第8-10章DSP应用系统设计

1、1第第1010章章 DSPDSP应用系统设计应用系统设计10.1 2407 DSP系统硬件设计系统硬件设计10.2 基于基于DSP的数字运动控制系统的数字运动控制系统10.3 快速傅里叶变换与快速傅里叶变换与FIR数字滤波器数字滤波器 210.1 2407 DSP系统硬件设计系统硬件设计时钟电路时钟电路CAN驱动器CAN驱动器SN65HVD251SN65HVD251SPISPIWDWDSCISCICANCANI/OI/OFlashFlash扩展64KW RAM扩展64KW RAMIS61LV6416IS61LV6416QEPQEP单元单元A/DA/D接口接口TMS320F2407TMS320F

2、2407DSPDSP驱动器驱动器MAX3232MAX3232复位电路复位电路JTAGJTAG接口接口电源电路电源电路2407 DSP系统系统 一个典型的一个典型的2407 DSP应用系统应用系统 3 电源电路电源电路 复位电路复位电路 时钟电路时钟电路 JTAG电路电路 存储器扩展存储器扩展 电平转换电平转换 CAN接口电路接口电路 RS232/485接口电路接口电路 指示灯电路，指示灯电路， A/D, D/A电路电路 运算放大器电路、功率驱动电路运算放大器电路、功率驱动电路 键盘与显示电路键盘与显示电路DSP应用系统基本电路应用系统基本电路41. 电源电路电源电路 2407 DSP系统需要系

3、统需要3.3V电源，片内外设电源电源，片内外设电源VDDIO为。为。2407 DSP的的Flash编程电压编程电压VCCP为为5V， ADC有时需有时需要独立的模拟电源。要独立的模拟电源。 采用采用TPS7333Q的的DSP电源电路电源电路 52. 时钟电路时钟电路 2812 DSP的时钟电路有内部振荡器方式和外部振荡器方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，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，在频率范围很宽，在1Hz400MHz之间。无源晶体价格便宜，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

4、给多个器件共享，且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，一般在频率范围较窄，一般在10kHz60MHz之间。之间。 2812 DSP时钟电路时钟电路 (a) 内部振荡器方式NC(b) 外时钟源方式XTAL1/CLKINXTAL2C1C220MHzDSP31DSPVDD42VDDGNDOUTPUT0.331K20MHz有源晶振XTAL2XTAL1/CLKIN63. 复位电路复位电路 2407 DSP为低电平复位。为低电平复位。通常的复位电路设计有通常的复位电路设计有RC电路法和专用芯片法。电路法和专用芯片法。 RC复位电路复位电路 DSPVDD/RS2210K74LV

5、T14RESET200GND7MAX811复位电路复位电路 VDD3142/MRGNDVcc/RSTMAX811/RSDSP1KRESET84. JTAG接口接口 对对DSP的仿真调试需要通过仿真器进行，仿真器通过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芯片提供的扫描仿真(JTAG)引脚实现仿真功能。引脚实现仿真功能。DSP仿真头采用仿真头采用14根信号线，符合根信号线，符合JTAG IEEE1149.1标准。标准。 JTAG接口接口95. 存储器扩展存储器扩展 2407 DSP片内有片内有32KW的的Flash存储器、存储器、544W的的DARAM和和2KW的的SAR

6、AM。 用户程序可以烧写入用户程序可以烧写入32KW的的Flash存储器，但在开存储器，但在开发调试过程中，程序需要不断修改，反复写入发调试过程中，程序需要不断修改，反复写入Flash存储存储器显得不方便。可以将被调试的程序放入片内器显得不方便。可以将被调试的程序放入片内2KW的的SARAM。由于。由于DSP越来越多地采用越来越多地采用C语言编程，程序占语言编程，程序占用存储器较大，所以往往扩展片外用存储器较大，所以往往扩展片外RAM存储器用于程序存储器用于程序调试。在开发阶段，将程序放入调试。在开发阶段，将程序放入RAM存储器（称为仿真存储器（称为仿真RAM），可以方便地进行单步执行、设置断

