DSP56F80x及其在电机控制中的应用

作者：解放军电子工程学院 程水英 武传华

欢迎访问e展厅 展厅 7 工业PC/工控机展厅 DCS卡, 平板电脑, 工控板, 单板机, 监控系统, ... 摘 要：介绍了Motorola公司DSP56F80x系列DSP的内核、智能外设、应用领域和内部结构、外部引脚及开发方法等，最后给出了一个应用DSP56F805控制无位置传感器无刷直流电机的实验系统。 关键词：SoC；DSP56F80x；电机控制；无传感器无刷直流电机 电机控制经历了从模拟控制到以MCU（单片机）为主的模数混合控制再到全数字控制的演变。随着电机应用领域的更加广泛和深入，完成电机控制的运算也越来越复杂，而实时性的要求在很多场合却越来越高。这样，以DSP（数字信号处理器）加MCU的控制模式便应运而生。当前，系统设计及更新换代的周期越来越短，而系统的低造价和高可靠性却一直是人们的共同追求，片上系统（SoC）设计便是在此背景下应运而生的电子设计潮流。于是，TI、ADI、Infineon等公司相继推出了面向控制系统设计的DSP芯片。Motorola则更是不甘示弱，其DSP56F80x系列无论是从DSP的运算性能还是从MCU的控制性能来说都表现出了卓越的品质，实际上，该系列的DSP可以说是集成了MCU和DSP功能的一体化设计芯片。 1 DSP56F80x系列DSP DSP56F80x系列DSP（以下简称 '80x）包括DSP56F801、3、5、7，2003年初，Motorola在该系列中又新增了一个片种DSP56F802。'80x集成了Motorola的16位定点DSP微控制器内核DSP56800，而DSP56800内核的指令集面向DSP和控制领域的应用均进行了优化。DSP56800内核为双哈佛结构，共有3个并行的执行单元，分别为算逻运算单元（ALU）、地址产生单元（AGU）和程序控制单元（PCU）。每个指令周期这3个执行单元共可完成6次操作。在一个指令周期内，DSP内核即可执行一次16位×16位的乘法累加操作（MAC）。另外，DSP内核还提供了硬件循环操作。芯片内核最高可工作于80MHz，在此工作频率下，指令执行速度可达40MIPS。内核的这种高效结构和高速运算能力，为 '80x系列DSP在运算复杂、实时性较强的控制领域中的应用提供了保证。 '80x系列DSP的设计继承了SoC思想，这使得它们在嵌入式系统中的应用更加方便。该系列DSP的片内就包含了容量不等的程序和数据FLASH及RAM；而且除DSP56F801、2外，芯片可外扩程序及数据存储器各64K×16位。此外，芯片还集成了丰富的面向控制的IP（Intellectual Properties）外设，如ADC、PWM、正交解码器（Quadrature Decoder）、四定时器（Quad Timer）、看门狗（Watchdog/COP）、JTAG、通用I/O接口（GPIO）和用于通信用的CAN总线、异步串行总线SCI及同步串行总线SPI等。DSP56F801、2内部还集成有一个弛张振荡器，因而，DSP56F801、2的应用甚至于不需要外接晶体或时钟源。表1为'80x系列DSP特性列表,其中的带“*”的模块引脚共用，可通过软件选择。 '80x系列DSP的应用领域包括：电机控制，如交流感应电机、直流有刷及无刷和有传感器及无传感器电机、开关及可变磁阻电机以及步进电机等；工业控制，如工业自动化、电源控制、消噪降噪、环境控制和仪器仪表等；交通运输，如燃料管理、路灯控制、引擎控制、安全气囊等；其他如智能家电、家居安保系统、声控设备、电动玩具等等。 2 DSP56F805的内部结构、外部引脚与智能外设 从表1我们可以看出，'80x系列DSP各片种的主要区别在于各自片内集成的存储器容量和IP外设的种类和数目的不同。在此，我们以DSP56F805为例，详细介绍该芯片的内部结构、外部引脚和智能外设等。 DSP56F805的内部结构及外部引脚的功能分布如图1所示。下面对DSP56F805所集成的与电机控制密切相关的IP外设作几点简单说明。 ● 共有两个分辨率为15 位的PWM模块：PWMA和PWMB，每个PWM模块都有6个PWM输出引脚、3个电流检测输入引脚和4个差错输入引脚。PWM输出波形可通过软件设置为边沿对齐或中心对齐。6路PWM输出可配置为0、1、2或3对互补输出，互补输出以外的则为相互独立的PWM输出。对于互补PWM输出对，芯片支持可编程死区电压控制和波形宽度及极性控制。 ● 12位的ADC模块最高采样率可达1.66MSPS。考虑到电机控制的方便，ADC模块采用双路各4输入设计，这两路A/D变换器可被软件配置为同步或顺序采样。而且，ADC模块还可与PWM模块实现同步。 ● 两个正交解码器（#0和#1）的输入引脚分别与两个四定时器A和B的引脚共用。当作为正交解码器用时，这四个引脚分别为：PHASEA、PHASEB、INDEX和HOME。正交解码器的输入引脚PHASEA和PHASEB可以外接光码盘的两相输出，用于检测电机的位置和转向。另外，这两个引脚也可分别用于单相脉冲信号的累加计数。正交解码器的内部还集成了滤波器，用于消除输入信号中的大脉冲干扰。正交解码器的位置计数器为32位，位差寄存器为16位，既可对高速电机测速，也可与通用定时器一起用于对低速电机测速。 ● 四定时器模块：DSP56F805共有四个四定时器模块（A、B、C和D）。其中，四定时器A、B分别与#0及#1正交解码器共用引脚；四定时器C、D则有自己的专用引脚；四定时器C只有两个引脚，其余分别有四个引脚。