N 点 FFT 程序所需的时间。由于 FFT 运算涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此 FFT运算时间常作为衡量 DSP芯片运算能力的一个指标； 4 MIPS：即每秒执行百万条指令。如 TMS320LC549-80 的处理能力为 40MIPS，即每秒可执行八千万条指令； 5 MIOPS：即每秒执行百万次操作。如 TMS320C40 的运算能力为 275MIOPS； 6 MFLOPS：即每秒执行百万次浮点操作。如 TMS320C31在主频为 40MHZ 时的处理能力为 40MFLOPS; 7 BOPS：即每秒执行十亿次操作。如 TMS320C80 的处理能力为 2BOPS. (2)DSP芯片的价格： DSP芯片的价格也是选择 DSP芯片所需考虑的一个重要因素。如果采用价格昂贵的 DSP 芯片，即使性能再高，其应用范围肯定会受到一定的限制，尤其是民用产品。因此根据实际系统的应用情况，需确定一个价格适中的 DSP芯片。当然，由于 DSP 芯片发展迅速， DSP 芯片的价格往往下降较快，因此在开发阶段选用某个价格稍贵的 DSP芯片，等到系统开发完毕，其价格可能已经下降一半甚至更多。 (3)DSP 芯片的硬件资源：不同的 DSP 芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内RAM、 ROM的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口， I/O接口等。即使是同一系列的 DSP芯片，如 TI 的 TMS320C54X系列，系列中不同 DSP芯片也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。 nts步进电动机的 DSP 控制 14 (4)DSP芯片的运算精度：一般的定点 DSP 芯片的字长为 16位，如 TMS320系列。但有的公司的定点芯片为 24位，如 Motorola公司的 MC56001等。浮点芯片的字长一般为32位，累加器为 40位。 (5)DSP芯片的开发工具：在 DSP系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的 DSP 系统几乎是不可能的。如果有功能强大的开发工具的支持，如 C语言的支持，则开发的时间就会大大缩短。所以在选择 DSP芯片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发工具。 (6)DSP芯片的功耗：在某些 DSP应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携式的 DSP设备、手持设备、野外应用 的 DSP 设备等都对功耗有特殊的要求。目前，3.3V供电的低功耗高速 DSP芯片已大量使用。 (7)其他：除了上述因素外，选择 DSP 芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。有的 DSP 芯片可能有 DIP、 PGA、 PLCC、 PQFP 等多种封装形式。有的 DSP系列可能最终要求的是工业级或军用级的同类产品。如果设计的 DSP系列不仅仅是一个实验系统，而是需要批量生产并可能有几年甚至十几年的生命周期，那么需要考虑所选用的 DSP芯片供货情况如何，是否也有同样甚至更长的生命周期等。 在上述诸多因素中，一般而言， 定点 DSP 芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。而浮点 DSP 芯片的优点是运算精度高，且 C 语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗也较大。例如 TI 的 TMS320C2XX/C54X 系列属于定点 DSP 芯片，低功耗和低成本是其主要的特点。而 TMS320C3X/C4X/C67X 属于浮点 DSP 芯片，运算精度高，用 C 语言编程方便，开发周期短，但同时其价格和功耗也相对较高。 3.3 DSP 芯片的应用 自从 20世纪 70年代末 80年代初 DSP芯片诞生以来， DSP芯片得到了飞速的发展。DSP 芯片的高速发展，一方面得益于集成 电路技术的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在近 20年时间里， 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、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等； （ 2）通信 如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等； nts中北大学分校学位论文（设计） 15 （ 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、语音存储等； （ 4）图形 /图像 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、导弹制导等； （ 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、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等； （ 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。 随着 DSP芯片性能价格比的不断提高， 可以预见 DSP芯片将会在更多的领域内得到更为广泛的应用。 nts步进电动机的 DSP 控制 16 4 DSP 芯片的基本结构和特征 可编程 DSP芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速进行数字信号处理的目的， DSP 芯片一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。本章将首先介绍 DSP芯片的基本结构，然后介绍 TI 公司的各种 DSP 芯片的特征，最后简要介绍其他公司的 DSP 芯片的特点。 4.1 DSP 芯片的基本结构 为了快速地实现数字信号处理 运算， DSP 芯片一般都采用特殊的软硬件结构。下面以 TMS320系列为例介绍 DSP芯片的基本结构。 TMS320 系列 DSP 芯片的基本结构包括： （ 1） 哈佛结构； （ 2） 流水线操作； （ 3）专用的硬件乘法器； （ 4） 特殊的 DSP指令； （ 5） 快速的指令周期。 