80C196KC-ADMC401雙CPU接口電路設(shè)計(jì)/其應(yīng)用

隨著微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用以及控制系統(tǒng)復(fù)雜性和實(shí)時性要求的不斷提高，使得很多系統(tǒng)需要用兩個甚至更多的控制器，實(shí)現(xiàn)被控對象提出的各種要求。尤其是在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，要完成大量的數(shù)據(jù)采集和處理、控制信號的接收和發(fā)送等諸多功能，對系統(tǒng)的運(yùn)算速度、接口資源、穩(wěn)定性以及成本方面有著非常高的要求。設(shè)計(jì)一個實(shí)用、合理、經(jīng)濟(jì)的高性能控制系統(tǒng)是成功投入現(xiàn)場運(yùn)行的關(guān)鍵。

在ＳＶＧ（靜止無功發(fā)生器）裝置中涉及到大量的復(fù)雜計(jì)算（如濾波計(jì)算、瞬時無功計(jì)算）和先進(jìn)的控制手段（如矢量控制）以及諸多信號的采集和發(fā)送，使得單個ＣＰＵ很難滿足系統(tǒng)要求。因此采用高集成度的嵌入式處理器與ＤＳＰ芯片組成雙ＣＰＵ系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。

１ 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

１．１ 系統(tǒng)的組成及原理

雙ＣＰＵ系統(tǒng)的原理圖框圖如圖１所示。系統(tǒng)采用８０Ｃ１９６ＫＣ和ＡＤＭＣ４０１兩個芯片作為核心處理器。ＡＤＩ公司的ＡＤＭＣ４０１芯片是基于ＤＳＰ的控制器，非常適于工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的高性能控制。該芯片集成了一個高速的ＤＳＰ內(nèi)核，且其內(nèi)核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成的環(huán)境中快速實(shí)現(xiàn)控制。Ｉｎｔｅｌ公司的８０Ｃ１９６80C196（ＫＢ／ＫＣ）是一款高性能且價格低廉的１６位單片機(jī)，同樣適用于高速控制和需要多個外設(shè)的場合。兩個ＣＰＵ在運(yùn)行時獨(dú)立執(zhí)行存放在不同器件中的程序，同時保持相互之間的協(xié)調(diào)工作?？紤]到系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，如果使用傳統(tǒng)的ＲＡＭ、ＲＯＭ和邏輯譯碼器件分離的系統(tǒng)接線方式，必定會使得整個控制電路過于龐雜，給調(diào)試帶來很大困難，同時也降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，該系統(tǒng)用到了可編程系統(tǒng)外圍接口器件ＰＳＤ產(chǎn)品中的ＰＳＤ４２３５和ＰＳＤ３１１。它們分別作為兩個ＣＰＵ的外部擴(kuò)展器件，并和ＣＰＵ組成一個雙ＣＰＵ-ＰＳＤ系統(tǒng)（簡稱雙ＣＰＵ系統(tǒng)），如圖１所示。兩個ＣＰＵ間的相互通信采用了雙口ＲＡＭ（ＩＤＴ７１３２IDT7132），通過它可以順利實(shí)現(xiàn)兩個ＣＰＵ之間的數(shù)據(jù)傳輸。鍵盤管理部分用８２Ｃ７９82C79接口芯片。輸出顯示部分用以ＳＥＤ１５２０SED1520為驅(qū)動芯片的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶模塊（ＬＣＤ）。系統(tǒng)中專門增加了額外的串行Ｅ２ＰＲＯＭ，主要用于掉電時數(shù)據(jù)的保護(hù)以及記錄部分操作參數(shù)。此外，組成系統(tǒng)的還有ＷＡＴＣＨＤＯＧ電路、ＵＡＲＴ電路等。它們在系統(tǒng)中的資源分配、功能實(shí)現(xiàn)都是通過對控制器的軟件編程來完成。下面將詳細(xì)介紹各部分的接口電路設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的工作原理。

１．２ ８０Ｃ１９６ＫＣ部分設(shè)計(jì)

