高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A及應(yīng)用

1 引言

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）已經(jīng)發(fā)展了20多年，最初僅在信號(hào)處理領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。近年來， 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其高速運(yùn)算能力使很多復(fù)雜的控制算法和功能得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將實(shí)時(shí)處理能力和控制器的外設(shè)功能集于一身，在控制領(lǐng)域內(nèi)也得到很好的應(yīng)用。數(shù)字控制系統(tǒng)克服了模擬控制系統(tǒng)電路功能單一、控制精度不高的缺點(diǎn)，它抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，增強(qiáng)了控制的靈活性。

TMS320LF2407A是美國(guó)TI公司推出的新型高性能16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它專門為數(shù)字控制設(shè)計(jì)，集DSP的高速信號(hào)處理能力及適用于控制的優(yōu)化外圍電路于一體，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用 [1]。本文介紹其體系結(jié)構(gòu)、功能特性及其在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，為數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

2 體系結(jié)構(gòu)和功能特性

2.1 系統(tǒng)組成

TMS320LF2407A系統(tǒng)組成包括：40MHz、40MIPS的低電壓3.3V　CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器、事件管理器模塊、片內(nèi)集成外圍設(shè)備[2]。其體系結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 CPU及總線結(jié)構(gòu)

TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定點(diǎn)低功耗內(nèi)核。體系結(jié)構(gòu)采用四級(jí)流水線技術(shù)加快程序的執(zhí)行，可在一個(gè)處理周期內(nèi)完成乘法、加法和移位運(yùn)算。其中央算術(shù)邏輯單元（CALU）是一個(gè)獨(dú)立的算術(shù)單元，它包括一個(gè)32位算術(shù)邏輯單元（ALU）、一個(gè)32位累加器、一個(gè)16×16位乘法器（MUL）和一個(gè)16位桶形移位器，同時(shí)乘法器和累加器內(nèi)部各包含一個(gè)輸出移位器。完全獨(dú)立于CALU的輔助寄存器單元（ARAU）包含八個(gè)16位輔助寄存器，其主要功能是在CALU操作的同時(shí)執(zhí)行八個(gè)輔助寄存器（AR7至AR0）上的算術(shù)運(yùn)算。兩個(gè)狀態(tài)寄存器ST0 和ST1用于實(shí)現(xiàn)CPU各種狀態(tài)的保存。

TMS320LF2407A采用增強(qiáng)的哈佛結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部具有六條16位總線，即程序地址總線（PAB）、數(shù)據(jù)讀地址總線（DRAB）、數(shù)據(jù)寫地址總線（DWAB）、程序讀總線（PRDB）、數(shù)據(jù)讀總線（DRDB）、數(shù)據(jù)寫總線（DWEB），其程序存儲(chǔ)器總線和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線相互獨(dú)立，支持并行的程序和操作數(shù)尋址，因此CPU的讀/寫可在同一周期內(nèi)進(jìn)行，這種高速運(yùn)算能力使自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等復(fù)雜控制算法得以實(shí)現(xiàn)。

2.3 存儲(chǔ)器配置

TMS320LF2407A地址映象被組織為三個(gè)可獨(dú)立選擇的空間：程序存儲(chǔ)器（64K）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（64K）、輸入/輸出（I/O）空間（64K）。這些空間提供了共192K字的地址范圍。

其片內(nèi)存儲(chǔ)器資源包括：544字×16位的雙端口數(shù)據(jù)/程序DARAM、2K字×16位的單端口數(shù)據(jù)/程序SARAM、片內(nèi)32K×16位的Flash程序存儲(chǔ)器、256字×16位片上Boot ROM、片上Flash/ROM具有可編程加密特性。

TMS320LF2407A的指令集有三種基本的存儲(chǔ)器尋址方式：立即尋址方式、直接尋址方式、間接尋址方式。

2.4 事件管理器模塊

TMS320LF2407A包含兩個(gè)專用于電機(jī)控制的事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)事件管理器模塊包括通用定時(shí)器（GP）、全比較單元、正交編碼脈沖電路以及捕獲單元。

① 通用定時(shí)器。TMS320LF2407A共有四個(gè)16位通用定時(shí)器，可用于產(chǎn)生采樣周期，作為全比較單元產(chǎn)生PWM輸出以及軟件定時(shí)的時(shí)基。通用定時(shí)器有四種可選擇的操作模式：停止/保持模式、連續(xù)增計(jì)數(shù)模式、定向增/減計(jì)數(shù)模式和連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式。每個(gè)通用定時(shí)器都有一個(gè)相關(guān)的比較寄存器TxCMPR和一個(gè)PWM輸出引腳T xPWM。每個(gè)通用定時(shí)器都可以獨(dú)立地用于提┮桓鯬WM輸出通道，可產(chǎn)生非對(duì)稱或?qū)ΨQPWM波形，因此，四個(gè)通用定時(shí)器最多可提供4路PWM輸出。

