基于DSP的液晶顯示通用控制器設(shè)計(jì)

引言
電力電子裝置在調(diào)試和研發(fā)的過(guò)程中，需要經(jīng)常性地改動(dòng)相關(guān)的控制參數(shù)，同時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行過(guò)程中的各關(guān)鍵點(diǎn)處的電量波形?，F(xiàn)在的電力電子裝置，其控制板的主控芯片通常采用 DSP（數(shù)字信號(hào)處理器），由于其硬件條件的限制，進(jìn)行控制參數(shù)（如 PID的各控制系數(shù)）的修改時(shí)，往往需要不斷地更改和燒寫程序，很難實(shí)時(shí)地在線進(jìn)行參數(shù)修改，同時(shí)也很難向裝置發(fā)送復(fù)雜的控制指令；另外，現(xiàn)在裝置的調(diào)試過(guò)程中，在需要監(jiān)測(cè)相關(guān)點(diǎn)處的電量波形時(shí)，往往采用多通道隔離示波器進(jìn)行。這一方面大大增加了裝置的研發(fā)成本，同時(shí)由于示波器的通道數(shù)有限，不能隨時(shí)增加和變更所監(jiān)測(cè)的波形點(diǎn)，另外示波器的探頭受到電磁兼容性的制約，長(zhǎng)度有限，調(diào)試時(shí)使用起來(lái)也造成了很多不便。
筆者所在的課題組承擔(dān)了 100%低地板輕軌車的研制任務(wù)，在裝置的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于前述的原因，需要開(kāi)發(fā)一款用于參數(shù)設(shè)定、裝置控制和實(shí)現(xiàn)模擬波形輸出的通用控制器。該控制器利用裝置所支持的通訊協(xié)議向裝置發(fā)送命令以及進(jìn)行參數(shù)的在線修改，同時(shí)實(shí)時(shí)查看裝置的工況，接收裝置發(fā)送的數(shù)字量和數(shù)字化的模擬量等運(yùn)行數(shù)據(jù)。此外，控制器具有多路 DA輸出,在 DA輸出端接上示波器就可以通過(guò)按鍵選擇查看遠(yuǎn)程裝置上模擬量的基本情況，以實(shí)現(xiàn)示波器的遠(yuǎn)距離電量監(jiān)測(cè)?？刂破骺梢造`活更改各 DA通道所對(duì)應(yīng)的電量，大大增加了示波器采樣通道的利用率。在通訊協(xié)議上，控制器支持 RS232、RS485、CAN總線和以太網(wǎng)協(xié)議以最大限度地滿足不同裝置的通訊需求。同時(shí)，控制器對(duì)于相關(guān)裝置所發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)字量參數(shù)，可以使用液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。對(duì)于數(shù)字化的模擬量參數(shù)，控制器一方面可以實(shí)時(shí)計(jì)算出其平均值、有效值等特征量使用液晶單元進(jìn)行顯示，另一方面可通過(guò) 8路 DA轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后輸出到示波器的采樣通道進(jìn)行顯示?？刂破鞯囊壕卧陲@示數(shù)據(jù)時(shí)，可以自動(dòng)根據(jù)該數(shù)據(jù)的大小決定其小數(shù)部分的位數(shù)，以始終保留 4位有效數(shù)字。所有相關(guān)的參數(shù)設(shè)置和接收到的數(shù)據(jù)，控制器均可以儲(chǔ)存到鐵電存儲(chǔ)器中，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，方便下次繼續(xù)使用。
2 控制器的硬件組成及功能
通用控制器系統(tǒng)硬件組成如圖 1所示。

其中，控制器的 CPU單元采用 TMS320C28X系列中的 DSP2812，它具有串行外圍接口（SPI）、兩個(gè)串行通信接口（ SCIs）、改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)（ eCAN）、多通道緩沖串行接口（McBSP）。DSP2812主頻高，能夠滿足通用控制器的通訊速率，同時(shí)可以很好地支持通用控制器所需要的 RS232、RS485、CAN總線、以太網(wǎng)、 DA轉(zhuǎn)換等外圍設(shè)備，降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度。