１６位的８０Ｃ１９６ＫＣ80C196KC  80C196KB芯片是Ｉｎｔｅｌ公司ＭＣＳ－９６系列單片機(jī)中重要的新成員，也是目前該系列單片機(jī)中性能最強(qiáng)的產(chǎn)品之一，在各類自動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高級智能儀器中都有廣泛的應(yīng)用。８０Ｃ１９６ＫＣ芯片的特點(diǎn)如下：振蕩信號頻率達(dá)１６ＭＨｚ，指令的運(yùn)算速度更快，１６位乘法１．７５μｓ，３２位除法３．０μｓ；８個Ａ／Ｄ通道，可以方便地實(shí)現(xiàn)被控對象多點(diǎn)電壓和電流采樣；通過ＣＰＵ的串行口可實(shí)現(xiàn)與上位ＰＣ機(jī)之間的通信；新增１００Ｈ～１ＦＦＨ內(nèi)部ＲＡＭ，在垂直窗下具有更靈活的運(yùn)用；具有三路脈寬調(diào)制（ＰＷＭ）輸出；在８０Ｃ１９６ＫＢ的基礎(chǔ)上又增加了５條（ＫＢ已經(jīng)增加了６條），使程序編制更加方便；１６位多路復(fù)用地址數(shù)據(jù)／地址線可以與ＰＳＤ直接接口，同時通過鎖存器后，可將地址和數(shù)據(jù)分別接至雙口ＲＡＭ，實(shí)現(xiàn)多個ＣＰＵ之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。詳?xì)的性能參數(shù)和特點(diǎn)請參見文獻(xiàn)[１～２]。在雙ＣＰＵ系統(tǒng)中，８０Ｃ１９６主要完成的功能有鍵盤控制、顯示輸出、數(shù)據(jù)保存、信號傳送等。由于涉及的內(nèi)容復(fù)雜，而且還需要與很多外圍接口，所以用到了大容量、多端口的ＰＳＤ４０００PSD4000系列芯片與它配合，圖２所示即為８０Ｃ１９６ＫＣ部分的電路圖。

雖然ＣＰＵ的數(shù)據(jù)與地址線可以直接與ＰＳＤ連接，但是在雙口ＲＡＭ時，數(shù)據(jù)與地址信號必須分離。所需用到的鎖存器在圖２中省略了。ＰＳＤ４２３５PSD4235芯片是ＷＳＩ公司２０００年最新推出ＰＳＤ４０００系列產(chǎn)品，它能夠適應(yīng)多種不同的微處理器。其片內(nèi)集成了４Ｍ位的閃速存儲器，１６個輸出微單元、２４個輸入微單元的ＣＰＬＤ、譯碼ＰＬＤ，５２個單獨(dú)可配置Ｉ／Ｏ端口，ＪＴＡＧ串行接口等，并且有支持掉電模式的低功耗可編程電源管理單元。ＰＳＤ芯片對外地址分配和各接口的邏輯譯碼由專用的軟件ＰＳＤＳＯＦＴＴＭＬＩＴＥ實(shí)現(xiàn)，具體情況請參考文獻(xiàn)[５～６]或登陸ｗｗｗ．ｗａｆｅｒｓｃａｌｅ．ｃｏｍ站點(diǎn)查詢。使用ＰＳＤ后極大地簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)，減少了印制電路板的面積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。顯示部分通過單片機(jī)控制圖形液晶模塊ＭＧＬＳ－１２０３２實(shí)現(xiàn)。該模塊有直接訪問方式和間接訪問方式兩種。本系統(tǒng)以間接訪問方式為基礎(chǔ)。圖２所示即為間接訪問方式的電路。顯示模塊的時序通過對８０Ｃ１９６編程實(shí)現(xiàn)。液晶模塊ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ是兩片ＳＥＤ１５２０級聯(lián)在一起，一片處于主工作方式，一片處于從工作方式，它們分別控制顯示屏幕的左、右半屏。在編程時要特別注意漢字和字符顯示時在邊界區(qū)域兩片ＳＥＤ１５２０間的切換。模塊詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和具體的編程實(shí)現(xiàn)方法可查閱文獻(xiàn)[７]。

系統(tǒng)中外部擴(kuò)展了串行的Ｅ２ＰＲＯＭ電路，用來存放系統(tǒng)的一些固定參數(shù)等，使用的芯片是Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ２４Ｃ０２AT24C02。它只需通過８０Ｃ１９６ＫＣ的高速輸入、輸出通道（ＨＩＳ和ＨＳＯ）產(chǎn)生連續(xù)的高低電平序列，便可實(shí)現(xiàn)與ＣＰＵ之間的數(shù)據(jù)傳輸。從硬件的角度來看，該芯片不占用任何數(shù)據(jù)總線，連接簡單且節(jié)約大量系統(tǒng)資源。

１．３ ＡＤＭＣ４０１ADMC401部分設(shè)計(jì)