② 全比較單元。每個(gè)事件管理器模塊有3個(gè)全比較單元（1、2和3（EVA）； 4、5和6（EVB）），每個(gè)比較單元各有一個(gè) 16位比較寄存器 CMPRx，各有兩個(gè)CMP / PWM輸出引腳，可產(chǎn)生2路 PWM輸出信號(hào)控制功率器件，其輸出引腳極性由控制寄存器 (ACTR)的控制位來決定，根據(jù)需要，選擇高電平或低電平作為開通信號(hào)，通過設(shè)置T1為不同工作方式，可選擇輸出對(duì)稱PWM波形、非對(duì)稱PWM波形或空間矢量PWM波形。

死區(qū)控制單元 (DBTCON)用來產(chǎn)生可編程的軟件死區(qū)，使得受每個(gè)全比較單元的兩路CMP / PWM輸出控制的功率器件的間次開啟周期間沒有重疊，最大可編程的軟件死區(qū)時(shí)間達(dá)16μs。

③ 正交編碼脈沖電路。正交編碼脈沖（QEP）電路可以對(duì)引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2上的正交編碼脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)，可以直接處理光電編碼盤的2路正交編碼脈沖，正交編碼脈沖包含兩個(gè)脈沖序列，有變化的頻率和四分之一周期（90°）的固定相位偏移，對(duì)輸入的2路正交信號(hào)進(jìn)行鑒相和4倍頻。通過檢測(cè)2路信號(hào)的相位關(guān)系可以判斷電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)，并據(jù)此對(duì)信號(hào)進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，從而得到當(dāng)前的計(jì)數(shù)值和計(jì)數(shù)方向，即電機(jī)的角位移和轉(zhuǎn)向，電機(jī)的角速度可以通過脈沖的頻率測(cè)出。

④ 捕獲單元。捕獲單元用于捕獲輸入引腳上信號(hào)的跳變，兩個(gè)事件管理器模塊總共有六個(gè)捕獲單元。EVA模塊有三個(gè)捕獲單元引腳CAP1、CAP2和CAP3，它們可以選擇通用定時(shí)器1或2作為時(shí)基，但CAP1和CAP2一定要選擇相同的定時(shí)器作為時(shí)基；EVB模塊也有三個(gè)捕獲單元引腳CAP4、 CAP5和CAP6，它們可以選擇通用定時(shí)器3或4作為時(shí)基，但CAP4和CAP5一定要選擇相同的定時(shí)器作為時(shí)基。每個(gè)單元各有一個(gè)兩級(jí)的FIFO緩沖堆棧。當(dāng)捕獲發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的中斷標(biāo)志被置位，并向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求。

2.5 片內(nèi)集成外設(shè)

TMS320LF2407A片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的元器件數(shù)量。

① 串行通信口。TMS320LF2407A設(shè)有一個(gè)異步串行外設(shè)通信口（SCI）和一個(gè)同步串行外設(shè)通訊口（SPI），用于與上位機(jī)、外設(shè)及多處理器之間的通信。SCI即通用異步收發(fā)器（UART）支持 RS－232和RS－485的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)全雙工通信模式，用來與上位機(jī)的通信；SPI可用于同步數(shù)據(jù)通信，典型應(yīng)用包括TMS320LF2407A之間構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外部I/O擴(kuò)展，如顯示驅(qū)動(dòng)。

② A/D轉(zhuǎn)換模塊。包括兩個(gè)帶采樣/保持的各8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，具有自動(dòng)排序能力，一次可執(zhí)行最多16個(gè)通道的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，可工作在8個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換的雙排序器工作方式或一組16個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換通道的單排序器工作方式。A/D轉(zhuǎn)換模塊的啟動(dòng)可以有事件管理器模塊中的事件源啟動(dòng)、外部信號(hào)啟動(dòng)、軟件立即啟動(dòng)等三種方式。

