基于DSP的數(shù)字開關電路設計

萬義星

摘要DSP芯片的價格不斷下降和其開發(fā)工具日臻成熟,DSP處理器開始取代單片機作為控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心。設計中從系統(tǒng)本身和性價比雙重角度出發(fā),選用TMS320LF2407A和ADS7864配合來完成數(shù)據(jù)的采集任務。

關鍵詞DSP;微處理器;數(shù)字電路

中圖分類號TN86文獻標識碼A文章編號1673-9671-(2009)112-0018-01

1DSP的介紹

DSP(digital signal processor)是一種獨特的微處理器,是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號,轉換為0或1的數(shù)字信號,再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化,并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性,而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序,遠遠超過通用微處理器,是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度,是最值得稱道的兩大特色。

DSP芯片,也稱數(shù)字信號處理器,是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器,其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特點:

1)在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法。

2)程序和數(shù)據(jù)空間分開,可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。

3)片內具有快速RAM,通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問。

4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持。

5)快速的中斷處理和硬件I/O支持。

6)具有在單周期內操作的多個硬件地址產(chǎn)生器。

7)可以并行執(zhí)行多個操作。

8)支持流水線操作,使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

當然,與通用微處理器相比,DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。

2DSP開關電路的設計

2.1DSP芯片電路組成

DSP芯片TMS320LF2407A外部硬件電路主要由輸入調節(jié)電路、A/D轉換電路、開關量輸入/輸出電路、DSP調試接口電路等部分組成。

TMS320LF2407A是由美國德州儀器公司(TI)推出的高速、高性價比、低功耗的16位定點DSP,它具有處理性能好、外設集成度更高、程序存儲器更大等優(yōu)點,在控制領域使用范圍較廣。

TMS320LF2407A其片內有高達32K字的Flash存儲器,為多種用途的產(chǎn)品提供了經(jīng)濟的可編程方案,同時多達40個通用、雙向的數(shù)字I/O口(GPIO)也是選用TMS320LF2407A作為CPU的一個重要原因,通過配置這些數(shù)字I/O端口輸入或輸出來直接與外部進行信息交換,可以大大省去擴展I/O口的元器件。以本設計系統(tǒng)為例,開入開出量在經(jīng)過光電隔離后可直接接到DSP芯片的I/O端口,這種設計既兼顧了經(jīng)濟性又提高了裝置的可靠性。TMS320LF2407A外部硬件電路主要由輸入調節(jié)電路、A/D轉換電路、開關量輸入/輸出電路、DSP調試接口電路等部分組成。其硬件結構框圖如圖1所示。JTAG是Joint Test Action Group的簡稱,又稱JTAG接口,可通過它將程序寫入TMS320LF2407A的片內Flash,可方便對系統(tǒng)的調試和升級。JTAG接口需要在開發(fā)板上引出雙排的14腳插針。這里需要注意的是,DSP的EMU0和EMU1腳需要用電阻上拉,其值為10kΩ。

2.2開關量輸入電路

開入量輸入回路包括斷路器和隔離開關的輔助觸點或跳合閘位置繼電器接點投入,外部裝置閉鎖重合閘觸點投入,距離保護接點投入,零序總投入等回路。本設計中設有18路開入量,下面以一組開入量X1為例,開入量由端子排接入本裝置開入回路中,經(jīng)由保護電路和光耦,最終把數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)緩沖器,經(jīng)由數(shù)據(jù)緩沖器與DSP相連,DSP進行相應的計算和判斷。

在正常工作情況下,壓敏電阻呈現(xiàn)高阻狀態(tài),僅有微安數(shù)量級的漏電流,相當于開路;當回路中出現(xiàn)過電壓時,壓敏電阻阻值迅速降低,電流急劇上升,相當于過電壓部分被短路。利用壓敏電阻的上述特性來吸收各種干擾過電壓,保證整個裝置的安全。設計中的光電耦合器采用北京數(shù)字英才科技有限公司的OPTOIS01,開入量經(jīng)OPTOIS01光電隔離后就可直接接入保護DSP相應的通用I/O口,這樣一來,帶有電磁干擾的外部接線回路與微機電路部分之間沒有直接電的聯(lián)系,因此夾雜在輸入開關量中的各種干擾脈沖不能進入微機電路部分,從而達到抑制共模干擾的目的。同時采用OPTOIS01進行光電隔離還有一個作用就是,OPTOIS01的輸入與輸出回路之間有很高的耐壓值,對裝置能起到很好的安全保障作用。

2.3開關輸出電路

開關輸出電路主要由保護的跳閘出口插件、信號插件、邏輯插件、告警插件等組成。本系統(tǒng)共設有18路開出量,其中1路預留,用戶可根據(jù)自己的需要使用。開出量由DSP計算和判斷后再經(jīng)74LS273數(shù)據(jù)/地址鎖存器開出至控制門74HC11,經(jīng)由邏輯判斷之后,數(shù)據(jù)輸入達林頓管ULN2003,ULN2003是一個電流驅動器件,能夠提高繼電器的勵磁電流,從而有利于提高系統(tǒng)的驅動帶載能力。

3小結

本章節(jié)完成了對DSP外部主要電路的設計工作。通過ADS7864與TMS320LF2407A的配合使用,進一步完善了110kV線路保護系統(tǒng),減小了FFT算法中數(shù)據(jù)窗較長對系統(tǒng)快速性帶來的影響。同時,對輸入調節(jié)電路、開關量輸入/輸出電路、DSP調試接口電路進行了設計。