ＡＤＭＣ４０１ADMC401芯片是一個基于單片ＤＳＰ的控制器，適合工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中高性能控制。該芯片集成了一個２６ＭＩＰＳ（１３ＭＨｚ晶振）定點(diǎn)內(nèi)核ＡＤＳＰ－２１７１，單條指令執(zhí)行時間為３８．５ｎｓ，其編碼與ＡＤＳＰ－２１ｘｘＤＳＰ 系列完全兼容。內(nèi)核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成環(huán)境中快速實(shí)現(xiàn)對元器件的控制；它還包含三個計(jì)算單元、兩個數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個程序定序器。其中計(jì)算單元包含一個算術(shù)邏輯單元ＡＬＵ、一個乘法／累加器（ＭＡＣ）和一個桶式移位器。內(nèi)核還增加了位操作、平方、四舍五入和全局中斷屏蔽等指令。除此之外，ＡＤＭＣ４０１ADMC401芯片包括兩個靈活的雙緩沖器、雙向的同步串行口。圖３為ＡＤＭＣ４０１的功能框圖。ＡＤＭＣ４０１ADMC401芯片提供２Ｋ×２４位的內(nèi)部程序存儲器ＲＡＭ、２Ｋ×２４位的內(nèi)部程序存儲器ＲＯＭ、１Ｋ×１６位的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器ＲＡＭ、１個高性能８通道１２位模數(shù)轉(zhuǎn)換ＡＤＣ系統(tǒng)（它能經(jīng)過４對輸入實(shí)現(xiàn)雙通道同時采樣）、１個三相１６位中心對稱的ＰＷＭ發(fā)生器（能以最小開銷產(chǎn)生高精度的ＰＷＭ信號）、１個靈活的增量編碼器接口單元、２個可調(diào)頻的輔助ＰＷＭ輸出、１２條Ｉ／Ｏ數(shù)字信號線、１個雙通道事件捕獲系統(tǒng)、１個１６位看門狗定時器、２個１６位內(nèi)部定時器等。

ＰＳＤ３ＸＸPSD3XX芯片內(nèi)部同樣提供了許多應(yīng)用系統(tǒng)需要的全部元件和外圍。對于８０５１、８０１９６和６８ＨＣ１１68HC11等微控制器來說與ＰＳＤ相配合是極為有用的。ＡＤＭＣ４０１與它結(jié)合同樣非常有效?？紤]到ＡＤＭＣ４０１內(nèi)部程序的長度以及接口并不象８０１９６控制器那么多（８０１９６需要完成人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)、信號傳送、外圍器件接口等），所以采用ＰＳＤ３１１（現(xiàn)有價格最低的３系列產(chǎn)品）。ＡＤＭＣ４０１芯片的引導(dǎo)程序裝載可以通過兩個引腳ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ的各種不同狀態(tài)產(chǎn)生。如果引腳ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ電位都為０，那么ＡＤＭＣ４０１芯片工作在所謂的ＥＰＲＯＭ引導(dǎo)程序模式，其中被稱為"引導(dǎo)存儲器"的專用外部存儲空間將允許芯片和字節(jié)寬度的ＥＰＲＯＭ相連，并在上電時通過存儲器接口從外部裝載程序；如果引腳ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ設(shè)置為其它電位將會產(chǎn)生不同的引導(dǎo)模式；另外，４０１芯片有一個專門的低電平有效信號--引導(dǎo)存儲器選擇ＢＭＳ（Ｂｏｏｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ｓｅｌｅｃｔ）簡化了引導(dǎo)存儲器的接口。以上這些功能極大地方便了ＡＤＭＣ４０１與ＰＳＤ接口。圖４為ＡＤＭＣ４０１與ＰＳＤ３１１的接口電路圖（圖中還包括了一些其它外圍）。ＡＤＭＣ４０１與ＰＳＤ３１１的連接幾乎和它與標(biāo)準(zhǔn)的ＥＰＲＯＭ連接一樣簡單。由于總線的通路布在ＡＤＭＣ４０１內(nèi)部，ＰＳＤ３１１的８根數(shù)據(jù)線并不與ＡＤＭＣ４０１的Ｄ７～Ｄ０相連，而是與Ｄ１５～Ｄ８Ｃ相連。還要注意，地址的最高位由ＡＤＭＣ４０１的Ｄ２２線提供（在ＡＤＭＣ４０１中沒有Ａ１４地址線）。ＢＭＳ信號充當(dāng)ＥＰＲＯＭ的片選并與ＰＳＤ３１１的Ａ１９輸入相連接。Ａ１９在ＰＳＤ的程序里將被定義為芯片使能信號。ＡＤＭＣ４０１生成低有效讀和寫選通脈沖，它們與ＰＳＤ３１１的ＲＤ和ＷＲ輸入相連。這些選通脈沖在傳輸中用來選通ＰＳＤ３１１的ＥＰＲＯＭ和ＲＡＭ。ＡＤＭＣ４０１有２Ｋ×２４位的內(nèi)部程序存儲空間。在采用ＥＰＲＯＭ引導(dǎo)程序模式時（ＭＭＡＰ＝０，ＢＭＯＤＥ＝０），外部程序通過ＡＤＭＣ４０１內(nèi)部的定序器按照２４位命令格式一次性全部下載到其內(nèi)部程序存儲空間。當(dāng)然應(yīng)用程序可能大于ＡＤＭＣ４０１內(nèi)部程序存儲空間，不過程序如果執(zhí)行到后面的代碼，ＡＤＭＣ４０１會自動重新引導(dǎo)。引導(dǎo)程序存儲器由八頁組成，每頁８Ｋ字節(jié)長。一頁中除了第一個字節(jié)外每隔三個字節(jié)是一個空字節(jié)，第一個字節(jié)是該頁的長度，在兩個相鄰空字節(jié)中每組三個字節(jié)包含一個要裝入ＤＳＰ 內(nèi)部
程序存儲器的２４位指令。也就是說２Ｋ×２４位的內(nèi)部程序存儲空間需要８Ｋ×８位的外部存儲空間。在ＡＤＭＣ４０１的開發(fā)工具中有一個程序存儲器ＰＲＯＭ分配器實(shí)用程?quot;ＳＰＬ２１．ｅｘｅ"。它為用戶程序計(jì)算正確的頁長度，并且根據(jù)適當(dāng)?shù)膮f(xié)議為用戶程序的字節(jié)排序，極大地方便了程序代碼的生成。這些生成的代碼可以直接寫入ＰＳＤ３１１。