③ 控制器區(qū)域網(wǎng)（CAN）。是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，主要用于各種設(shè)備的監(jiān)測(cè)及控制。TMS320LF2407A片上CAN控制器模塊是一個(gè)16位的外設(shè)模塊，該模塊完全支持CAN2.0B協(xié)議，6個(gè)郵箱(其中0、1用于接收；4、5用于發(fā)送；2、3可配置為接收或發(fā)送)每次可以傳送0~8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，具有可編程的局部接收屏蔽、位傳輸速率、中斷方案和總線喚醒事件、超強(qiáng)的錯(cuò)誤診斷、自動(dòng)錯(cuò)誤重發(fā)和遠(yuǎn)程請(qǐng)求回應(yīng)、支持自測(cè)試模式等功能。

CAN總線通信可靠性高，節(jié)點(diǎn)數(shù)有110個(gè)，傳輸速度高達(dá)1Mb/s（此時(shí)距離最長(zhǎng)為40m），直接通信距離可達(dá)10km（速率5kb/s以下），采用雙絞線差動(dòng)方式進(jìn)行通信，有很強(qiáng)的抗干擾能力。

④ 鎖相環(huán)電路（PLL）和等待狀態(tài)發(fā)生器。前者用于實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘選項(xiàng)；后者可通過軟件編程產(chǎn)生用于用戶需要的等待周期，以配合外圍低速器件的使用。

⑤ 看門狗定時(shí)器與實(shí)時(shí)中斷定時(shí)器。均為8位增量計(jì)數(shù)器，前者用于監(jiān)控系統(tǒng)軟件和硬件工作，在CPU出錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；后者用于產(chǎn)生周期性的中斷請(qǐng)求。

⑥ 外部存儲(chǔ)器接口?？蓴U(kuò)展為192K字×16位的最大可尋址存儲(chǔ)器空間（64K字程序存儲(chǔ)器、 64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器、64K字I/O空間）。

⑦ 數(shù)字I/O。TMS320LF2407A有40個(gè)通用、雙向的數(shù)字I/O引腳，其中大多數(shù)都是基本功能和一般I/O復(fù)用引腳。

⑧ JTAG接口。由于TMS320LF2407A結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作速度快、外部引腳多、封裝面積小、引腳排列密集等原因，傳統(tǒng)的并行仿真方式已不適合于TMS320LF2407A的開發(fā)應(yīng)用。TMS320LF2407A 具有符合IEEE1149.1規(guī)范的5線JTAG（邊界掃描邏輯）串行仿真接口，能夠極其方便地提供硬件系統(tǒng)的在線仿真和測(cè)試。

⑨ 外部中斷。有五個(gè)外部中斷（功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位、不可屏蔽中斷NMI及兩個(gè)可屏蔽中斷）。

3 主要應(yīng)用

TMS320LF2407A為高性能的控制提供先進(jìn)、可靠、高效的信號(hào)處理與控制的平臺(tái)，它將數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算能力與面向高性能控制的能力集于一體，可以實(shí)現(xiàn)用軟件取代模擬器件，可方便地修改控制策略，修正控制參數(shù)，兼具故障監(jiān)測(cè)、自診斷和上位機(jī)管理與通信等功能，將成為控制系統(tǒng)開發(fā)的主流處理器 [3]，可廣泛應(yīng)用于：工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；能量交換器如UPS、通信電源；自動(dòng)化系統(tǒng)如電力控制、抗鎖死制動(dòng)；磁盤/光盤伺服控制和大容量存儲(chǔ)產(chǎn)品；打印機(jī)、復(fù)印機(jī)和其他辦公產(chǎn)品；儀器、儀表；機(jī)器人控制。

TMS320LF2407A被廣泛用于數(shù)字化控制中，一個(gè)基于DSP的逆變電源控制系統(tǒng)原理框圖見圖2。系統(tǒng)主要由DSP（TMS320LF2407A）、電壓電流反饋、PWM驅(qū)動(dòng)放大電路、鍵盤顯示及上位機(jī)組成。當(dāng)DSP接受主機(jī)發(fā)出的參考輸入后，將其轉(zhuǎn)換為PWM輸出，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大送給逆變主電路，產(chǎn)生輸出。逆變電路輸出的電壓、電流反饋信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器引腳。通過光電編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)角，反饋回DSP的正交編碼脈沖電路（QEP），形成閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)有效地控制交流電機(jī)。鍵盤和顯示由SPI同步串行口實(shí)現(xiàn)，用于讀取鍵盤輸入和寫輸出到顯示器。DSP與上位機(jī)之間的通信由SCI異步串行口實(shí)現(xiàn)。JTAG接口用于系統(tǒng)的在線仿真和測(cè)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)控制性能要求的提高，控制方案的選擇變得越來越關(guān)鍵，逐步形成了由數(shù)字控制代替模擬控制的局面。TMS320LF2407A為數(shù)字控制應(yīng)用提供了理想的解決方案。