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1 引言 數字信號處理器（DSP）已經(jīng)發(fā)展了20多年，最初僅在信號處理領(lǐng)域內應用。近年來(lái)， 隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，其高速運算能力使很多復雜的控制算法和功能得以實(shí)現，同時(shí)將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設功能集于一身，在控制領(lǐng)域內也得到很好的應用。數字控制系統克服了模擬控制系統電路功能單一、控制精度不高的缺點(diǎn)，它抗干擾能力強，可靠性高，可實(shí)現復雜控制，增強了控制的靈活性。 TMS320LF2407A是美國TI公司推出的新型高性能16位定點(diǎn)數字信號處理器，它專(zhuān)門(mén)為數字控制設計，集DSP的高速信號處理能力及適用于控制的優(yōu)化外圍電路于一體，在數字控制系統中得以廣泛應用 [1]。本文介紹其體系結構、功能特性及其在控制領(lǐng)域中的應用，為數字控制系統的設計提供參考。 2 體系結構和功能特性 2.1 系統組成 TMS320LF2407A系統組成包括：40MHz、40MIPS的低電壓3.3V CPU、片內存儲器、事件管理器模塊、片內集成外圍設備[2]。其體系結構框圖如圖1所示。 2.2 CPU及總線(xiàn)結構 TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定點(diǎn)低功耗內核。體系結構采用四級流水線(xiàn)技術(shù)加快程序的執行，可在一個(gè)處理周期內完成乘法、加法和移位運算。其中央算術(shù)邏輯單元（CALU）是一個(gè)獨立的算術(shù)單元，它包括一個(gè)32位算術(shù)邏輯單元（ALU）、一個(gè)32位累加器、一個(gè)16×16位乘法器（MUL）和一個(gè)16位桶形移位器，同時(shí)乘法器和累加器內部各包含一個(gè)輸出移位器。完全獨立于CALU的輔助寄存器單元（ARAU）包含八個(gè)16位輔助寄存器，其主要功能是在CALU操作的同時(shí)執行八個(gè)輔助寄存器（AR7至AR0）上的算術(shù)運算。兩個(gè)狀態(tài)寄存器ST0 和ST1用于實(shí)現CPU各種狀態(tài)的保存。 TMS320LF2407A采用增強的哈佛結構，芯片內部具有六條16位總線(xiàn)，即程序地址總線(xiàn)（PAB）、數據讀地址總線(xiàn)（DRAB）、數據寫(xiě)地址總線(xiàn)（DWAB）、程序讀總線(xiàn)（PRDB）、數據讀總線(xiàn)（DRDB）、數據寫(xiě)總線(xiàn)（DWEB），其程序存儲器總線(xiàn)和數據存儲器總線(xiàn)相互獨立，支持并行的程序和操作數尋址，因此CPU的讀/寫(xiě)可在同一周期內進(jìn)行，這種高速運算能力使自適應控制、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、遺傳算法等復雜控制算法得以實(shí)現。 2.3 存儲器配置 TMS320LF2407A地址映象被組織為三個(gè)可獨立選擇的空間：程序存儲器（64K）、數據存儲器（64K）、輸入/輸出（I/O）空間（64K）。這些空間提供了共192K字的地址范圍。 其片內存儲器資源包括：544字×16位的雙端口數據/程序DARAM、2K字×16位的單端口數據/程序SARAM、片內32K×16位的Flash程序存儲器、256字×16位片上Boot ROM、片上Flash/ROM具有可編程加密特性。 TMS320LF2407A的指令集有三種基本的存儲器尋址方式：立即尋址方式、直接尋址方式、間接尋址方式。 2.4 事件管理器模塊 TMS320LF2407A包含兩個(gè)專(zhuān)用于電機控制的事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)事件管理器模塊包括通用定時(shí)器（GP）、全比較單元、正交編碼脈沖電路以及捕獲單元。 ① 通用定時(shí)器。TMS320LF2407A共有四個(gè)16位通用定時(shí)器，可用于產(chǎn)生采樣周期，作為全比較單元產(chǎn)生PWM輸出以及軟件定時(shí)的時(shí)基。通用定時(shí)器有四種可選擇的操作模式：停止/保持模式、連續增計數模式、定向增/減計數模式和連續增/減計數模式。每個(gè)通用定時(shí)器都有一個(gè)相關(guān)的比較寄存器TxCMPR和一個(gè)PWM輸出引腳T xPWM。每個(gè)通用定時(shí)器都可以獨立地用于提┮桓鯬WM輸出通道，可產(chǎn)生非對稱(chēng)或對稱(chēng)PWM波形，因此，四個(gè)通用定時(shí)器最多可提供4路PWM輸出。 ② 全比較單元。每個(gè)事件管理器模塊有3個(gè)全比較單元（1、2和3（EVA）； 4、5和6（EVB）），每個(gè)比較單元各有一個(gè) 16位比較寄存器 CMPRx，各有兩個(gè)CMP / PWM輸出引腳，可產(chǎn)生2路 PWM輸出信號控制功率器件，其輸出引腳極性由控制寄存器 (ACTR)的控制位來(lái)決定，根據需要，選擇高電平或低電平作為開(kāi)通信號，通過(guò)設置T1為不同工作方式，可選擇輸出對稱(chēng)PWM波形、非對稱(chēng)PWM波形或空間矢量PWM波形。 死區控制單元 (DBTCON)用來(lái)產(chǎn)生可編程的軟件死區，使得受每個(gè)全比較單元的兩路CMP / PWM輸出控制的功率器件的間次開(kāi)啟周期間沒(méi)有重疊，最大可編程的軟件死區時(shí)間達16μs。 ③ 正交編碼脈沖電路。正交編碼脈沖（QEP）電路可以對引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2上的正交編碼脈沖進(jìn)行解碼和計數，可以直接處理光電編碼盤(pán)的2路正交編碼脈沖，正交編碼脈沖包含兩個(gè)脈沖序列，有變化的頻率和四分之一周期（90°）的固定相位偏移，對輸入的2路正交信號進(jìn)行鑒相和4倍頻。通過(guò)檢測2路信號的相位關(guān)系可以判斷電機的正/反轉，并據此對信號進(jìn)行加/減計數，從而得到當前的計數值和計數方向，即電機的角位移和轉向，電機的角速度可以通過(guò)脈沖的頻率測出。 ④ 捕獲單元。捕獲單元用于捕獲輸入引腳上信號的跳變，兩個(gè)事件管理器模塊總共有六個(gè)捕獲單元。EVA模塊有三個(gè)捕獲單元引腳CAP1、CAP2和CAP3，它們可以選擇通用定時(shí)器1或2作為時(shí)基，但CAP1和CAP2一定要選擇相同的定時(shí)器作為時(shí)基；EVB模塊也有三個(gè)捕獲單元引腳CAP4、 CAP5和CAP6，它們可以選擇通用定時(shí)器3或4作為時(shí)基，但CAP4和CAP5一定要選擇相同的定時(shí)器作為時(shí)基。每個(gè)單元各有一個(gè)兩級的FIFO緩沖堆棧。當捕獲發(fā)生時(shí)，相應的中斷標志被置位，并向CPU發(fā)中斷請求。 2.5 片內集成外設 TMS320LF2407A片內集成了豐富的外設，大大減少了系統設計的元器件數量。 ① 串行通信口。TMS320LF2407A設有一個(gè)異步串行外設通信口（SCI）和一個(gè)同步串行外設通訊口（SPI），用于與上位機、外設及多處理器之間的通信。SCI即通用異步收發(fā)器（UART）支持 RS－232和RS－485的工業(yè)標準全雙工通信模式，用來(lái)與上位機的通信；SPI可用于同步數據通信，典型應用包括TMS320LF2407A之間構成多機系統和外部I/O擴展，如顯示驅動(dòng)。 ② A/D轉換模塊。包括兩個(gè)帶采樣/保持的各8路10位A/D轉換器，具有自動(dòng)排序能力，一次可執行最多16個(gè)通道的自動(dòng)轉換，可工作在8個(gè)自動(dòng)轉換的雙排序器工作方式或一組16個(gè)自動(dòng)轉換通道的單排序器工作方式。A/D轉換模塊的啟動(dòng)可以有事件管理器模塊中的事件源啟動(dòng)、外部信號啟動(dòng)、軟件立即啟動(dòng)等三種方式。 ③ 控制器區域網(wǎng)（CAN）。