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1 引言 近年來(lái)，數字信號處理器（DSP）芯片已經(jīng)廣泛用于自動(dòng)控制、圖像處理、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )設備、儀器儀表和家電等領(lǐng)域;DSP為數字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎。目前，應用最廣泛的DSP芯片是TI（德州儀器）公司的產(chǎn)品，TMS320C2000系列是該公司的適合于數字控制的一種DSP。這種系列DSP芯片具有完美的性能并集成了閃存、高速A/D轉換器、高性能的CAN模塊等，因此使用它可以降低開(kāi)發(fā)難度，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，有效地降低開(kāi)發(fā)成本，具有很高的性?xún)r(jià)比。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000系列中最新的、集成度最高、性能最強的運動(dòng)控制DSP芯片。 天然氣作為動(dòng)力能源是傳統燃料的理想替代品。各種天然氣發(fā)動(dòng)機的專(zhuān)用電子控制系統不斷地涌現，使天然氣發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、排放性等各項性能不斷提高。天然氣專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機通過(guò)良好的控制可以比同等的汽油機和柴油機具有更低的排放，并且動(dòng)力性能有很大的提高，因此選用高性能的DSP芯片設計好天然氣發(fā)動(dòng)機控制系統是非常重要的。 2 TMS320LF2407芯片簡(jiǎn)介 DSP芯片是一種具有特殊結構的微處理器。該芯片的內部采用程序和數據分開(kāi)的哈佛結構，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線(xiàn)操作，提供特殊的指令，可以用來(lái)快速地實(shí)現各種數字信號處理算法。 TMS320x24x系列數字信號處理器是TI（美國德州儀器）公司推出地一種面向數字馬達控制、嵌入式控制系統和數字控制系統開(kāi)發(fā)的新型可編程DSP芯片。TMS320LF240x是x24x系列DSP控制器中的新成員，是為了滿(mǎn)足控制應用而設計的。LF240x的片內程序存儲器為Flash EEPROM，包括LF2402、LF2406和LF2407三個(gè)型號。LF2407是x240x系列DSP控制器*能最強、片上設施最完備地一個(gè)型號，被廣泛用于代碼開(kāi)發(fā)、系統仿真及實(shí)際系統中，其主要特點(diǎn)： （1） 采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗;30MIPS的執行速度使得指令周期縮短到33ns（30MHz），從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。 （2） 兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器;8個(gè)16位的脈寬調制（PWM）通道。適用于控制交流感應電機、無(wú)刷直流電機、步進(jìn)電機和逆變器等。 （3） 10位A/D轉換器最小轉換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉換器或一個(gè)16位通道輸入的A/D轉換器。 3 TMS320LF2407芯片在天然氣發(fā)動(dòng)機控制系統中的應用 傳統的控制系統是選用單片機來(lái)控制，一是其運行速度不高，達不到很好的實(shí)時(shí)控制，不能有效的起到在線(xiàn)檢測控制的效果;二是單片機的集成度較低，片上不具備運動(dòng)控制系統所需的專(zhuān)用外設，這就需要較多的元器件，增加了系統電路的復雜性，降低了系統的可靠性。然而選用TI（美國德州儀器）公司的x240x系列DSP芯片，片上集成了專(zhuān)用的運動(dòng)控制外設電路，且其內部的DSP核可提供更高的運算速度、運算精度和處理大量數據運算的能力。DSP芯片能較好地滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求，能夠比較方便實(shí)現復雜的控制算法。 