这些特点使得 TMS320 系列 DSP 芯片可以实现快速的 DSP 运算，并使大部分运算（例如乘法）能够在一个指令周期内完成。由于 TMS320 系列 DSP 芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。下面分别介绍这些特点是如何在TMS320 系列 DSP 芯片中应用 并使得芯片的功能得到加强的。 4.1.1 哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯诺曼 （ Von Neuman） 结构的并行体系结构，其主要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。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性， TMS320系列 DSP芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一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；二是指令存储在高速缓冲器 （ Cache） 中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。如 TMS320C30 具有 64 个字的 Cache。 nts中北大学分校学位论文（设计） 17 4.1.2 流水线 与哈佛结构相关， DSP 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的 处理能力。 TMS320 系列处理器的流水线深度从 2 6级不等。第一代 TMS320处理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级流水线。也就是说，处理器可以并行处理 2 6 条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。图 4.1 所示为一个三级流水线操作的例子。 图 4.1 三级流水线操作 在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的 阶段。例如，在第 N个指令取指时，前一个指令即第 N-1个指令正在译码，而第 N-2个指令则正在执行。一般来说，流水线对用户是透明的。 4.1.3 专用的硬件乘法器 在一般形式的 FIR 滤波器中，乘法是 DSP的重要组成部分。对每个滤波器抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快， DSP 处理器的性能就越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成。相比而言， DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。在 TMS320 系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。从 最早的 TMS32010 实现 FIR 的每个抽头算法可以看出，滤波器每个抽头需要一条乘法指令 MPY： LT ；装乘数到 T寄存器 DMOV ；在存储器中移动数据以实现延迟 MPY ；相乘 CLKOUT1 执行 译码 取指 N N 1 N 2 N 1 N 1 N 2 N N N 1 nts步进电动机的 DSP 控制 18 APAC ；将乘法结果加到 ACC中 其他三条指令用来将乘数装入到乘法器电路 （ LT） ，移动数据 （ DMOV） 以及将乘法结果 （ 存在乘积寄存器 P中 ） 加到 ACC中 （ APAC） 。因此，若采用 256 抽头的 FIR滤波器，这四条指令必须重复执行 256次，且 256次乘法必须在一个抽样间隔内完成。在典型的通用微处理器中，每个抽头需要 30 40 个指令周期，而 TMS32010 只需 4条指令。如果采用特殊的 DSP 指令或采用 TMS320C54X 等新一代的 DSP 芯片，可进一步降低 FIR抽头的计算时间。 4.1.4 特殊的 DSP 指令 DSP芯片的另一个特征是采用特殊的指令。 2.1.3节中介绍的 DMOV 就是一个特殊的DSP 指令，它完成数据移位功能。在数字信号处理中，延迟操作非常重要，这个延迟就是由 DMOV 来实现的。 TMS32010 中的另一个特殊指令是 LTD，它在一个指令周期内完成LT、 DMOV 和 APAC 三条指令。 LTD 和 MPY 指令可以将 FIR 滤 波器抽头计算从 4 条指令降为 2 条指令。在第二代处理器中，如 TMS320C25，增加了 2 条更特殊的指令，即 RPT 和MACD 指令，采用这 2 条特殊指令，可以进一步将每个抽头的运算指令数从 2 条降为 1条： RPTK 255 ；重复执行下一条指令 256 次 MACD ； LT, DMOV, MPY 及 APAC 4.1.5 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。 TMS320 系列处理器的指令周期已经从第一代的 200ns 降低至现在的 20ns 以下。快速的指令周期使得 DSP 芯片能够实时实现许多 DSP应用。 4.2 TI 定点 DSP 芯片 自 1982 年 TI 推出第一个定点 DSP 芯片 TMS32010 以来， TI 的定点 DSP 芯片已经历了 TMS320C1X、 TMS320C2X/C2XX、 TMS320C5X、 TMS320C54 X、 TMS320C62X等几代产品，产品的性能价格比不断提高，应用越来越广泛。 nts中北大学分校学位论文（设计） 19 5 CCS 应用 5.1 开发系统软件安装 5.1.1 Code Composer Studio 软件安装系统要求 要使用 Code Composer Studio，你的操作平台必须满足以下的要求： IBM PC (或兼容机 ) Microsoft Window95/98 or Windows NT 4.0 32M内存， 100M 硬盘空间，奔腾处理器， SVGA(800*600) 5.1.2 Code Composer Studio 的安装 完整的安装 CCS软件包括以下两个步骤： (1) 安装 CCS 到系统中。将 CCS 安装光盘放入到光驱中，运行 CCS 安装程序setup.exe。如果在 WindowsNT 下安装，用户必须要具有系统管理员的权限 。