TMS320F280x實(shí)現(xiàn)模擬量輸出控制器

　　模擬量輸出控制器的主要功能是接受PC機(jī)和各類通信設(shè)備發(fā)出的指令信號，通過內(nèi)部邏輯算法和硬件電路得到相應(yīng)的模擬量值，用來控制伺服閥的開度，從而控制工藝運(yùn)行狀態(tài)。模擬量輸出控制器的執(zhí)行速度、輸出精度關(guān)系著整個(gè)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。目前模擬量輸出控制器主要是通過單片機(jī)和各種專用的芯片/電路，如專用的定時(shí)器，D/A轉(zhuǎn)換電路，通信模塊等配合實(shí)現(xiàn)的。但是由于單片機(jī)存在運(yùn)行速度較慢、數(shù)據(jù)處理能力較弱以及內(nèi)部資源不夠豐富等固有的缺點(diǎn)，使得利用單片機(jī)所得到模擬量輸出控制器的性能越來越達(dá)不到要求。

　　為從根本上解決此問題。本文以TI公司DSP芯片TMS320F2801為核心，結(jié)合DSP豐富的片內(nèi)外設(shè)功能、流水線結(jié)構(gòu)以及高效的特殊指令等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出模擬量輸出控制器。

　　一 基于TMS320F280x的模擬量輸出控制器的系統(tǒng)方案

　　數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，與通用微處理器相比，DSP有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)存儲器結(jié)構(gòu)：DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩個(gè)分開的空間中，因此取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行，進(jìn)一步提高運(yùn)行速度和靈活性。

　　(2)流水線結(jié)構(gòu)：將指令的執(zhí)行分解為取指令、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等幾個(gè)階段。在程序運(yùn)行過程中，不同指令的不同階段在時(shí)間上是重疊的。流水線結(jié)構(gòu)提高了指令執(zhí)行的整體速度。

　　(3)硬件乘法累加單元：DSP處理器適用專門的硬件來實(shí)現(xiàn)單周期乘法，并使用累計(jì)器寄存器來處理多個(gè)乘積的累加，同時(shí)DSP的指令集都包含有MAC指令。

　　(4)零開銷循環(huán)：DSP有專門支持循環(huán)結(jié)構(gòu)的硬件，使得在循環(huán)計(jì)數(shù)、條件轉(zhuǎn)移等循環(huán)機(jī)制處理時(shí)無需花費(fèi)任何時(shí)間。

　　(5)特殊的尋址方式：DSP支持特殊的尋址方式，從而減小遇到此部分尋址方式時(shí)的處理時(shí)間。

　　(6)高效的特殊指令：DSP指令集設(shè)計(jì)了特殊的DSP指令用于專門的數(shù)字信號處理操作。提高指令執(zhí)行的并行度，加快完成此操作的速度。

　　(7)豐富的片內(nèi)外設(shè)：根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，DSP芯片內(nèi)集成了多種類型的內(nèi)外設(shè)。豐富的內(nèi)外設(shè)提高了處理速度和數(shù)據(jù)吞吐能力、簡化了接口設(shè)計(jì)，同時(shí)降低了系統(tǒng)功耗并節(jié)約了電路板空間。

　　本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用的芯片為TMS 320F2801。芯片內(nèi)部具有16kB的Flash， 12kB的SARAM。由于采用哈佛結(jié)構(gòu)、指令流水線操作、硬件乘法/累加器功能以及多種尋址方式使得芯片的操作速度大大增加。芯片提供PLL鎖相環(huán)模塊用來控制DSP內(nèi)核的工作頻率，使得芯片內(nèi)核的執(zhí)行速度可達(dá)到100Mb/s。同時(shí)，TMS320F2801提供豐富的PWM資源，包括6路的EPWM波和2路的APMW波，從而實(shí)現(xiàn)8路PWM的模擬量輸出功能。

　　二 模擬量輸出控制器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本模擬量輸出控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

　　系統(tǒng)主要由DSP TMS320F2801、PWM轉(zhuǎn)換D/A電路、自檢信號轉(zhuǎn)換電路、電源電路、看門狗電路、CAN接收器等幾部分組成?？紤]到模擬信號對數(shù)字信號的干擾，需要對模擬信號進(jìn)行隔離，故硬件電路中加入光電耦合電路和高精度線性光耦電路對模擬側(cè)信號和數(shù)字側(cè)信號進(jìn)行隔離。模擬量輸出控制器的工作原理如下：控制器通過CAN通信接收到外部設(shè)備(包括PC機(jī)和支持通信協(xié)議的各種設(shè)備)下發(fā)的輸出指令信號，DSP經(jīng)過邏輯分析和運(yùn)算設(shè)定8路PWM輸出，然后通過PWM轉(zhuǎn)換D/A電路得到現(xiàn)場信號所需要的模擬量輸出值。同時(shí)，控制器會對產(chǎn)生的模擬量輸出值進(jìn)行自檢，通過自檢信號轉(zhuǎn)換電路傳送至DSP的A/D采樣通道。這樣，形成閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)有效地控制模擬量輸出信號。