基于MAST語言的虛擬數(shù)字信號處理器

謝銀銀，裴雪軍，康 勇

（華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 430074）

引言

Saber[1]軟件是一個功能強大的仿真軟件，其仿真器采用的算法可極大地提高仿真計算收斂性，縮短仿真時間。另外，Saber還提供了適合于建立混合仿真模型的硬件描述語言——MAST語言[2-5]，它不僅可以建立模擬元件的模型，還可以建立數(shù)字元件的模型，包括電、機械、光和流體等，用戶可以直接建立滿足自己需要的元件模型。相比MATLAB[6]，Saber軟件具有更豐富的器件庫，支持多種分析，可考慮器件非理想因素，使得仿真結果更加真實可信，因此在元件級的電路仿真領域得到了廣泛應用。在電力電子產(chǎn)品設計之初，若利用Saber仿真軟件對電路及其控制進行仿真驗證，可以及早地發(fā)現(xiàn)電路設計中存在的問題，大大縮短開發(fā)周期。

目前數(shù)字信號處理器（DSP）[7]已成為電力電子電路數(shù)字控制中的核心部件。然而，在利用Saber仿真軟件對DSP控制的電力電子系統(tǒng)進行仿真建模的時候，存在若干問題。如圖1(a)所示，首先需要在Saber仿真環(huán)境中搭建主電路與控制電路的仿真模型。由于Saber軟件中關于DSP芯片的仿真模塊并不多，因此一般要用各種已有的分立模塊搭建實現(xiàn)DSP的功能。另外，注意到實際的系統(tǒng)是DSP控制的離散數(shù)字系統(tǒng)，在仿真環(huán)境中調試完畢后，還需要進行參數(shù)的離散化與編程實現(xiàn)，因此最終的實驗結果將與仿真結果有較大的誤差。為此，需在Saber仿真環(huán)境中重新進行參數(shù)調整。如此反復，從而增加了開發(fā)周期。

為了克服上述設計方案的缺點，人們提出了改進的設計方案，利用MATLAB強大的控制工具箱實現(xiàn)控制功能，充分利用了兩者的優(yōu)點而避免了各自的缺點,文獻[8]通過Saber與MATLAB進行聯(lián)合仿真。如圖1(b)所示，利用Saber組建主電路，利用MATLAB組建控制電路；另外，利用Saber仿真軟件中提供的MAST編程語言，可以直接編程實現(xiàn)控制功能，或是以MAST語言為對外接口，進一步調用外部程序（如C語言）來實現(xiàn)復雜的控制方案，如圖1(c)所示。這些改進方案避免了在Saber中用分立元件搭建控制電路，因此大大縮短了建模和仿真時間。然而，上述改進方案通用性不強（針對不同主電路要編寫不同的控制程序），仿真調試完畢后仍需離散化并需轉換成DSP可運行的程序。

為改進上述設計方案的缺點，本文利用Saber仿真軟件自帶的MAST語言編寫了一個虛擬的數(shù)字信號處理器（DSP）模塊。本文以DSP中的事件管理器的實現(xiàn)與控制為例，說明該虛擬模塊的設計方法及工作原理。

圖1 傳統(tǒng)的DSP應用系統(tǒng)設計流程

1 改進的DSP應用系統(tǒng)設計流程

本節(jié)以Buck電路為例說明本文提出的電路仿真方法。

如圖2（a）所示，對于一個 DSP控制的BUCK電路，其包括了BUCK主電路和DSP控制電路兩部分?？刂齐娐窂腂UCK主電路的輸出電壓中得到反饋信號，通過DSP內部的A/D轉換模塊轉化成數(shù)字量，該數(shù)字量將作為PI調節(jié)器的輸入，并通過一定的算法得到輸出的控制量。該控制量將送入DSP的事物管理器模塊，以產(chǎn)生占空比可變的脈寬信號，用于驅動主電路的MOSFET。DSP的上述功能均通過在CCS中編寫不同的程序并燒寫至DSP中實現(xiàn)。在傳統(tǒng)的仿真驗證方法中，BUCK主電路的仿真可以方便地用Saber軟件中自帶的模塊來搭建，但DSP及其程序所實現(xiàn)的功能則要利用各種引言中提出的不同的方法來代替。因此，設計者無法直接驗證所設計的程序是否正確與有效。

圖2 Buck電路應用系統(tǒng)設計流程

為解決上述問題，本文提出的改進型仿真方法如圖2（b）所示。BUCK主電路仍然利用Saber自帶的模塊來搭建；同時利用MAST語言進行編程，在Saber仿真環(huán)境中同時實現(xiàn)DSP中的A/D轉換、事件管理器的功能。注意到真正的DSP中的事件管理器與A/D轉換模塊一旦設定后將以一定的模式進行工作，因此這兩個部件的功能利用MAST語言編程直接實現(xiàn)；而實現(xiàn)DSP中的PI控制算法是通過CCS中程序來進行實現(xiàn)的，因此該虛擬DSP中還包括了一個可實現(xiàn)直接調用CCS中PI控制算法程序的模塊。通過該改進仿真方法，可以直接在Saber環(huán)境里對BUCK主電路的運行狀態(tài)與CCS中的程序的控制效果進行仿真驗證；得到較為滿意的結果之后CCS中的程序不經(jīng)過任何修改，直接進行編譯后燒寫到真正的DSP中，對實際主電路進行控制。