7、点及连续执），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。当然，扩展的片外行等调试操作。当然，扩展的片外RAM也可以用作数据也可以用作数据存储器。存储器。 10 2407 DSP的程序存储器、数据存储器与的程序存储器、数据存储器与I/O地址空间都各地址空间都各有有64KW。其外部扩展有关的引脚为。其外部扩展有关的引脚为(1) 16根外部地址总线根外部地址总线A15A0。(2) 16根外部数据总线根外部数据总线D15D0。(3) 微处理器微处理器/微计算机方式选择信号微计算机方式选择信号MP/nMC。该引脚为高。该引脚为高电平时，为微处理器方式，复位后，从外部存储器的电平时，为微处理器

8、方式，复位后，从外部存储器的0000H地址开始执行程序；低电平时为微计算机方式，地址开始执行程序；低电平时为微计算机方式，复位后，从内部存储器的复位后，从内部存储器的0000H地址开始执行程序。地址开始执行程序。 (4) 外部数据存储器访问选通信号外部数据存储器访问选通信号nSTRB。低电平有效。低电平有效。 (5) 外部数据存储器空间选通信号外部数据存储器空间选通信号nDS。低电平有效。低电平有效。(6) 外部程序存储器空间选通信号外部程序存储器空间选通信号nPS。低电平有效。低电平有效。(7) 外部外部I/O空间选通信号空间选通信号nIS。低电平有效。低电平有效。(8) 低电平有效的写选通

9、信号低电平有效的写选通信号nWE。(9) 低电平有效的读选通信号低电平有效的读选通信号nRD。11DSP存储器扩展存储器扩展 DSPA15A15A0/WEIO15存储器A0IO0D15D0/WE/RD/RD/CE&/PS/DSTMS320LF2407AIS61LV6416SN74HC081210.2 基于基于DSP的数字运动控制系统的数字运动控制系统 基于基于DSP的数字运动控制系统是一种典型的数字运动控制系统是一种典型DSP应用系应用系统，是统，是C2000系列系列DSP的主要应用领域之一。运动控制系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。数字统通

10、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控制系统为功率逆变器提供开关驱动信号, 将电源转换为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。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

11、度和位置三环控制系统。流伺服系统是电流、速度和位置三环控制系统。 13功率电源功率逆变器软件数字控制系统电机负载电量机械量传感器传感器命令输入 数字运动控制系统逆变器驱动信号141. 永磁同步电机矢量控制原理永磁同步电机矢量控制原理三相三相A,B,C到两相到两相,坐标系统变换坐标系统变换 2121212323021211320cbaiiiiii两相静止坐标变换到转子旋转坐标变换即两相静止坐标变换到转子旋转坐标变换即d,q变换变换 id= i cos+ i siniq=-i sin+ i cos 15d、q坐标电压方程即坐标电压方程即Park方程为方程为 ud=Raid + pd q uq=Ra

12、iq+ pq +d 电磁转矩方程为电磁转矩方程为 Te=3/2 pn(diq-qid)= 3/2pnf iq +(Ld -Lq) id iq 16PIPIPIPId,q,d,qSVPWMa,b,c,PMSMPGkdm/dt*p*4-/3-+-+-+_+-rnnidr=0mmiqidiqruqudUdciaibiiuu 伺服系统控制原理框图rn2. 永磁同步电机数字伺服系统控制原理永磁同步电机数字伺服系统控制原理173. 永磁同步电机空间矢量永磁同步电机空间矢量PWM控制控制PMSMABCUdcQ1Q2Q4Q6Q3Q5三相逆变器主回路三相逆变器主回路 18U U60(110)U U0(100)U

13、 U3 300(101)U U240(001)U U120U U180(010)(011)UUU Uout(000)(111)T1/TU U0 空间电压矢量调制(SVPWM)60o60U UTT201U UTT19SVPWM开关顺序开关顺序204. 伺服控制系统结构与硬件设计伺服控制系统结构与硬件设计LED 显示LED 显示上位机上位机PCPC键盘键盘SPISPIWD RTIWD RTISCISCICANCANI/OI/OFlashFlashPWM 输出输出软件控制器软件控制器（位置，速度，电流）（位置，速度，电流）QEPQEP单元单元A/DA/D接口接口参考给定参考给定脉冲输入脉冲输入电流信

