工業(yè)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，使得各種應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ひ部刂葡到y(tǒng)的要求越來越高,。更快的響應(yīng)速度,，更高的控制精度，更好的實時性是用戶不斷的要求和控制系統(tǒng)廠商不斷追求的目標(biāo),。作為控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),，模擬量輸出控制器的主要功能是接受PC機(jī)和各類通信設(shè)備發(fā)出的指令信號，通過內(nèi)部邏輯算法和硬件電路得到相應(yīng)的模擬量值,，用來控制伺服閥的開度,，從而控制工藝運(yùn)行狀態(tài)。模擬量輸出控制器的執(zhí)行速度,、輸出精度關(guān)系著整個控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量,。目前模擬量輸出控制器主要是通過單片機(jī)和各種專用的芯片/電路，如專用的定時器,，D/A轉(zhuǎn)換電路,，通信模塊等配合實現(xiàn)的。但是由于單片機(jī)存在運(yùn)行速度較慢,、數(shù)據(jù)處理能力較弱以及內(nèi)部資源不夠豐富等固有的缺點(diǎn),，使得利用單片機(jī)所得到模擬量輸出控制器的性能越來越達(dá)不到要求。

為從根本上解決此問題,。本文以TI公司DSP芯片TMS320F2801為核心,，結(jié)合DSP豐富的片內(nèi)外設(shè)功能、流水線結(jié)構(gòu)以及高效的特殊指令等優(yōu)點(diǎn),，設(shè)計出模擬量輸出控制器,。


一 基于TMS320F280x的模擬量輸出控制器的系統(tǒng)方案
數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ),，與通用微處理器相比，DSP有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）存儲器結(jié)構(gòu)：DSP采用哈佛結(jié)構(gòu),，程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩個分開的空間中,，因此取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行，進(jìn)一步提高運(yùn)行速度和靈活性,。
（2）流水線結(jié)構(gòu)：將指令的執(zhí)行分解為取指令,、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等幾個階段,。在程序運(yùn)行過程中,，不同指令的不同階段在時間上是重疊的。流水線結(jié)構(gòu)提高了指令執(zhí)行的整體速度,。
（3）硬件乘法累加單元：DSP處理器適用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法,，并使用累計器寄存器來處理多個乘積的累加，同時DSP的指令集都包含有MAC指令,。
（4）零開銷循環(huán)：DSP有專門支持循環(huán)結(jié)構(gòu)的硬件,，使得在循環(huán)計數(shù),、條件轉(zhuǎn)移等循環(huán)機(jī)制處理時無需花費(fèi)任何時間,。
（5）特殊的尋址方式：DSP支持特殊的尋址方式，從而減小遇到此部分尋址方式時的處理時間,。
（6）高效的特殊指令：DSP指令集設(shè)計了特殊的DSP指令用于專門的數(shù)字信號處理操作,。提高指令執(zhí)行的并行度，加快完成此操作的速度,。
（7）豐富的片內(nèi)外設(shè)：根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同,，DSP芯片內(nèi)集成了多種類型的內(nèi)外設(shè)。豐富的內(nèi)外設(shè)提高了處理速度和數(shù)據(jù)吞吐能力,、簡化了接口設(shè)計,，同時降低了系統(tǒng)功耗并節(jié)約了電路板空間。
本次設(shè)計中應(yīng)用的芯片為TMS 320F2801,。芯片內(nèi)部具有16kB的Flash,， 12kB的SARAM。由于采用哈佛結(jié)構(gòu),、指令流水線操作,、硬件乘法/累加器功能以及多種尋址方式使得芯片的操作速度大大增加。芯片提供PLL鎖相環(huán)模塊用來控制DSP內(nèi)核的工作頻率,，使得芯片內(nèi)核的執(zhí)行速度可達(dá)到100Mb/s,。同時，TMS320F2801提供豐富的PWM資源,，包括6路的EPWM波和2路的APMW波,，從而實現(xiàn)8路PWM的模擬量輸出功能。

二 模擬量輸出控制器的硬件設(shè)計與實現(xiàn)
本模擬量輸出控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。
系統(tǒng)主要由DSP TMS320F2801,、PWM轉(zhuǎn)換D/A電路,、自檢信號轉(zhuǎn)換電路、電源電路,、看門狗電路,、CAN接收器等幾部分組成?？紤]到模擬信號對數(shù)字信號的干擾,，需要對模擬信號進(jìn)行隔離，故硬件電路中加入光電耦合電路和高精度線性光耦電路對模擬側(cè)信號和數(shù)字側(cè)信號進(jìn)行隔離,。模擬量輸出控制器的工作原理如下：控制器通過CAN通信接收到外部設(shè)備（包括PC機(jī)和支持通信協(xié)議的各種設(shè)備）下發(fā)的輸出指令信號,，DSP經(jīng)過邏輯分析和運(yùn)算設(shè)定8路PWM輸出，然后通過PWM轉(zhuǎn)換D/A電路得到現(xiàn)場信號所需要的模擬量輸出值,。同時,，控制器會對產(chǎn)生的模擬量輸出值進(jìn)行自檢，通過自檢信號轉(zhuǎn)換電路傳送至DSP的A/D采樣通道,。這樣,，形成閉環(huán)控制，實時有效地控制模擬量輸出信號,。

