基于双DSP的磁悬浮控制器的设计

The Design of Magnetic Levitation Controller Based on Double DSP 国防科学技术大学磁悬浮中心 邹东升 佘龙华 摘 要：本文介绍了目前最热门的浮点DSP芯片TMS320VC33和TMS320F2812，并基于该芯片搭建了磁悬浮控制器试验平台。在该试验平台的基础上，设计并完成了检测平台可靠性的试验。 关键词：数字信号处理器；外围接口；联合测试行为组织 引言 DSP芯片是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的，具有特殊结构的微处理器。随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、控制器类产品等领域的基础器件，已成为信息社会革命的标志。在国外，DSP芯片已经广泛地应用于当今技术革命的各个领域；在国内，DSP技术也正以极快的速度应用在通信、自动控制、军事、医疗器械等许多领域中。因此基于DSP技术的开发应用正成为数字时代的应用技术潮流。本文介绍TI公司的DSP TMS320VC33和TMS320F2812在磁悬浮系统中的典型应用。 芯片介绍 TMS320VC33内部包含了2K 32位的快速RAM块。分开的程序总线、数据总线和DMA总线使得取指、读写数据和DMA操作可同时进行。24位地址线，32位数据线，最高75MHz主频以其大容量、高精确度、高速度，使得一般的数据处理可以毫无限制的运行。标准JTAG线使得加载程序、在线调试都非常方便。此外，丰富的指令系统，灵活的程序控制，多样的寻址方式使得软件编程非常方便。 TMS320F2812芯片有18K RAM，128K FLASH，16通道的PWM，16通道12位ADC，3个定时器，19位地址线，16位数据线。串行口有CAN，McBSP，SPI，2 SCI。 由以上两个芯片的功能可以看到，TMS320VC33的计算功能是非常强大的，而TMS320F2812在管理功能以及电机控制功能方面则显示了巨大的优势，如果两者强强联合所能达到的效果无疑是让人非常满意的。 硬件设计 由于在磁悬浮系统中，所要求采集的传感器信号速度、精度和相位差都非常高，MS320F2812内部的ADC虽然号称是同时采样的，但其最多只能有两路同时转换，显然不能满足磁悬浮系统中多个传感器信号无相位差采集的需求。故特别选取了TI公司的ADS7800，12位、 10V、3 s采样模数转换器，见图1。由于ADS7800是单通道的，所以可以根据需要扩展芯片，在本硬件中扩展了六片。又由于ADS7800供电电压是5V，参考电压是15V，而TMS320VC33控制电压是3.3V，故接口需要加电压转换芯片LVTH16245。因为控制系统所要求的传感器信号之间没有相位差，所以所有模数转换器必须同时转换，因此控制转换开始的信号必须是同一个信号，这可以由GAL20V8产生的地址信号来承担这一任务。同时，转换结束后的数字量又要可以分开一个个的读取，这个任务可以由GAL20V8和LVTH16245巧妙的配合来完成。 图1　ADC接口原理图（略） 在ADS7800中，可以让片选信号/CS一直有效，由GAL产生的地址信号ADC连接转换开始引脚。这样，只要由DSP向ADC所指向的地址进行写操作，所以扩展的ADS7800同时都启动了一次模数转换。由于LVTH16245的方向引脚/DIR一直接低电平，所以只要向GAL产生的地址读取数据，就可以读到相应ADS7800转换结束后的数据。而在没有选通LVTH6245的时候，GAL产生的相应地址信号是高电平，LVTH16245的总线和DSP的总线是隔离的。 GAL译码所产生的地址从XINTF Zone 2（0x080000――0x100000）开始，每个片选信号占用0x800的地址空间。 磁悬浮系统中，根据需要选择的数模转换器是TI公司的DAC7625U。虽然DAC7625供电电压是5V，但是数据的传递方向是从DSP到转换器，故不需要另加电压转换电路。DAC7625四个输出通道占用了DSP从CS7开始的四个存储单元。 双口RAM以其双接口、大容量、超高速的数据交换所提供的优势作为双DSP之间数据传递的交换场地是很好的选择。由于TMS320VC33和TMS320F2812的接口都是3.3V，故选择了3.3V的双口RAM IDT70V24，这样就不必加电压转换模块，简化了系统之间的接口，提高了可靠性，见图2。 图2　DAC7625与TMS320F2812接口黾路（略） 对于TMS320F2812，由于它有非常多的功能模块在磁悬浮控制系统的电路板中没有用，故可以把那些没有用的功能引脚作为通用输入输出引脚（GPIO），引入开关和发光二极管。为了保护处理器，加入了LVTH16245作为隔离以及方向控制芯片，开关量为输入量，发光二极管为输出量。硬件原理框图见图3。 图3　硬件原理框图（略） TI的TPS767D318可以通过5V稳压电源，提供DSP内核所需的1.8V电压和DSP的外设及LVTH16245等芯片构成的电路所需的3.3V电压。因此对于TMS320F2812和TMS320VC33这些典型的快速、低电压DSP，可分别用两块TPS767D318来供电。而对于双口RAM块，可以用TI公司的3.3V的电源芯片7333来供电。三个比较大的芯片由三块电源芯片供电，可以有效解决功率问题，又可以使系统之间具有相对独立性，提高子系统的安全性。DAC7625所需的正负2.5V电压则由电源芯片MC1403提供。这样，目标板上的所有基本电源就可以用一个5V的稳压电源模块提供。 软件设计 试验目的：通过一个试验，同时考验扩展的模数和数模转换器及双口RAM。 试验原理：通过信号发生器产生一个正弦波，通过TMS320F2812扩展的ADS7800进行采样转换，转换结果通过双口RAM送到TMS320VC33，不经过任何处理，送还TMS320F2812，由DAC7625进行转换输出，在同一示波器上看信号是否失真。这样，模数和数模转换器以及双口RAM同时得到了检验。 为了测试双口RAM与两个DSP之间数据传递的快速性、可靠性以及对同一地址同时操作所带来的不确定性，TMS320VC33可以不停的对双口RAM进行读写数据，看双口RAM能否经得起这样的考验。而TMS320F2812定时中断，在中断服务程序内启动模数转换器，从双口RAM读取数据，对所读取的数据利用数模转换器进行数模转换。虽然双口RAM的接口和可靠性有非常多的文章都进行了描述，但经过这样的试验，双口RAM才真正的进行了强有力的检验。 根据流程图（见图4）编写程序，编译连接并通过。然后对目标板上电，通过JTAG及仿真器加载上面的程序，运行。把信号发生器所产生的正弦波和DAC转换后的信号接到示波器的两个通道上，并让两个通道并行的显示，看两个信号是否失真。 图4　TMS320F2812流程图（略） 试验结果显示（见图5）：输入信号为200kHz的正弦波，输出也是200kHz的正弦波，波形并没有失真。 图5　示波器观察到的A/D-D/A输出（略）

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