DSP在嵌入式閥門控制器中的應(yīng)用

劉佳昕，劉 軍

（1.西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756；2.西安航天動(dòng)力研究所 陜西 西安 710100）

閥門控制器用于實(shí)現(xiàn)電磁閥、減壓閥、比例閥等多種閥門的狀態(tài)控制和測(cè)量，在閥門的控制過程中控制器不僅完成閥門狀態(tài)的控制，同時(shí)還采集閥門工作的狀態(tài)（如工作電壓、電流）信息，以及被控狀態(tài)信息（如控制回路中的壓力、溫度和流量等）。對(duì)于不同的閥門控制需求不同，控制形式主要包括開關(guān)控制、開度控制和PWM頻率控制。閥門控制器同時(shí)具有串行通訊功能，通過串行通訊將測(cè)試數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，同時(shí)可通過接收上位機(jī)的開關(guān)量指令或串行通訊指令實(shí)現(xiàn)控制啟停、和閥門選擇等。

閥門控制器設(shè)計(jì)采用了DSP處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 DSP芯片TMS320F2812簡(jiǎn)介

嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，其以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。一般而言，嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)架可分為4個(gè)部分：處理器、存儲(chǔ)器、輸入、輸出（I/O）和軟件[1]。

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器。

數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，簡(jiǎn)稱 DSP）是微電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合研究的成果。DSP實(shí)際上就是一種單片機(jī)，集成高速乘法器，具有多組內(nèi)部總線，已廣泛用于嵌入式系統(tǒng)。

TMS320F2812是TI公司推出的基于TMS320C2xx內(nèi)核的32位定點(diǎn)DSP芯片，具有精度高、速度快、集成度高等特點(diǎn)，為不同的控制領(lǐng)域提供了高性能的解決方案。歸納起來，TMS320F2812具有以下特點(diǎn)[2]：

1）采用靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻達(dá)150MHz；

2）高性能32位CPU;

3）片內(nèi)集成了 128kB的 Flash存儲(chǔ)器，4kB的引導(dǎo)ROM，數(shù)字運(yùn)算表以及2kB的TOP ROM。

4）16通道高性能12位ADC，包含兩個(gè)采樣保持電路，可實(shí)現(xiàn)雙通道信號(hào)同步采樣；

5）具有兩個(gè)與F240xA兼容的事件管理器；

6）串行通訊外設(shè)包括SPI接口、兩個(gè)UART接口模塊、增強(qiáng)的eCAN2.0B接口模塊和多通道緩沖串口。

7）具有128位密碼保護(hù)機(jī)制。

2 處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)閥門控制器功能需求，設(shè)計(jì)上采用了基于TMS320F2812的嵌入式處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[3，6-7]。

因?yàn)殚y門為感性負(fù)載，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)為大電流開關(guān)信號(hào)，極易對(duì)周圍電路造成干擾，因此處理器系統(tǒng)總體上采用隔離設(shè)計(jì)，即要求輸入輸出電路、通訊電路、處理器電源采用隔離設(shè)計(jì)。

2.1 處理器及外圍電路

處理器及外圍電路模塊由DSP處理器、外部存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/I及D/O接口電路、通訊接口電路、電源電路及相應(yīng)的保護(hù)電路組成，是控制器的主控單元和控制的執(zhí)行單元，完成模擬量和開關(guān)量的輸入輸出、數(shù)據(jù)通訊、任務(wù)控制和狀態(tài)控制。完成任務(wù)調(diào)度、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)處理，并將測(cè)試結(jié)果上傳給上位機(jī)。

2.2 主要功能

處理器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）上電后可進(jìn)行自檢，對(duì)存儲(chǔ)器狀態(tài)、A/D狀態(tài)、D/I及D/O狀態(tài)進(jìn)行檢查，并向上位機(jī)上傳自檢信息；

2）接收并識(shí)別上位機(jī)控制指令，控制相應(yīng)的閥門工作；

3）實(shí)時(shí)采集電磁閥工作電壓、電流信號(hào)和壓力傳感器、溫度傳感器信號(hào)，并上傳；

4)具有串行通訊功能，滿足CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

DSP處理器硬件系統(tǒng)包括最小硬件系統(tǒng)和外圍接口電路兩個(gè)部分，其中DSP最小硬件系統(tǒng)包括復(fù)位、時(shí)鐘、電源及存貯器接口電路等[3]。外圍接口電路主要包括通訊電路、I/O接口電路、A/D輸入電路等。電路設(shè)計(jì)分析如下。

2.3.1 DSP最小系統(tǒng)電路

DSP最小系統(tǒng)電路[6-7]包括存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、復(fù)位電路、電源電路等，是處理器系統(tǒng)的核心。

2.3.1.1 復(fù)位電路

DSP復(fù)位電路參如圖1所示。利用電容電壓按指數(shù)規(guī)律上升或下降的特性產(chǎn)生復(fù)位脈沖，復(fù)位脈沖寬度取決于RC值。為保證DSP位，復(fù)位脈寬應(yīng)不低于100 ms。二極管V1起保護(hù)作用，并在掉電時(shí)加速電容儲(chǔ)能的釋放，確?？煽繌?fù)位。

2.3.1.2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路

圖1 復(fù)位電路Fig.1 Reset circuit

DSP內(nèi)部包含128 kB的Flash存儲(chǔ)器，可用于程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求；為滿足調(diào)試及大數(shù)據(jù)要求，外擴(kuò)64 kB非易失存貯器。

外擴(kuò)64 kB非易失存貯器利用DSP自身的高速同步串行輸入輸出接口SPI實(shí)現(xiàn)，其中片選信號(hào)采用I/O口控制。設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2 存貯器電路Fig.2 Register circuit