系統(tǒng)中的液晶顯示單元采用 LCM128645ZK型中文液晶顯示模塊。該模塊電源操作范圍寬（2.7V to 5.5V），其低功耗設(shè)計(jì)可滿足產(chǎn)品的省電要求；同時(shí)，模塊與微控器的接口界面靈活（三種模式：并行 8 位/4位，串行 3 線/2線），可實(shí)現(xiàn)漢字、 ASCII 碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示, 支持所有的主流液晶操作指令，預(yù)留多種控制線（復(fù)位/串并選擇/亮度調(diào)整）供用戶靈活使用。DSP2812使用通用 I/O口與 LCM128645ZK進(jìn)行通訊，發(fā)送相關(guān)的控制指令和數(shù)據(jù)控制其執(zhí)行相應(yīng)的操作。
控制器所包括的功能鍵，包括頁(yè)面和菜單項(xiàng)的向上/向下移動(dòng)、參數(shù)數(shù)據(jù)的增加/減少、當(dāng)前參數(shù)的修改 /確認(rèn)、系統(tǒng)各項(xiàng)功能的選擇等。按鍵采取行列掃描方式進(jìn)行排列。在掃描按鍵時(shí)，先進(jìn)行行掃描，再進(jìn)行列掃描。通過(guò)行列掃描的結(jié)構(gòu)共同判定當(dāng)前是哪個(gè)按鍵被按下。同時(shí)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了按鍵消抖，提高了操作的準(zhǔn)確性和可靠性。按鍵與 DSP2812的 I/O接口相連，最大可擴(kuò)展為 16個(gè)（4*4）按鍵陣列，以滿足各項(xiàng)操作的要求。
D/A轉(zhuǎn)換選擇了 12位 8路的 DA芯片 AD5328，其 DAC更新速率為 167ksps，DAC設(shè)置時(shí)間為 6μs，DAC形式為電壓型。DA轉(zhuǎn)換器通過(guò) DSP2812的 SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并用 DSP的 2個(gè) I/O接口與之相連作為控制信號(hào)。
RS232通訊模塊使用 MAX232作為總線的接口芯片，與 DSP的 SCI接口相連。 RS232主要用于控制器與 PC機(jī)之間的通訊及實(shí)現(xiàn) DSP程序的遠(yuǎn)程燒寫。
RS485通訊模塊使用 MAX485作為總線的接口芯片，與 DSP的 SCI接口相連。模塊內(nèi)部采用了 HCPL2610高速隔離光耦用作電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)隔離，模塊的輸出側(cè)裝設(shè)了的防過(guò)壓涌流和抗干擾電路，以提高通訊的可靠性。
CAN通訊模塊選用了 DSP2812的增強(qiáng)型區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制器（ eCAN），與現(xiàn)行的 CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)兼容。它可強(qiáng)電子噪聲的環(huán)境中與其他控制器可靠地進(jìn)行通訊。借助 32個(gè)完全可配置的郵箱和時(shí)間標(biāo)志特性，eCAN模塊提供了一種具有通用性和魯棒性的串行通信接口。
以太網(wǎng)通訊模塊選用 LAN91C111作為控制芯片，使用數(shù)據(jù)線、地址線以及 I/O口與DSP2812相連接。 LAN91C111的主要功能如下：自適應(yīng)的傳輸速率，支持 100M／10Mbps；支持突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸；8kb的內(nèi)部存儲(chǔ)器件用于接收和發(fā)送的緩存；支持 8位，16位，32位的數(shù)據(jù)傳輸方式；提前發(fā)送和接收功能。
除此之外，我們還選用鐵電存儲(chǔ)器 FRAM，通過(guò) I/O接口擴(kuò)展了 DSP 2812的 RAM。 TMS320F2812內(nèi)部已經(jīng)集成了 18KB的 RAM，對(duì)于一般的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，已經(jīng)無(wú)須再擴(kuò)展外部 RAM。片內(nèi) RAM能以 150MIPS的速度進(jìn)行訪問(wèn)，在對(duì)運(yùn)算速度要求很高的處理程序中，通常將經(jīng)常訪問(wèn)的程序段放到內(nèi)部 RAM中運(yùn)行，這樣能大大提高運(yùn)行速度。而本系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，將來(lái)會(huì)用于進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，因而應(yīng)外擴(kuò) RAM作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。RAM選用 Ramtron公司的FRAM，F(xiàn)RAM具有 RAM和 ROM優(yōu)點(diǎn)，讀寫速度快，并可以像非易失性存儲(chǔ)器一樣使用。
通用控制器的實(shí)物圖如圖 2所示。