第8章DSP应用系统设计

2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 1 第8章DSP应用系统设计 8 12812DSP系统硬件设计8 2基于DSP的数字运动控制系统8 3快速傅里叶变换与FIR数字滤波器 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 2 8 12812DSP系统硬件设计 2812DSP系统 一个典型的2812DSP应用系统 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 3 单片系统SingleChipSolution F2812 2810DSP最小系统 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 4 281xDSP最小系统的电源 时钟 JTAG电路 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 5 电源电路复位电路时钟电路JTAG电路存储器扩展电平转换CAN接口电路RS232 485接口电路指示灯电路 A D D A电路运算放大器电路 功率驱动电路键盘与显示电路 DSP应用系统基本电路 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 6 1 电源电路 2812DSP系统至少需要两组电源供电 内核电源VDD为1 8V 或1 9V 片内外设电源VDDIO为3 3V 2812DSP的Flash编程电压VDD3VFL ADC模拟电路电源VDDA1 VDDA2也为3 3V 有时需要独立的模拟电源 采用TPS767D318芯片的DSP电源电路 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 7 2 时钟电路 2812DSP的时钟电路有内部振荡器方式和外部振荡器方式 即无源晶振和有源晶振方式 有源晶振驱动能力较强 频率范围很宽 在1Hz 400MHz之间 无源晶体价格便宜 但是它的驱动能力较差 一般不能提供给多个器件共享 且频率范围较窄 一般在10kHz 60MHz之间 2812DSP时钟电路 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 8 3 复位电路 2812DSP为低电平复位 通常的复位电路设计有RC电路法和专用芯片法 RC复位电路 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 9 MAX811复位电路 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 10 4 JTAG接口 对DSP的仿真调试需要通过仿真器进行 仿真器通过DSP芯片提供的扫描仿真 JTAG 引脚实现仿真功能 DSP仿真头采用14根信号线 符合JTAGIEEE1149 1标准 JTAG接口 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 11 5 存储器扩展 2812DSP片内有4M字 Word W 存储器地址空间 有128K字的Flash存储器 1K字的OTP型ROM 18K字RAM 4K字的引导 Boot ROM 用户程序可以烧写入128K字的Flash存储器 但在开发调试过程中 程序需要不断修改 反复写入Flash存储器显得不方便 可以将被调试的程序放入片内18K字RAM 18K字片内RAM包括1KW的M0 1KW的M1 4KW的L0 4KW的L1和8KW的H0 由于DSP越来越多地采用C语言编程 程序占用存储器较大 所以往往扩展片外RAM存储器用于程序调试 在开发阶段 将程序放入RAM存储器 称为仿真RAM 可以方便地进行单步执行 设置断点及连续执行等调试操作 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 12 外部存储器及I O扩展XINTFZone0 1 Zone2 Zone6 7 1M 32K 数据线XD0 XD15 地址线XA0 XA18地址译码 138 PAL GAL CPLD 控制信号线XRS 复位引脚 XMP MC 微处理器 微计算机选择信号 XR W 读 写选择信号 XRD 读使能信号 XWE 写使能信号 XREADY 准备好信号 X1 XCLKIN 振荡器输入信号 X2 振荡器输出信号 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 13 DSP存储器扩展 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 14 8 2基于DSP的数字运动控制系统 基于DSP的数字运动控制系统是一种典型DSP应用系统 是C2000系列DSP的主要应用领域之一 运动控制系统通常由电机 功率逆变器和数字控制系统等组成 数字控制系统为功率逆变器提供开关驱动信号 将电源转换为电机所需的电压和电流 由电动机直接或通过减速齿轮等驱动机械负载 其中的电机可以是永磁同步电机 无刷直流电机 交流异步电机等 以永磁同步电机为控制对象的数字交流伺服系统在数控机床 机器人等运动控制领域获得了广泛应用 交流伺服系统是电流 速度和位置三环控制系统 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 15 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 16 1 永磁同步电机矢量控制原理 三相A B C到两相 坐标系统变换 两相静止坐标变换到转子旋转坐标变换即d q变换 id i cos i sin iq i sin i cos 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 17 d q坐标电压方程即Park方程为 ud Raid p d quq Raiq p q d 电磁转矩方程为 Te 3 2pn diq qid 3 2pn fiq Ld Lq idiq 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 18 2 永磁同步电机数字伺服系统控制原理 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 19 3 永磁同步电机空间矢量PWM控制 三相逆变器主回路 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 20 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 21 SVPWM开关顺序 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 22 4 伺服控制系统结构与硬件设计 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 23 5 软件设计 数字伺服系统DSP控制软件结构 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 24 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 25 