每个四定时器模块均有四个16位定时/计数器，支持加法和减法计数，并可用软件配置为多种计数模式。而每个四定时器模块的外部引脚实际上是由该模块的四个定时/计数器共用，也可通过软件进行灵活分配。 ● DSP56F805的GPIO口共有14个专用引脚和18个复用引脚。而且，每个GPIO引脚可独立地被软件配置为输入、输出或中断触发。当用户觉得芯片引脚不够用，或某些功能模块不需要时，我们即可通过软件编程改变或扩展芯片的功能。 另外，'80x系列DSP总共可以支持7优先级64个中断源，而且，中断系统的反应性能优越。这对于'80x系列DSP在复杂系统中的应用提供了强有力的支持。 3 DSP56F80x的开发方法 为了缩短开发周期，节约成本，无论是从硬件上还是软件上，Motorola均为'80x系列DSP提供了一整套的开发支持工具。 首先，在硬件上来说，Motorola已为DSP56F801、3、5和7开发了评估板（EVM）。这些EVM对于初学者熟悉'80x系列DSP来说不失为一种很好的工具。而对于开发者来说，在产品研发的初期，EVM则提供了良好的软硬件开发的实时环境。EVM的本身已为相应DSP作了外围扩展，而且也为用户的扩展留有足够的接口。由于’80x是Motorola推出的面向电机控制的DSP系列；所以，除了EVM以外，Motorola还为用户准备了电机控制用的硬件开发套件。如评估电机板EMB（Evaluation Motor Board）,它为电机控制提供了12V、4A的功率级和一些电机控制连接件。另外还有3相交流/直流无刷高压/低压功率级、光隔离板等等。 事实上，根据我们的开发经验，用户可以按照自己的实际需求，非常方便地制作一套硬件开发工具。即在自己的DSP开发板之外，再用两片244和几只电阻和电容制作一个程序下载板，下载板的一端接计算机的打印口，另一端接DSP的JTAG口。这样就可以方便地实现程序的调试和下载。 其次，从软件上来说，DSP56800本身既可用汇编语言进行开发，也支持C/C++语言的开发，而且效率较高。更为可贵的是，Metrowerks的可视化集成开发环境“代码勇士（CodeWarrior）”则为代码的编辑、浏览、编译和调试提供了一个友好的用户界面。还有，Motorola的SDK（Software Development Kit）则为用户的开发提供了一整套的软件包和应用实例，包括DSP各种集成IP外设和特定开发评估板上外扩设备的驱动程序，以及针对电机控制、语音编码等一些特定应用的软件开发支持库和开发实例等。 4 DSP56F805在无位置传感器无刷直流电机控制中的实际应用 图2为一个应用DSP56F805实现对三相无位置传感器无刷直流电机控制的实验系统框图，选用了Motorola的DSP56F805开发评估板EVM和EVM评估电机板EMB。该系统可以实现对电机速度的闭环控制。电机位置的检测采用的是“反电动势过零检测法”。其中，过零信号由DSP56F805正交解码模块的输入监控寄存器（IMR）读取，PWM输出通道屏蔽操作的切换则由写入PWM模块的PWM通道控制寄存器（PMCCR）的相应MSK位实现。PWM模块被设置为独立模式，输出频率为16kHz。程序既可以在DSP56F805的内部FLASH中运行，也可以在EVM板上的外部RAM中运行，这可以通过在程序编译时进行目标选择。系统中的并口是用于进行程序目标代码的下载，而串口则是用于借用SDK的套件“PC Master”实现对系统的远程控制。这样，电机运行的启停和速度调节控制既可以手工控制，也可以通过PC机进行远程控制。 这里，我们给出有关PWM输出频率fPWM=16kHz的计算和寄存器设置。EVM板上的晶体中心频率为8MHz，DSP内核工作频率为80MHz，IP外围设备工作频率为fIP=40MHz，这可以通过写片上时钟合成模块的PLLDB寄存器进行设置。而PWM模块的PWMCM寄存器的值VPWMCM就决定了PWM模块的输出频率。 VPWMCM= fIP/fPWM=40×103/16=2500=0x09C4（16进制） 所以，我们应在PWMCM寄存器中写入16进制0x09C4。 事实上，将该实验系统稍作变化，还可以实现对其他一些种类的电机控制。在该实验系统上，可以进行有关电机控制各种算法的调试验证。当设计的原型系统比较完善时，可以参考开发评估板的硬件设计，设计实现自己的简化系统。实践证明，这种开发方法快捷高效。 参考文献 1 DSP56F801/803/805/807 User's Manual. Motorola, Inc., 2001 2 DSP56F805 Preliminary Technical Data. Motorola, Inc., 2002.1 3 Targeting Motorola DSP56805 Platform. Motorola, Inc., 2000.9 4 DSP56800 Family Manual. Motorola, Inc., 2000.1 5 David Zalac. DSP5680x Architecture Captures Best of DSP and MCU Worlds. Motorola, Inc., 2001.3 6 Motorola Embedded Motion Control Evaluation Motor Board User's Manual. Motorola, Inc., 2000(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/10/2005)