14、号电流信号TMS320LF2407ATMS320LF2407ADSPDSP215. 软件设计软件设计命令解释执行、参考给定串行收发电流、速度、位置SCI RTIADC RTIT1 RTISCIADCPWMT1QEP电流位置I/O数据交换层实时中断层（RTI)I/O接口层数字伺服系统数字伺服系统DSP控制软件结构控制软件结构 22功率电路接口通讯系统逻辑(实时OS)+控制算法数据采集与处理调试与诊断监视与保护显示存储辅助功能功率逆变器驱动信号传感器信号系统变量输出命令输入数字运动控制系统基本功能23读位置读电流 ,查表求sin,cos坐标变换求qdii ,baii 电流PI控制坐标反变换求 ，P

15、WM控制返回UU 中断服务程序电流控制2400.20.40.60.81.0采样时间 t (s)n (r/min)iq (A)iqn015003000-1500-300001.02.0-1.0-2.0数字伺服系统电流与速度响应曲线数字伺服系统电流与速度响应曲线 2510.3 快速傅里叶变换与快速傅里叶变换与FIR数字滤波器数字滤波器10.3.1 快速傅里叶变换快速傅里叶变换 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

16、傅里叶变换（统称为频谱）反映了系统的性能。快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)是离散傅里叶变换是离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT)的快速实现方法的快速实现方法 。 快速傅里叶变换的基本原理快速傅里叶变换的基本原理非周期连续时间信号非周期连续时间信号x(t)的傅里叶变换为的傅里叶变换为 dtetxXtj)()(26序列序列x(n)的离散傅里叶变换的离散傅里叶变换 )/2sin()/2cos(1,.,1 , 0 , )()(/210NnkjNnkeWNkWnxkXNnkjnkNNnnkN1-/20,1,., ),()

17、()(21NkkXWkXkXkN快速傅里叶变换快速傅里叶变换1-/20,1,., , )()( )2/(21NkkXWkXNkXkN 一个一个N点的点的DFT可以分解为两个可以分解为两个N/2点的点的DFT，每个，每个N/2点的点的DFT又可以分解为两个又可以分解为两个N/4点的点的DFT。当。当N为为2的整的整数次幂时数次幂时,由于每分解一次降低一次幂阶，通过由于每分解一次降低一次幂阶，通过M次分解，次分解，最后全部成为一系列最后全部成为一系列2点点DFT运算。运算。 27例，时间抽取的例，时间抽取的FFT算法算法DSP C语言实现实例。语言实现实例。FFT运算函数与主函数为运算函数与主函数

18、为#includemath.h/数学函数头文件数学函数头文件#define PI 3.1415926#define N 128/采样次数采样次数Nvoid InitForFFT( );/FFT初始化函数初始化函数void MakeWave( );/波形发生函数波形发生函数void finv(int N1, float *xr, float *xi);/倒序运算函数倒序运算函数f(N1,Xr,Xi)，对输入序列倒序，对输入序列倒序int INPUTN, DATAN;float fWaveRN, fWaveIN, wN;float sin_tabN,cos_tabN;/正余弦函数表正余弦函数表in

19、t Mum; /Mum为蝶形运算的级数为蝶形运算的级数28void FFT(float XrN,float XiN) /时间抽取法时间抽取法FFT程序，要求采样点数程序，要求采样点数N为为2的整数幂次方的整数幂次方/Xr , Xi 分别为输入序列的实部和虚部分别为输入序列的实部和虚部int S,B;/S为旋转因子的幂数为旋转因子的幂数, B为蝶形运算输入数据的距离，为蝶形运算输入数据的距离，/也即各级旋转因子的个数也即各级旋转因子的个数int m, j, k;float X,Y;finv(N, Xr, Xi); /倒序运算函数，对输入序列倒序倒序运算函数，对输入序列倒序for (m=1; m=

20、Mum; m+)B=(int)(pow(2,m-1)+0.5); /B=2(m-1)for(j=0; jB; j+) /每级需要进行每级需要进行B种蝶形运算种蝶形运算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)29/每种蝶形运算在某一级中需要进行每种蝶形运算在某一级中需要进行N/pow(2,m)次次 /蝶形运算展开，结果的实部和虚部蝶形运算展开，结果的实部和虚部 /分别存储在原实部和虚部位置分别存储在原实部和虚部位置X=Xrk+B*cos_tabS+Xik+B*sin_tabS;Y=X