三 電源供電電路的設(shè)計
TMS320F2801供電為兩部分：內(nèi)核供電1.8V和外核供電3.3V,。芯片對于上電次序有著比較嚴(yán)格的要求，要求內(nèi)核上電的時間必須提前于或者同時于外核上電的時間,。
此次設(shè)計中,，為滿足TMS320F2801的上電要求，電源芯片選用TPS70151帶上電次序的雙電源管理芯片,。TPS70151芯片輸入電壓為+5V,，提供雙電源輸出，分別為3.3V和1.8V,。通過電源管理芯片,，用戶可通過控制芯片上的SEQ端改變兩路電源的上電順序。在本次設(shè)計中,，TPS70151芯片的SEQ端上拉,，使得Vout2（1.8V）先上電，然后Vout1（3.3V）后上電,，從而滿足DSP芯片上電順序的要求,。

四 PWM輸出產(chǎn)生方式及D/A轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計
TMS320F2801芯片提供大量外設(shè)功能供用戶滿足不同的要求。通過對芯片內(nèi)部的增強(qiáng)型脈寬調(diào)制模塊（EPWM）的設(shè)置可得到6路EPWM波形,。同時,，增強(qiáng)型捕獲模塊可以產(chǎn)生2路APWM波形,。這樣，模擬量輸出控制器可產(chǎn)生8路PWM輸出波形,。
本設(shè)計中,，通過光電耦合芯片將數(shù)字側(cè)和模擬側(cè)信號完全隔離。轉(zhuǎn)換后的PWM波形經(jīng)過RC濾波穩(wěn)壓和電流串聯(lián)負(fù)反饋電路維持負(fù)載上的恒定電流,。PWM經(jīng)過二級RC濾波,，穩(wěn)壓成平均電壓Vi。Vi經(jīng)過電壓跟隨電路以及電流串聯(lián)負(fù)反饋電路產(chǎn)生最終的電流輸出,。

五 DSP及總線擴(kuò)展電路的設(shè)計
由于TMS320F2801芯片上包含35根GPIO口線,，其中很大一部分為復(fù)用口線。TMS320F2801的GPIO端口為單方向端口,，即只能配置為數(shù)字量輸入功能和數(shù)字量輸出功能,。這樣就導(dǎo)致了在實際應(yīng)用中，GPIO的數(shù)量不足帶來很大的設(shè)計缺陷,。故此次設(shè)計通過外擴(kuò)74HC139,、74HC245和74HC574來彌補(bǔ)GPIO數(shù)量不足的缺點(diǎn)。

六 自檢電路的設(shè)計
由于模擬量輸出控制器是現(xiàn)場回路的中心部件,，控制器所提供的輸出電流和輸出電壓的大小和穩(wěn)定性直接關(guān)系著現(xiàn)場用電設(shè)備的工作,。故對控制器輸出的信號的正確性和品質(zhì)需要進(jìn)行監(jiān)測，從而形成閉環(huán)控制環(huán)節(jié),。在此次設(shè)計中,，外部信號的自檢通過TMS320F2801芯片內(nèi)部自帶的A/D通道進(jìn)行監(jiān)測。將控制器的輸出信號通過線性光耦進(jìn)行回采,，得到與控制器輸出信號一致的差分電壓。此電壓通過芯片內(nèi)部的A/D通道進(jìn)行采樣,，告知控制器內(nèi)部的DSP處理器當(dāng)前輸出信號的正確性與數(shù)值大小,。當(dāng)輸出信號發(fā)生故障時，采樣值也會發(fā)生變化,，控制器程序進(jìn)行預(yù)設(shè)的故障處理程序,，告知用戶相關(guān)報警信息并做出相應(yīng)的處理。