安装完成后，在桌面上会有“ CCS C5000 1.20”和“ Setup CCS C5000 1.20”，两个快捷方式图标。分别对应 CCS应用程序和 CCS配置程序。 (2) 运行 CCS配置程序设置驱动程序。如果 CCS是在硬件目标板上运行，则要先安装目标板驱动卡，然后运行“ CCS Setup”配置驱动程序，最后才能执行 CCS。除非用户改变 CCS应用平台类型，否则只需运行一次 CCS 配置程序。 如果用户的操作系统为 Windows 95，则可能需要增强环境变量空间。方法是将语句“ shell=c:windows/e:4096/p”添加到 C盘根目录下的 CONFIG.SYS文件中，然后重新启动计算机。这条语句将环境变量空间设置为 4096字节。 5.2 CCS 软件的设置 安装 CCS软件与普通的程序安装类似，没有特殊要求。下面介绍安装完成后如何设置 CCS软件。运行 Code Composer Studio Setup 软件（即桌面上的 Setup CCStudio 图标），点击 Install a Device Driver，选择光盘附带的相应驱动程序。 (如图 5.1所示 ) nts步进电动机的 DSP 控制 20 图 5.1 CCS驱动程序安装界面 例如： 54系列： PCI开发器为 xdspci54x.dvr ISA开发器为 wtxds54xisa.dvr EPP开发器为 sdgo5xx32.dll 2X系列： PCI开发器为 xdspci2xx.dvr ISA开发器为 wtxds2xxisa.dvr EPP开发器为 sdgo2xx32.dll 图 5.2 选择驱动程序 nts中北大学分校学位论文（设计） 21 此时， Available Board/Simulator Type 一栏中会出现相应的驱动图标。 (如图 5.3所示 ) 图 5.3 出现驱动图标 把该图标拖动到最左边的 System Configuration 一栏中，出现 Board Properties对话框。（如图 5.4所示） 图 5.4 Board Properties对话框 nts步进电动机的 DSP 控制 22 在 Board Name& Data File 栏中，点击 NEXT，进入下一页，会显示板卡的 I/O 口值，不用修改，再点击 NEXT。 (如图 5.5所示 ) 图 .5.5 I/O 端口对话框 在 Processor Configuration 窗口，在 Available Processor 中选择 TMS320C5400,然后，点击 Add Single，对话框右边出现 CPU_1 图标。（如图 5.6所示） 图 5.6 Processor Configuration窗口 nts中北大学分校学位论文（设计） 23 最后，点击 finish。关闭 Code Composer Studio Setup 程序，选择保存。至此设置成功！运行 CCS C5000 1.20 软件，成功进入界面，则说明软硬件安装成功 。 5.3 CCS 文件名介绍 在使用 CCS前，应该先了解以下软件的文件名约定： Project.mak CCS 定义的工程文件 Program.c C程序文件 Program.asm 汇编语言程序文件 Filename.h C 语言的头文件，包括 DSP/BIOS API 模块 Filename.lib 库文件 Project.cmd 连接命令文件 Program.obj编译后的目标文件 Program.out 可在目标 DSP上执行的文件，可在 CCS监控下调试 /执行 Project.wks工作空间文件，可以记录你 的工作环境设置、 Program.cdb CCS 的设置数据库文件，是使用 DSP/BIOS API 必须的，其他没有使用 DSP/BIOS API的程序也可以使用，当新建一个设置数据库时，会产生下面的文件： Programcfg.cmd Programcfg.h54 Programcfg.s54 5.4 编写一个简单的程序 这一部分将介绍如何在 CCS下面新建一个程序，及如何编译、连接、下载、调试程序。 5.4.1 新建一个工程文件 (1) 如果你的 CCS 安装在 c:ti 目录下，请在 c:timyproject 目录下 新建一个目录，名为 test (2) 将光盘 test 文件夹下的所有文件拷贝到新目录中 (3) 运行 CCS 程序 (4) 选择 Project/New 菜单 (5) 在 Save New Project As 窗口中，选择你新建的目录，键入 test作为文件名，然后点击 Save.CCS 会给你新建一个叫 test.mak的工程文件，它将保存你的工程文件设置和工程引用的相关文件。 nts步进电动机的 DSP 控制 24 5.4.2 往工程中加入文件 (1) 选择 Project/Add Files to Project，选择 test.c加入文件中。 (2) 选择 Project/Add Files to Project，在文件类型选项中选择 *.c文件，选择test.c，加入文件。 (3) 选择 Project/Add Files to Project。在文件类型选项 CMD 文件（ *.cmd），选择 test.cmd。 (4) 此时，可以在工作窗口的工程视窗中 test.mak 旁的号，展开工程查看其中的文件。结果如下图所示： (5) 注意此时，一些包含的文件不会出现在 include目录下，编译后 CCS会自动加入，不必手动执行。 图 5.7 文件目录 5.4.3 浏览代码 和 Windows的浏览器相似，只要打开号展现下面的文件，然后双击文件的图标，在主窗口就会显示相应文件的原始代码。 5.4.4 编译 /执行程序 (1)选择 Project/Rebuild All，或工具条中的相应按钮。 (2)编译成功后，选择 File/Load Program，选择你刚编译的可执行程序 test.out。 (3)选择 Debug/Run，或工具条中的相应图标。 (4)运行程序。 nts中北大学分校学位论文（设计） 25 5.5 程序调试的环境应用 5.5.1 跟踪 /调试程序 (1)选择 Debut/Restart，重 新执行程序。 (2)不全速运行，而是选择 Debug/StepInto 或按 F8，单步执行。 (3)单步执行程序的同时，选择 View/CPU Registers/CPU Register 观察主要寄存器的变换。 5.5.2 关于出现问题的处理 如果在 CCS的编译连
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