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 26 数字伺服系统电流与速度响应曲线 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 27 键盘和显示电路 D A转换电路 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 28 8 3快速傅里叶变换与FIR数字滤波器 8 3 1快速傅里叶变换 傅里叶变换是一种将时域信号变换为频域信号的变换形式 在频域分析中 信号的频率及对应的幅值 相位 统称为频谱 反映了系统的性能 快速傅里叶变换 FastFourierTransform FFT 是离散傅里叶变换 DiscreteFourierTransform DFT 的快速实现方法 快速傅里叶变换的基本原理 非周期连续时间信号x t 的傅里叶变换为 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 29 序列x n 的离散傅里叶变换 快速傅里叶变换 一个N点的DFT可以分解为两个N 2点的DFT 每个N 2点的DFT又可以分解为两个N 4点的DFT 当N为2的整数次幂时 由于每分解一次降低一次幂阶 通过M次分解 最后全部成为一系列2点DFT运算 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 30 例 时间抽取的FFT算法DSPC语言实现实例 FFT运算函数与主函数为 include math h 数学函数头文件 definePI3 1415926 defineN128 采样次数NvoidInitForFFT FFT初始化函数voidMakeWave 波形发生函数voidfinv intN1 float xr float xi 倒序运算函数f N1 Xr Xi 对输入序列倒序intINPUT N DATA N floatfWaveR N fWaveI N w N floatsin tab N cos tab N 正余弦函数表intMum Mum为蝶形运算的级数 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 31 voidFFT floatXr N floatXi N 时间抽取法FFT程序 要求采样点数N为2的整数幂次方 Xr Xi 分别为输入序列的实部和虚部intS B S为旋转因子的幂数 B为蝶形运算输入数据的距离 也即各级旋转因子的个数intm j k floatX Y finv N Xr Xi 倒序运算函数 对输入序列倒序for m 1 m Mum m B int pow 2 m 1 0 5 B 2 m 1 for j 0 j B j 每级需要进行B种蝶形运算 S j int pow 2 Mum m 0 5 S 2 Mum 1 for k j k N 1 k int pow 2 m 0 5 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 32 每种蝶形运算在某一级中需要进行N pow 2 m 次 蝶形运算展开 结果的实部和虚部 分别存储在原实部和虚部位置X Xr k B cos tab S Xi k B sin tab S Y Xi k B cos tab S Xr k B sin tab S Xr k B Xr k X Xi k B Xi k Y Xr k Xr k X Xi k Xi k Y for m 0 m N 2 m w m sqrt Xr m Xr m Xi m Xi m 计算功率普 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 33 main inti InitForFFT FFT初始化函数MakeWave 波形发生函数for i 0 i N i fWaveR i INPUT i fWaveI i 0 0 w i 0 0 Mum int 0 5 log N log 2 Mum为蝶形运算的级数 N 2 MumFFT fWaveR fWaveI for i 0 i N i DATA i w i while 1 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 34 voidInitForFFT FFT初始化函数 建立正余弦函数表 inti for i 0 i N i sin tab i sin PI 2 i N cos tab i cos PI 2 i N voidMakeWave 波形发生函数 inti for i 0 i N i INPUT i sin PI 2 i N 3 1024 f 3Hz 正弦函数 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 35 FFT函数包含的函数finv N Xr Xi 为倒序运算 函数代码如下 倒序运算函数finv N1 Xr Xi 对输入序列倒序 N1为序列长度 Xr Xi 分别为输入序列的实部和虚部 倒序原理 倒序数的加1是在最高位加1 满2向次高位进1 最高位变0 依次往下 从当前倒序值可求下一倒序值voidfinv intN1 float xr float xi 倒序运算函数f N1 Xr Xi 对输入序列倒序 intm n N2 k m为正序数 n为到序数 k为各个权值 N2为最高位的权值floatT 临时变量TN2 N1 2 最高位加1相当于十进制加上最高位的权N1 2n N2 第一个倒序值for m 1 m N1 2 m 第0个和最后一个不倒序 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 36 if m k n n k 次高位位1 继续上下进位 满2置0k int k 2 0 5 向下权值依次比上级减半 n n k 得到下一倒序值 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 37 8 3 2FIR数字滤波器 在数字信号处理中 数字滤波占有极其重要的地位 无限冲击响应 FiniteImpulseResponse FIR 数字滤波器 DigitalFilter 是一种常用数字信号处理算法 利用窗函数法设计FIR滤波器 可以实现线性相位的数字滤波器 1 FIR数字滤波器的设计方法 设FIR数字滤波器的单位冲击响应为h n 则传递函数H z 为 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 38 FIR数字滤波器的系数h n w n 为窗函数 理想单位冲击响应h1 n 可以根据给定的理想频率响应求得 FIR数字滤波器的差分方程为 式中 x i 为输入序列 y i 为输出序列 N为滤波器阶数 2020 4 7 山东大学控制学院张东亮 39 滤波器差分方程为y i 0 001x i 2 0 002x i 3 0 002x i 4 0 01x i 5 0 009x i 6 0 018x i 7 0 049x i 8 0 02x i 10 0 11x i 11 0 28x i 12 0 64x i 13 0 28x i 14 0 11x i 15 0 02x i 16 0 049x i 17 0 018x i 18 0 009x i 19 0 01x i 20 0 002x i 21 0 002x i 22 0 001x i 23 例 实现一个低通F