七 控制器的軟件設(shè)計
1. 整體軟件流程
TMS320F2801的軟件在CCS（C2000）編譯開發(fā)環(huán)境編寫,。CCS（C2000）支持匯編語言和C語言,，便于移植和有很強(qiáng)的易讀性。
基于DSP芯片的模擬量輸出控制器軟件開發(fā)主要包括4個子模塊：初始化模塊,、通信模塊,、PWM輸出控制模塊、自檢模塊,。
程序的軟件流程見圖2,?？刂破魃想娭螅M(jìn)行控制器的初始化工作,。當(dāng)初始化完成后,，控制器進(jìn)入主循環(huán)。CAN通信程序為中斷程序,，當(dāng)外部設(shè)備下發(fā)通信數(shù)據(jù)時,，模擬量輸出控制器檢測到新的CAN數(shù)據(jù)產(chǎn)生，引發(fā)中斷子程序,，并將CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,，中斷結(jié)束。TMS320F2801判斷通信數(shù)據(jù)是否正確以及數(shù)據(jù)是否與當(dāng)前輸出數(shù)據(jù)一致,，根據(jù)判斷的結(jié)果,，通過PWM電路和D/A轉(zhuǎn)換電路得到與指令信息相符的模擬量信號。在輸出模擬量信號之后,，通過自檢電路采集現(xiàn)場輸出端子的信號量值,，判斷輸出信號是否與CAN下發(fā)的指令信息相匹配，提供相關(guān)的診斷信息和報警信息,，并進(jìn)行相應(yīng)操作,。
2. 初始化模塊
控制器的初始化過程主要包括5個部分：初始化變量及寄存器、DSP初始化,、冷熱啟動判斷,、熱啟動初始化、看門狗初始化,。初始化過程完成對控制器內(nèi)部硬件電路,、DSP芯片的相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。
3. CAN通信模塊
TMS320F2801芯片具有豐富的外設(shè)通信接口,，包括CAN,、SPI、I2C,、SCI,。本次設(shè)計中，模擬量輸出控制器通過CAN通信接口與外部設(shè)備相連,。對于模擬量輸出控制器來說,，只要符合CAN通信協(xié)議的設(shè)備，包括各種儀表和安裝CAN驅(qū)動的PC機(jī),，都能控制模擬量輸出控制器輸出信號的大小,，并接收控制器的報警信息。
在CAN通信的設(shè)計中,，應(yīng)注意以下幾個問題：
（1）CAN內(nèi)部寄存器都是32位的,。只有32位的讀寫才能保證安全,，16位或者單個位的讀寫存在破壞寄存器內(nèi)容的潛在可能，所以對寄存器的讀寫應(yīng)通過映射寄存器進(jìn)行設(shè)置,。
（2）在使用CAN模塊前,，必須進(jìn)行初始化操作，設(shè)置波特率,、PWM周期參數(shù),。
（3）關(guān)鍵寄存器是受EALLOW保護(hù)的，這樣為了防止不經(jīng)意的改變,。對于關(guān)鍵寄存器的操作,，需正確使用EALLOW和EDIS。
（4）配置接收郵箱消息標(biāo)識符MSGID時,，必須根據(jù)需要配置標(biāo)志擴(kuò)展符IDE位（標(biāo)準(zhǔn)格式是11位標(biāo)識符,，擴(kuò)展格式是29位標(biāo)識符），并且在標(biāo)準(zhǔn)CAN模式和增強(qiáng)CAN模式下配置是有所區(qū)別的,。如果使用接收屏蔽,，接收屏蔽使能（AME）位必須置位（MSGID.30=1）。
4. PWM輸出控制模塊
PWM輸出控制模塊是模擬量輸出控制器軟件設(shè)計中最重要的部分,?？刂破鹘邮盏紺AN通道下發(fā)的輸出指令信息后，通過PWM輸出控制模塊轉(zhuǎn)換為模擬量輸出信號,。
DSP芯片PWM波形均通過內(nèi)部定時器設(shè)定得到,，且PWM的輸出精度與DSP芯片系統(tǒng)時鐘相關(guān)。系統(tǒng)時鐘,，PWM的周期以及D/A輸出的分辨率的關(guān)系如下：分辨率=Log2（TPWM/TSYSCLK）,。其中TPWM表示PWM周期時間，TSYSCLK表示系統(tǒng)時鐘,。
本次設(shè)計中,，PWM周期TPWM設(shè)定為819.2μs，TSYSCLK設(shè)定為0.02μs（50MHz）,。結(jié)合等式，可以計算出分辨率為15.3位,。由于設(shè)計要求控制器的輸出精度為0.2%,，此情況下得到的PWM分辨率完全能夠滿足設(shè)計上的要求。DSP硬件集成的PWM電路極大地減小產(chǎn)生PWM波形的CPU開銷,。同時,，集成化的設(shè)計大大減少用戶的工作量。

八 結(jié)束語
隨著計算機(jī)硬件技術(shù)越來越成熟,，產(chǎn)品的電路集成性要求越來越高,，軟件的可移植性和易操作性的要求越來越迫切,。DSP芯片豐富的外設(shè)功能、支持多種語言和操作系統(tǒng),，以及軟件算法的高集成度和完善性使得芯片能應(yīng)用到多種行業(yè)的產(chǎn)品中,。本文以TI公司的TMS320F2801為核心控制器件設(shè)計了模擬量輸出控制器。經(jīng)實踐證明,，產(chǎn)品各方面性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計的產(chǎn)品,。由于TMS320F2801芯片的高集成度、低成本以及易開發(fā)性,，大大縮短設(shè)計人員的設(shè)計時間和極大地減小產(chǎn)品的軟硬件成本,，同時也提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和維護(hù)效率?；贒SP芯片的設(shè)計開發(fā)理念在其他具有模擬量輸出功能的產(chǎn)品中同樣可得到廣泛的推廣和應(yīng)用,。