3.1控制系統的硬件設計 控制系統的主要功能是通過(guò)兩個(gè)轉速傳感器和一個(gè)溫度傳感器，一個(gè)轉速傳感器測得信號來(lái)控制各缸的點(diǎn)火時(shí)間，另一個(gè)轉速傳感器測得信號來(lái)計算轉速，溫度傳感器是測量排放尾氣的溫度，通過(guò)測得的轉速和尾氣溫度來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機的運行情況，再根據一些控制規則來(lái)調節電磁閥來(lái)控制天然氣和空氣的進(jìn)氣量，從而使發(fā)動(dòng)機的轉速恒定，以提高天然氣發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性能。 控制系統采用TMS320LF2407的DSP芯片，系統的外圍元件很少，電路結構很簡(jiǎn)單，系統結構簡(jiǎn)圖如圖1所示： 圖1系統結構簡(jiǎn)圖 1）人機接口部分的設計： 主要設計8位LED顯示和20鍵鍵盤(pán)，一是為了轉速和排氣溫度的顯示，一是點(diǎn)火角度的輸入和調整。采用了一種鍵盤(pán)和數碼管的智能控制芯片HD7279A和DSP芯片相連，只需用DSP的4個(gè)I/O口，能夠有效的減少硬件電路，提高系統可靠性。由于TMS320LF2407的I/O口輸出都是3.3V，和HD7279A引腳相連時(shí)可以加鉗位電路。 HD7279A是一片具有串行接口的智能顯示驅動(dòng)芯片，可同時(shí)驅動(dòng)8位共陰式數碼管和連接64鍵的鍵盤(pán)矩陣，無(wú)需外圍元件可直接驅動(dòng)LED，單片即可完成LED顯示和鍵盤(pán)接口的全部功能。電路如圖2所示： HD7279A應連接共陰式數碼管，應用中無(wú)需用到的鍵盤(pán)和數碼管可以不連接。若不用鍵盤(pán)，則圖2中的連接到鍵盤(pán)的8只10K電阻和8只100K下拉電阻均可以省去。若使用了鍵盤(pán)，則電路中的8只100K下拉電阻均不得省略。若不用數碼管，則圖2中串入DP及SA-SG連線(xiàn)的8只0.2K電阻可省去，否則不能省略。實(shí)際應用中8只下拉電阻和8只鍵盤(pán)連接位選線(xiàn)DIG0-DIG7的8只位選電阻應遵從一定的比例關(guān)系，下拉電阻應大于位選電阻的5倍而小于其50倍，典型值為10倍。 HD7279A需要外接RC振蕩電路以供系統工作，其典型值分別為R=1.5K,C=15pF，若芯片無(wú)法正常工作，要首先檢查此振蕩電路。 圖2 鍵盤(pán)和LED顯示 2）信號采集部分的設計 控制系統主要采集天然氣發(fā)動(dòng)機的轉速和排氣溫度。 轉速傳感器采集的信號是脈沖信號經(jīng)過(guò)LF356放大，再經(jīng)過(guò)LM339比較器整形后，通過(guò)光電隔離送到DSP的I/O口，通過(guò)所得的脈沖信號個(gè)數來(lái)計算出轉速值。 排氣溫度在800度左右，因此溫度信號使用K型熱電偶采得，由AD590構成熱電偶冷端溫度補償，經(jīng)過(guò)OP07放大后送到DSP的模擬信號端口。電路框圖如圖3所示： 圖3 轉速、溫度信號采集框圖 AD590是一種恒流源形式的溫度傳感器，只需在其二端加上一定的工作電壓，則其輸出電流隨溫度變化產(chǎn)生線(xiàn)性變化，溫度每變化1℃，輸出電流變化1μA。采用AD590對熱電偶進(jìn)行溫度補償，根據不同的熱電偶的塞貝克系數，選取合適的電阻，使其讀數變化的電壓變化與熱電偶此時(shí)的冷端電動(dòng)勢抵消，從而達到溫度補償。 3.2軟件設計 軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，使用TI公司的CC2000開(kāi)發(fā)環(huán)境，主程序主要是實(shí)現顯示功能和數據采集功能。主程序流程圖如圖5所示： 圖4 主程序流程圖 在控制程序中，將計算出的轉速和溫度與期望值比較，得出誤差和誤差變化率，再根據制定好的控制規則來(lái)調整燃氣和空氣的電磁閥，從而改變燃氣和空氣的進(jìn)氣量，以便輸出恒定的轉速。DSP芯片內部具有電動(dòng)機控制專(zhuān)用硬件機制，能夠直接產(chǎn)生PWM波形，這樣可以直接用來(lái)控制燃氣和空氣的電磁閥。 4 結語(yǔ) 基于DSP芯片構成的控制系統事實(shí)上是一個(gè)單片系統，因為整個(gè)控制所需的各種功能都可由DSP芯片來(lái)實(shí)現。因此，可以減小目標系統的體積，減少外部元件的個(gè)數，增加系統的可靠性。對于那些性能和精度要求高、實(shí)時(shí)性強、體積小的場(chǎng)合，基于DSP芯片來(lái)構成控制系統是具有很高性能價(jià)格比的實(shí)現方法。 |