2.3.1.3 處理器電源電路

處理器電源分兩種，即I/O電源 （DVdd）和內(nèi)核電源（CVdd），分別為+3.3 V和+1.8 V雙電源，采用DC/DC變換器和線性電源芯片TPS70351、線性穩(wěn)壓器MSK5101實(shí)現(xiàn)。

處理器電源電路設(shè)計(jì)中著重考慮了以下幾點(diǎn)：

1）使DSP芯片的I/O和其內(nèi)核按序上電，即內(nèi)核電源DVdd先加電（+3.3 V），I/O 電源 CVdd（+1.8 V）隨后加電；

2）保證DVdd和CVdd間壓降≯2 V；

3）DSP系統(tǒng)數(shù)字部分和模擬部分獨(dú)立供電，單點(diǎn)共地。

DSP處理器電源電路如圖3所示。

圖3 DSP處理器電源電路Fig.3 DSP processor source

2.3.2 DSP處理器外圍電路

DSP處理器外圍電路主要包括端口保護(hù)電路、D/O、D/I接口電路、通訊電路等。

2.3.2.1 模擬量輸入端口保護(hù)電路

DSP片內(nèi)ADC輸入電壓范圍是-0.3～3.6 V，信號(hào)超出范圍將導(dǎo)致ADC模塊損壞，甚至損壞處理器，因此須對(duì)A/D輸入端口進(jìn)行保護(hù)，電路參如圖4所示。

圖4 模擬輸入保護(hù)電路Fig.4 Analog input protect circuit

RC濾波電路濾除信號(hào)上的尖峰干擾，V1，V2組成電壓限幅電路。ADC輸入保護(hù)電路必須與DSP芯片同PCB板放置。

2.3.2.2 D/O、D/I接口電路

數(shù)字接口電路主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離和I/O口匹配，完成3.3 V邏輯電平與5 V邏輯電平的轉(zhuǎn)換。信號(hào)隔離器件采用光電耦合器；電平轉(zhuǎn)換器件采用LVCH系列緩沖驅(qū)動(dòng)器。圖5分別為D/I、D/O接口電路。

2.3.2.3 CAN通信接口電路

TMS320F2812片內(nèi)集成了增強(qiáng)型CAN總線通訊接口，該接口最高支持1 Mbps的總線通訊速率，與CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)接口兼容。控制器CAN總線接口作為子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，工作在正常模式下。接口芯片采用TJA1040T收發(fā)器芯片。在接口芯片與DSP接口間采用高速雙向光耦實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，以減小信號(hào)的失真、誤碼、實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸中的阻抗匹配，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸及系統(tǒng)工作的安全性。

CAN接口電路設(shè)計(jì)如圖6，包括電源，隔離電路和接口電路。CAN信號(hào)光電隔離器采用ADI公司的兩通道雙向光電耦合器AduM1201，轉(zhuǎn)換速率要求不低于10 M，兼顧信號(hào)隔離和高速通訊的要求。為確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸，總線上增加了保護(hù)電路。

2.4 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的其他問題

處理機(jī)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)較高性能和可靠性，設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

圖5 DI/O信號(hào)隔離電路Fig.5 DI/O isolate circuit

圖6 通訊接口電路Fig.6 Typical CAN Transceiver Schematic

1）為提高DSP芯片ADC轉(zhuǎn)換精度，建議采用精密外部基準(zhǔn)代替芯片內(nèi)部基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)芯片可采用ADR440BRZ[4-5]。

2）在采用外部基準(zhǔn)的情況下，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)保證在屏蔽內(nèi)部基準(zhǔn)的情況下，再接通外部基準(zhǔn)。即內(nèi)部基準(zhǔn)和外部基準(zhǔn)不能同時(shí)有效[5]。

3）ADC變換在輸入信號(hào)范圍兩端 （及 0～100 mv，2.85～3.3 V）精度較低，應(yīng)通過前端信號(hào)調(diào)理，盡量避免輸入信號(hào)在范圍邊沿。

4）處理器系統(tǒng)需保證全面隔離。

3 結(jié) 論

采用DSP芯片TMS320F2812處理器為核心設(shè)計(jì)的嵌入式閥門控制器，在處理機(jī)電路設(shè)計(jì)中基于芯片特點(diǎn)和控制需求，并綜合考慮了可靠性要求。設(shè)計(jì)中針對(duì)電路電源、信號(hào)端口保護(hù)、隔離采取了必要的措施，提高了處理機(jī)系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)了控制器嵌入式處理器設(shè)計(jì)。

[1]鄔可軍.DSP實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]蘇奎峰.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]張雄偉.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4] TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812 ADC Calibration （Rev.A）.TEXAS USA:Texas Instruments.[EB/OL].（2004-11-30）.http://www.ti.com.cn/dsp/cn/docs/dspsup porttechdocs.

[5]TMS320x281x Analog-to-Digital Converter（ADC）Reference Guide （Rev.C）.TEXAS USA:Texas Instruments.[EB/OL]（2004-11-30）.http://www.ti.com.cn/dsp/cn/docs/dspsupport techdocs.

[6]TMS320F2810，SM320F2812-HT Digital Signal Processor Data Manual，Literature umber:SGUS062.TEXAS USA:Texas Instruments.[EB/OL].（2009-06）.http://www.ti.com.cn/dsp/cn/docs/dspsupporttechdocs.

[7] TMS320F2810， TMS320F2811， TMS320F2812，Digital Signal Processors Data Manual，Literature Number:SPRS174O， TEXAS USA:Texas Instrument.[EB/OL].（2007-