是現場(chǎng)總線(xiàn)的一種，主要用于各種設備的監測及控制。TMS320LF2407A片上CAN控制器模塊是一個(gè)16位的外設模塊，該模塊完全支持CAN2.0B協(xié)議，6個(gè)郵箱(其中0、1用于接收；4、5用于發(fā)送；2、3可配置為接收或發(fā)送)每次可以傳送0~8個(gè)字節的數據，具有可編程的局部接收屏蔽、位傳輸速率、中斷方案和總線(xiàn)喚醒事件、超強的錯誤診斷、自動(dòng)錯誤重發(fā)和遠程請求回應、支持自測試模式等功能。 CAN總線(xiàn)通信可靠性高，節點(diǎn)數有110個(gè)，傳輸速度高達1Mb/s（此時(shí)距離最長(cháng)為40m），直接通信距離可達10km（速率5kb/s以下），采用雙絞線(xiàn)差動(dòng)方式進(jìn)行通信，有很強的抗干擾能力。 ④ 鎖相環(huán)電路（PLL）和等待狀態(tài)發(fā)生器。前者用于實(shí)現時(shí)鐘選項；后者可通過(guò)軟件編程產(chǎn)生用于用戶(hù)需要的等待周期，以配合外圍低速器件的使用。 ⑤ 看門(mén)狗定時(shí)器與實(shí)時(shí)中斷定時(shí)器。均為8位增量計數器，前者用于監控系統軟件和硬件工作，在CPU出錯時(shí)產(chǎn)生復位信號；后者用于產(chǎn)生周期性的中斷請求。 ⑥ 外部存儲器接口�？蓴U展為192K字×16位的最大可尋址存儲器空間（64K字程序存儲器、 64K字數據存儲器、64K字I/O空間）。 ⑦ 數字I/O。TMS320LF2407A有40個(gè)通用、雙向的數字I/O引腳，其中大多數都是基本功能和一般I/O復用引腳。 ⑧ JTAG接口。由于TMS320LF2407A結構復雜、工作速度快、外部引腳多、封裝面積小、引腳排列密集等原因，傳統的并行仿真方式已不適合于TMS320LF2407A的開(kāi)發(fā)應用。TMS320LF2407A 具有符合IEEE1149.1規范的5線(xiàn)JTAG（邊界掃描邏輯）串行仿真接口，能夠極其方便地提供硬件系統的在線(xiàn)仿真和測試。 ⑨ 外部中斷。有五個(gè)外部中斷（功率驅動(dòng)保護、復位、不可屏蔽中斷NMI及兩個(gè)可屏蔽中斷）。 3 主要應用 TMS320LF2407A為高性能的控制提供先進(jìn)、可靠、高效的信號處理與控制的平臺，它將數字信號處理的運算能力與面向高性能控制的能力集于一體，可以實(shí)現用軟件取代模擬器件，可方便地修改控制策略，修正控制參數，兼具故障監測、自診斷和上位機管理與通信等功能，將成為控制系統開(kāi)發(fā)的主流處理器 [3]，可廣泛應用于：工業(yè)電機驅動(dòng)；能量交換器如UPS、通信電源；自動(dòng)化系統如電力控制、抗鎖死制動(dòng)；磁盤(pán)/光盤(pán)伺服控制和大容量存儲產(chǎn)品；打印機、復印機和其他辦公產(chǎn)品；儀器、儀表；機器人控制。 TMS320LF2407A被廣泛用于數字化控制中，一個(gè)基于DSP的逆變電源控制系統原理框圖見(jiàn)圖2。系統主要由DSP（TMS320LF2407A）、電壓電流反饋、PWM驅動(dòng)放大電路、鍵盤(pán)顯示及上位機組成。當DSP接受主機發(fā)出的參考輸入后，將其轉換為PWM輸出，經(jīng)過(guò)驅動(dòng)放大送給逆變主電路，產(chǎn)生輸出。逆變電路輸出的電壓、電流反饋信號送入A/D轉換器引腳。通過(guò)光電編碼器檢測電機的轉動(dòng)方向及轉角，反饋回DSP的正交編碼脈沖電路（QEP），形成閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)有效地控制交流電機。鍵盤(pán)和顯示由SPI同步串行口實(shí)現，用于讀取鍵盤(pán)輸入和寫(xiě)輸出到顯示器。DSP與上位機之間的通信由SCI異步串行口實(shí)現。JTAG接口用于系統的在線(xiàn)仿真和測試。 4 結束語(yǔ) 隨著(zhù)工業(yè)控制性能要求的提高，控制方案的選擇變得越來(lái)越關(guān)鍵，逐步形成了由數字控制代替模擬控制的局面。TMS320LF2407A為數字控制應用提供了理想的解決方案。 |