該改進仿真方法有如下優(yōu)點：

（1）參數(shù)設計、控制器設計及程序調試的過程均可以在Saber中仿真完成，編寫的程序在仿真中得出滿意的效果后，可直接應用于實現(xiàn)的系統(tǒng)。

Performance of liquid whitening agent CBW-04 and its application in laundry detergent 1 24

（2）該虛擬DSP可作為一個標準的仿真部件，和真正的DSP一樣，可以通過編寫不同的程序，使該虛擬DSP實現(xiàn)不同的調制和控制方法。

2 MAST語言實現(xiàn)虛擬的DSP

2.1 用MAST語言實現(xiàn)事件管理器功能

DSP中事件管理器的一個重要功能是通過設置相關的寄存器，發(fā)出期望的驅動波形[9]。相關的寄存器有周期寄存器、比較寄存器、通用定時控制寄存器、比較控制寄存器等等。而MAST語言有自帶的事件驅動函數(shù)可以實現(xiàn)該功能：

schedule_envent(time,state_var,values)其中：time為指定時刻；state_var為指定變量；values為指定變量的值。

以圖2中BUCK電路所用到的連續(xù)遞增模式的產(chǎn)生為例。定時器計數(shù)器計數(shù)值T1CNT按圖3所示的階梯式連續(xù)遞增計數(shù)。

事件管理器的功能可以用下面的MAST語句實現(xiàn)：

其中，cycle_end是一個周期結束下一個周期開始的標志位；b對應于計數(shù)器的值從0增加至T1CMP所需要的時間；c對應于計數(shù)器的值從0增加至T1PR所需要的時間：

根據(jù)式 （1） 計算得到 b，MAST語句 schedule_event(time+b,dpwm1,l4_1)，到b時刻時將PWM波置為高電平。在實際DSP里，計數(shù)器計數(shù)值T1CNT計數(shù)到T1CMP時，發(fā)生匹配，PWM輸出信號反轉。

MAST語句 schedule_event(time+c,cycle_end,～cycle_end),使得c時刻即一個周期結束時，將標志位cycle_end的值取反，語句when(event_on(cycle_end))，表示當cycle_end的值有變化時，開始執(zhí)行下一個時刻的事件，即執(zhí)行語句schedule_event(time+b,dpwm1,l4_1)。在實際DSP里，當計數(shù)器的值（T1CNT）計數(shù)到周期寄存器的值（T1PR）之后，計數(shù)器的值清零，置位下溢中斷標志而后繼續(xù)遞增計數(shù)，如此循環(huán)。

用MAST語言實現(xiàn)事件管理器功能，生成虛擬DSP模板。該MAST語言也可以實現(xiàn)其他情況的PWM波，比如，連續(xù)遞增計數(shù)模式下的低電平有效或者連續(xù)增/減計數(shù)模式下的高有效或低有效。圖3（c）是用MAST語言實現(xiàn)遞增計數(shù)模式且高電平有效時的PWM波。

圖3 連續(xù)遞增計數(shù)模式下的驅動波形

綜上所述，MAST語言可以模擬實際DSP發(fā)PWM波的功能。

2.2 MAST語言調用VC++里的程序

由于上述的MAST語言只能實現(xiàn)虛擬DSP發(fā)PWM波的功能，不能體現(xiàn)控制器的作用，因此MAST語言需要調用控制器程序，該程序需在VC++[10,11]里編譯。在VC++里新建一個工程，如圖4所示，在工程里新建一個以cpp為后綴的文本，編寫C程序，在定義變量名時，需要采用結構體和指針對事件管理器的相關寄存器進行預處理，使其能等效于DSP的相關寄存器。將設計好的控制器數(shù)字化轉化為C代碼，在VC++里編譯，編譯成功后會生成一個dll文件。dll是一個可執(zhí)行的二進制文件，將該文件與MAST編寫的模板放在同一文件目錄中，在MAST語言的模板體里編寫語句foreign Name，成功地調用外部VC++里的程序。

