高性能數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A及應用

1 引言

數(shù)字信號處理器（DSP）已經(jīng)發(fā)展了20多年，最初僅在信號處理領域內應用。近年來， 隨著半導體技術的發(fā)展，其高速運算能力使很多復雜的控制算法和功能得以實現(xiàn)，同時將實時處理能力和控制器的外設功能集于一身，在控制領域內也得到很好的應用。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，它抗干擾能力強，可靠性高，可實現(xiàn)復雜控制，增強了控制的靈活性。

TMS320LF2407A是美國TI公司推出的新型高性能16位定點數(shù)字信號處理器，它專門為數(shù)字控制設計，集DSP的高速信號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)中得以廣泛應用 [1]。本文介紹其體系結構、功能特性及其在控制領域中的應用，為數(shù)字控制系統(tǒng)的設計提供參考。

2 體系結構和功能特性

2.1 系統(tǒng)組成

TMS320LF2407A系統(tǒng)組成包括：40MHz、40MIPS的低電壓3.3V　CPU、片內存儲器、事件管理器模塊、片內集成外圍設備[2]。其體系結構框圖如圖1所示。

2.2 CPU及總線結構

TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定點低功耗內核。體系結構采用四級流水線技術加快程序的執(zhí)行，可在一個處理周期內完成乘法、加法和移位運算。其中央算術邏輯單元（CALU）是一個獨立的算術單元，它包括一個32位算術邏輯單元（ALU）、一個32位累加器、一個16×16位乘法器（MUL）和一個16位桶形移位器，同時乘法器和累加器內部各包含一個輸出移位器。完全獨立于CALU的輔助寄存器單元（ARAU）包含八個16位輔助寄存器，其主要功能是在CALU操作的同時執(zhí)行八個輔助寄存器（AR7至AR0）上的算術運算。兩個狀態(tài)寄存器ST0 和ST1用于實現(xiàn)CPU各種狀態(tài)的保存。

TMS320LF2407A采用增強的哈佛結構，芯片內部具有六條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），其程序存儲器總線和數(shù)據(jù)存儲器總線相互獨立，支持并行的程序和操作數(shù)尋址，因此CPU的讀/寫可在同一周期內進行，這種高速運算能力使自適應控制、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等復雜控制算法得以實現(xiàn)。

2.3 存儲器配置

TMS320LF2407A地址映象被組織為三個可獨立選擇的空間：程序存儲器（64K）、數(shù)據(jù)存儲器（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。

其片內存儲器資源包括：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32K×16位的Flash程序存儲器、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包含兩個專用于電機控制的事件管理器模塊EVA和EVB，每個事件管理器模塊包括通用定時器（GP）、全比較單元、正交編碼脈沖電路以及捕獲單元。

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

② 全比較單元。每個事件管理器模塊有3個全比較單元（1、2和3（EVA）； 4、5和6（EVB）），每個比較單元各有一個 16位比較寄存器 CMPRx，各有兩個CMP / PWM輸出引腳，可產(chǎn)生2路 PWM輸出信號控制功率器件，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，通過設置T1為不同工作方式，可選擇輸出對稱PWM波形、非對稱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)時間達16μs。

③ 正交編碼脈沖電路。正交編碼脈沖（QEP）電路可以對引腳CAP1/QEP1和CAP2/QEP2上的正交編碼脈沖進行解碼和計數(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，對輸入的2路正交信號進行鑒相和4倍頻。通過檢測2路信號的相位關系可以判斷電機的正/反轉，并據(jù)此對信號進行加/減計數(shù)，從而得到當前的計數(shù)值和計數(shù)方向，即電機的角位移和轉向，電機的角速度可以通過脈沖的頻率測出。