21、ik+B*cos_tabS-Xrk+B*sin_tabS;Xrk+B=Xrk-X;Xik+B=Xik-Y;Xrk=Xrk+X;Xik=Xik+Y;for ( m=0;mN/2;m+ ) wm=sqrt(Xrm*Xrm+Xim*Xim); /计算功率普计算功率普 30main()int i;InitForFFT( ); /FFT初始化函数初始化函数MakeWave( ); /波形发生函数波形发生函数for ( i=0;iN;i+ )fWaveRi=INPUTi;fWaveIi=0.0; wi=0.0;Mum=(int)(0.5+log(N)/log(2);/Mum为蝶形运算的级数为蝶形运算的级数

22、, N=2MumFFT(fWaveR,fWaveI);for ( i=0;iN;i+ ) DATAi=wi;while ( 1 ); 31void InitForFFT()/FFT初始化函数，建立正余弦函数表初始化函数，建立正余弦函数表int i;for ( i=0;iN;i+ )sin_tabi=sin(PI*2*i/N);cos_tabi=cos(PI*2*i/N);void MakeWave()/波形发生函数波形发生函数int i;for ( i=0;iN;i+ )INPUTi=sin(PI*2*i/N*3)*1024; /f=3Hz, 正弦函数正弦函数32FFT函数包含的函数函数包含的

23、函数finv(N,Xr,Xi)为倒序运算，函数代码如下。为倒序运算，函数代码如下。/倒序运算函数倒序运算函数finv(N1,Xr,Xi)，对输入序列倒序，对输入序列倒序/N1为序列长度为序列长度; Xr , Xi 分别为输入序列的实部和虚部分别为输入序列的实部和虚部/倒序原理：倒序数的加倒序原理：倒序数的加1是在最高位加是在最高位加1，/满满2向次高位进向次高位进1，最高位变，最高位变0，依次往下，依次往下/从当前倒序值可求下一倒序值从当前倒序值可求下一倒序值void finv(int N1, float *xr, float *xi)/倒序运算函数倒序运算函数f(N1,Xr,Xi)，对输入序

24、列倒序，对输入序列倒序int m, n,N2,k;/ m为正序数；为正序数；n为到序数；为到序数；k为各个权值；为各个权值；N2为最高位的权值为最高位的权值float T;/临时变量临时变量TN2=N1/2;/最高位加最高位加1相当于十进制加上最高位的权相当于十进制加上最高位的权N1/2n=N2;/第一个倒序值第一个倒序值for (m=1; m=N1-2;m+)/第第0个和最后一个不倒序个和最后一个不倒序33if(mn) /为了避免再次调换，只需对为了避免再次调换，只需对m=k)n=n-k;/次高位位次高位位1，继续上下进位，满，继续上下进位，满2置置0k=(int)(k/2+0.5); /向

25、下权值依次比上级减半向下权值依次比上级减半n=n+k;/得到下一倒序值得到下一倒序值 3410.3.2 FIR数字滤波器数字滤波器 在数字信号处理中，数字滤波占有极其重要的地位。在数字信号处理中，数字滤波占有极其重要的地位。无限冲击响应无限冲击响应(Finite Impulse Response, FIR)数字滤波器数字滤波器(Digital Filter)是一种常用数字信号处理算法。利用窗函是一种常用数字信号处理算法。利用窗函数法设计数法设计FIR滤波器，可以实现线性相位的数字滤波器滤波器，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数字滤波器的设计方法设设FIR数字滤波器的单位冲击响应为数字滤波器的单位冲击响应为h(n)，则传递函数则传递函数H(z)为为 )(z)10NnnznhH35FIR数字滤波器的系数数字滤波器的系数h(n) 10,1,., ),()()(1N- nnhnwnhw(n)为窗函数。理想单位冲击响应为窗函数。理想单位冲击响应h1(n)可以根据给定可以根据给定的理想频率响应求得的理想频率响应求得 )(21)(11d