利用Saber搭建的主電路，其輸出電壓V0作為虛擬DSP模板的輸入，在VC++里，語句V0=in[0]表示將輸出電壓調入VC++里并作為控制器的輸入(其中in[0]是MAST語言傳遞給VC++的第一個數(shù)據(jù))，通過一定的算法得到輸出的控制量，在此文中指的是比較寄存器的值T1CMP，將VC++編譯，生成一個dll文件，在MAST語言的模板體里編寫語句foreign Name，成功調用該文件，將T1CMP的值賦給MAST語言，再在MAST語言模板里，根據(jù)式（1）計算得到b。同理，將T1PR的值賦給MAST語言，根據(jù)式（2）計算得到c。

通過dll文件實現(xiàn)MAST與VC++的接口技術及其混合編程。MAST語言里的語句：(out[0],out[1],out[2],out[3]…)=Name(in[0],in[1],in[2],in[3]...)(其中out[0]是VC++傳遞給MAST語言的第一個數(shù)據(jù))，實現(xiàn)MAST與VC++間的數(shù)據(jù)傳遞，從而構成閉環(huán)系統(tǒng)。這種方法極大地提高了開發(fā)效率,縮短了開發(fā)周期,同時也有利于提高軟件質量。因此，dll文件是MAST語言與外部程序連接的橋梁。

用MAST語言編寫代碼虛擬DSP事件管理器的主要功能，構造了系統(tǒng)的核心模塊，實現(xiàn)閉環(huán)控制策略。這樣，數(shù)據(jù)直接在Saber與VC++之間進行傳遞，使系統(tǒng)工作在統(tǒng)一的仿真環(huán)境里。若把很多通用的功能放在dll中，可以供多個應用程序調用，不僅大大的減少外部存儲空間的占有量，而且能實現(xiàn)代碼的共享。

圖4 MAST語言調用VC++里的程序

3 仿真和實驗結果

Saber里的元器件搭建的主電路接近實際主電路，所以直接用Saber里自帶的模塊搭建主電路，以Buck電路為例，如圖5所示，用Saber自帶的模塊搭建主電路，編寫MAST語言實現(xiàn)虛擬的DSP，在VC++里編寫控制器的C程序，然后MAST語言調用該程序，這樣，MAST與外部C語言聯(lián)合起來生成控制模塊，在Saber環(huán)境下仿真整個系統(tǒng)，主要技術參數(shù)：輸入直流電壓40～65 V，輸出為30 V，濾波電感0.2 mH，濾波電容47 μF，開關頻率為24 K。在t=0.2 s時，負載由 40 Ω 切到 10 Ω。

圖5 用Saber仿真Buck電路閉環(huán)系統(tǒng)

本文設計了兩種控制器來驗證該方法。控制器1是簡單的PI調節(jié)器，其表達式為：

如圖6所示。其中，當直流輸入電壓為65 V時，其對應的仿真和實驗波形為圖 6（a）、（c），由仿真和實驗波形可知，系統(tǒng)達到穩(wěn)定后0.2 s，將負載由40 Ω切到10 Ω時，仿真得到的輸出電壓與實驗得到的輸出電壓瞬間跌落都是10 V，經(jīng)過約20 ms的調節(jié)時間，系統(tǒng)再次達到穩(wěn)定，仿真波形和實驗波形基本一致；當直流輸入電壓為50 V時，其對應的仿真和實驗波形為圖 6（b）、（d）。由仿真和實驗波形可知，系統(tǒng)達到穩(wěn)定后0.2 s，將負載由40 Ω切到10 Ω時，仿真得到的輸出電壓瞬間跌落8 V，而實驗得到的輸出電壓瞬間跌落9 V，經(jīng)過約20 ms的調節(jié)時間經(jīng)過約20 ms的調節(jié)時間，系統(tǒng)再次達到穩(wěn)定，仿真波形和實驗波形基本一致。控制器2是一個較復雜的二階控制器，其表達式：

圖6 控制器1下的仿真和實驗波形

圖7 控制器2下的仿真和實驗波形

由圖7可知，仿真波形和實驗波形基本一致。

綜上所述，采用MAST語言生成模擬的DSP模塊去控制仿真電路的效果等同于采用真正的DSP控制實際電路，即能準確模擬實際系統(tǒng)的特性，設計及試驗的過程可以在仿真軟件中完成。這種方法既能有效地控制實際系統(tǒng)又能大大地縮短設計與調試周期。

4 結論

本文采用MAST語言生成了虛擬的DSP模塊，只需將設計在Saber軟件中驗證。在Saber軟件平臺上，實現(xiàn)了Buck電路的系統(tǒng)仿真。仿真結果和實驗結果表明，該方法簡單、可靠，能準確模擬實際系統(tǒng)的特性。設計及試驗的過程可以在仿真軟件中很快地完成，取代了傳統(tǒng)的硬件調試過程，可以較快地給出滿意的設計結果，大大地縮短設計與調試周期。該方法可以拓展到用于各種電源電路中，具有廣泛性和普遍性。因此，基于MAST語言的虛擬DSP實現(xiàn)方法對于控制模型仿真來說，具有重大的理論意義和一定的實際應用價值。

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