④ 捕獲單元。捕獲單元用于捕獲輸入引腳上信號的跳變，兩個事件管理器模塊總共有六個捕獲單元。EVA模塊有三個捕獲單元引腳CAP1、CAP2和CAP3，它們可以選擇通用定時器1或2作為時基，但CAP1和CAP2一定要選擇相同的定時器作為時基；EVB模塊也有三個捕獲單元引腳CAP4、 CAP5和CAP6，它們可以選擇通用定時器3或4作為時基，但CAP4和CAP5一定要選擇相同的定時器作為時基。每個單元各有一個兩級的FIFO緩沖堆棧。當捕獲發(fā)生時，相應的中斷標志被置位，并向CPU發(fā)中斷請求。

2.5 片內集成外設

TMS320LF2407A片內集成了豐富的外設，大大減少了系統(tǒng)設計的元器件數(shù)量。

① 串行通信口。TMS320LF2407A設有一個異步串行外設通信口（SCI）和一個同步串行外設通訊口（SPI），用于與上位機、外設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)標準全雙工通信模式，用來與上位機的通信；SPI可用于同步數(shù)據(jù)通信，典型應用包括TMS320LF2407A之間構成多機系統(tǒng)和外部I/O擴展，如顯示驅動。

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

③ 控制器區(qū)域網(wǎng)（CAN）。是現(xiàn)場總線的一種，主要用于各種設備的監(jiān)測及控制。TMS320LF2407A片上CAN控制器模塊是一個16位的外設模塊，該模塊完全支持CAN2.0B協(xié)議，6個郵箱(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、超強的錯誤診斷、自動錯誤重發(fā)和遠程請求回應、支持自測試模式等功能。

CAN總線通信可靠性高，節(jié)點數(shù)有110個，傳輸速度高達1Mb/s（此時距離最長為40m），直接通信距離可達10km（速率5kb/s以下），采用雙絞線差動方式進行通信，有很強的抗干擾能力。

④ 鎖相環(huán)電路（PLL）和等待狀態(tài)發(fā)生器。前者用于實現(xiàn)時鐘選項；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 看門狗定時器與實時中斷定時器。均為8位增量計數(shù)器，前者用于監(jiān)控系統(tǒng)軟件和硬件工作，在CPU出錯時產(chǎn)生復位信號；后者用于產(chǎn)生周期性的中斷請求。

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

⑦ 數(shù)字I/O。TMS320LF2407A有40個通用、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復用引腳。

⑧ JTAG接口。由于TMS320LF2407A結構復雜、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)的在線仿真和測試。

⑨ 外部中斷。有五個外部中斷（功率驅動保護、復位、不可屏蔽中斷NMI及兩個可屏蔽中斷）。

3 主要應用

TMS320LF2407A為高性能的控制提供先進、可靠、高效的信號處理與控制的平臺，它將數(shù)字信號處理的運算能力與面向高性能控制的能力集于一體，可以實現(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、自診斷和上位機管理與通信等功能，將成為控制系統(tǒng)開發(fā)的主流處理器 [3]，可廣泛應用于：工業(yè)電機驅動；能量交換器如UPS、通信電源；自動化系統(tǒng)如電力控制、抗鎖死制動；磁盤/光盤伺服控制和大容量存儲產(chǎn)品；打印機、復印機和其他辦公產(chǎn)品；儀器、儀表；機器人控制。

TMS320LF2407A被廣泛用于數(shù)字化控制中，一個基于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驅動放大電路、鍵盤顯示及上位機組成。當DSP接受主機發(fā)出的參考輸入后，將其轉換為PWM輸出，經(jīng)過驅動放大送給逆變主電路，產(chǎn)生輸出。逆變電路輸出的電壓、電流反饋信號送入A/D轉換器引腳。通過光電編碼器檢測電機的轉動方向及轉角，反饋回DSP的正交編碼脈沖電路（QEP），形成閉環(huán)控制，實時有效地控制交流電機。鍵盤和顯示由SPI同步串行口實現(xiàn)，用于讀取鍵盤輸入和寫輸出到顯示器。DSP與上位機之間的通信由SCI異步串行口實現(xiàn)。JTAG接口用于系統(tǒng)的在線仿真和測試。

4 結束語

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)字控制應用提供了理想的解決方案。