２ ８０Ｃ１９６ＫＣ-ＡＤＭＣ４０１80C196KC ADMC401兩片系統(tǒng)在ＳＶＧ裝置中的應(yīng)用

ＳＶＧ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）--靜止無功發(fā)生器也被稱為ＳＴＡＴＣＯＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ），是靈活交流輸電系統(tǒng)ＦＡＣＴＳ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）技術(shù)中一個重要的基礎(chǔ)部件。雖然ＳＶＧ裝置的成本要高一些，但其靈活的動態(tài)調(diào)節(jié)特性、優(yōu)越的補(bǔ)償效果以及更小的設(shè)備體積都是其他無功補(bǔ)償裝置不能比擬的。很多文獻(xiàn)資料對ＳＶＧ裝置的原理和研制都有介紹。圖５為兩片系統(tǒng)的ＳＶＧ裝置結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)共分為三個主要部分。第一部分是由８０Ｃ１９６ＫＣ-ＡＤＭＣ４０１兩片系統(tǒng)構(gòu)成的檢測控制部分。８０１９６主要負(fù)責(zé)人機(jī)界面的完成以及向上位機(jī)發(fā)送信號等功能,ADMC401的高速流水線式的８路Ａ／Ｄ采樣端口也為電壓電流的快速采集提供了保證，同時ＡＤＭＣ４０１還要完成數(shù)字濾波計(jì)算、無功計(jì)算、ＰＷＭ控制信號的產(chǎn)生發(fā)送等功能。第二部分是由ＩＧＢＴ模塊構(gòu)成的逆變電路。ＳＶＧ裝置的關(guān)鍵部件就是它的逆變橋路部分，而ＡＤＭＣ４０１集成的專用６路ＰＷＭ波發(fā)生器正好提供了靈活的控制方法。此外，逆變電路部分采用富士電機(jī)最新推出的Ｒ系列ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模塊７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０。它將過去的ＩＧＢＴ單元、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等結(jié)合在一個模塊中，極大地提高了實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，簡化了設(shè)計(jì)的難度，縮小了裝置的體積。第三部分是由電力二極管構(gòu)成的全波整流電路。整流電路采用日本富士公司的三相全波整流模塊６ＲＩ１００Ｇ－１６０。主要將三相線路上的交流電壓變?yōu)橹绷鬏敵觯瑥亩S持直流電容兩端電壓的穩(wěn)定，為逆變電路提供一個直流電。這樣避免了要輕微改變逆變器的觸發(fā)工作角來達(dá)到提高和穩(wěn)定電容上電壓的情況。電流的檢測是利用ＫＴ１００－Ｐ型電流傳感器完成，電壓的檢測是利用ＣＨＶ－５０Ｐ電壓傳感器完成。輸出顯示部分是用以ＳＥＤ１５２０SED1520為驅(qū)動芯片的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶模塊。以上各部件功能都是通過對ＡＤＭＣ４０１數(shù)字信號處理芯片和８０Ｃ１９６ＫＣ軟件編程實(shí)現(xiàn)。 ８０Ｃ１９６ＫＣ80C196KC和ＡＤＭＣ４０１ADMC401組成的兩片系統(tǒng)，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，非常適合計(jì)算量大、多外設(shè)、高速度的場合。