基于 DSP 的電子負(fù)載----硬件和軟件功能的分配和協(xié)調(diào)

2.5硬件和軟件功能的分配和協(xié)調(diào)

2.5.1硬件功能的分配

（1）控制模塊：該模塊由TMSF2812來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)接收用戶的指令，生成所需的電壓電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)板上的開(kāi)關(guān)元件，并根據(jù)信號(hào)板反饋回來(lái)的電壓電流信號(hào)，實(shí)時(shí)的調(diào)整輸出信號(hào)；

（2）信號(hào)板模塊：該模塊由傳統(tǒng)的電子負(fù)載的驅(qū)動(dòng)放大電路組成，根據(jù)DSP輸出的控制信號(hào)，調(diào)整放大控制電壓信號(hào)，輸出到電源板，實(shí)時(shí)的改變MOSFET基極電壓的大小。

（3）電源板模塊：該模塊是MOSFET組成的可調(diào)功率級(jí)電路，根據(jù)信號(hào)板輸出到MOS管的負(fù)載電壓的大小，精確的調(diào)整相應(yīng)的負(fù)載電流；

下圖為數(shù)字電子負(fù)載的簡(jiǎn)單框圖：

直流電子負(fù)載系統(tǒng)由軟、硬件共同組成。需要綜合考慮測(cè)試設(shè)備工作速度、開(kāi)發(fā)成本和可靠性等因素，合理地分配硬件和軟件資源，使開(kāi)發(fā)出的系統(tǒng)軟硬件上具有升級(jí)的可能。

2.5.2控制軟件設(shè)計(jì)

電子負(fù)載系統(tǒng)的控制程序，包括以下部分：

（1）通信程序，包括工作模式、高低檔位按鍵選擇輸入程序，實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)反饋回電腦串行通訊程序，128*64點(diǎn)陣液晶顯示輸出程序等。

（2）數(shù)據(jù)采集和處理程序，主要是AD轉(zhuǎn)換程序，電壓電流采集程序。

（3）各種算法程序，這是電子負(fù)載系統(tǒng)的核心部分，調(diào)用不同的PID控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電壓輸出值的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和高精度的要求。

上述設(shè)計(jì)步驟如圖2.15所示。

第3章電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1控制電路設(shè)計(jì)

3.1.1核心處理器

電子負(fù)載系統(tǒng)的核心控制器選用了德州TI公司DSP控制器2000系列里的TMS320LF2812.TMS320LF2812是179引腳的球形網(wǎng)格封裝和176腳低剖面西線芯扁平封裝，所有引腳電平與TTL電平兼容，引腳的輸出均為3.3V的CMOS電平，最大輸入承受電壓為5V。

TMS320LF2812的CPU是低功耗的32位定點(diǎn)處理器，基于改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)并且具有精簡(jiǎn)指令集，片上自帶閃存、處理速度高達(dá)150MIPS.其主要外設(shè)特點(diǎn)為：

（1）16個(gè)輸入通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可配置成兩個(gè)獨(dú)立的8通道，能以12.5MSPS的速率進(jìn)行雙信道轉(zhuǎn)換，雙采樣保持功能為模擬控制回路的完成提供了關(guān)鍵支持。

（2）高效的代碼C/C++和匯編語(yǔ)言，獨(dú)特的“IQmath”程序庫(kù)，專用程序包實(shí)現(xiàn)精確的浮點(diǎn)運(yùn)算，與TMS320C24XTM系列代碼兼容。

（3）串行外設(shè)接口SPI，兩個(gè)串行通訊接口SCI，為主機(jī)、測(cè)試設(shè)備和其它部件提供了方便的通訊接口，增強(qiáng)型CAN總線為多種工業(yè)、汽車(chē)應(yīng)用提供了控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫接口。

（4）可達(dá)56個(gè)獨(dú)立的可編程的多路通用輸入、輸出（GPIO）引腳。

（5） TMS320LF2812提供了一個(gè)外部存儲(chǔ)器接口（XINTF），其尋址地址可達(dá)到1兆字節(jié)。

（6）兩個(gè)事件管理器包括靈活的脈寬調(diào)制生成器，每個(gè)事件管理器模塊包括定時(shí)器、比較器、捕捉單元、PWM邏輯電路、正交編碼電路和中斷邏輯電路。

表3.1所示為電子負(fù)載系統(tǒng)中TMS320LF2812的I/O口的分配連接情況。

3.1.2液晶顯示模塊

顯示模塊作為一種直觀的輸出設(shè)備，是設(shè)計(jì)中必不可少的模塊，在電子負(fù)載系統(tǒng)中，其功能主要是顯示所處的測(cè)試模式，當(dāng)前檔位，設(shè)定的測(cè)試值。液晶模塊可以通過(guò)總線控制，也可以通過(guò)GPIO口控制。F2812中有眾多的GPIO口，所以在模塊設(shè)計(jì)時(shí)需要通過(guò)GPIO口來(lái)控制液晶模塊。設(shè)計(jì)中采用的液晶是是長(zhǎng)沙太陽(yáng)人公司生產(chǎn)的128x64點(diǎn)陣SMG12864ZK LCD模塊，內(nèi)部含有8000多個(gè)GB2312簡(jiǎn)體中文字庫(kù)，采用8位數(shù)據(jù)并行或者串行連接方式。

SMG12864ZK共有20個(gè)引腳，其中包括數(shù)據(jù)線8根，指令數(shù)據(jù)選擇引腳（RS）、讀寫(xiě)選擇引腳（RW）、使能引腳（e），其余為電源線和地線等。需要注意的是SMG12864ZK為5V供電，但DSP的I/O引腳的輸出電壓為3.3V，所以在輸出到液晶之前需要經(jīng)過(guò)3.3V到5V的電壓轉(zhuǎn)換芯片，采用74LVX3245電壓轉(zhuǎn)換芯片。其引腳說(shuō)明如表3.2所示：

DSP與液晶模塊的具體電氣連接是GPIOB0引腳控制液晶模塊的指令數(shù)據(jù)選擇引腳（RS），GPIOB11引腳控制液晶模塊的讀寫(xiě)選擇引腳（RW），GPIOB12控制液晶模塊的使能引腳（e），GPIOB3—GPIOB10引腳分別控制液晶顯示模塊的8位數(shù)據(jù)線DB0—DB7.

3.1.3鍵盤(pán)模塊

在電子負(fù)載控制系統(tǒng)中，鍵盤(pán)掃描是CPU工作任務(wù)之一，鍵盤(pán)的工作時(shí)既要保證及時(shí)響應(yīng)按鍵的操作，又不過(guò)多占用CPU的工作時(shí)間。在電子負(fù)載系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，并不需要按鍵輸入，為了了提高CPU工作效率，加快操作速度，采用中斷掃描電路，在鍵盤(pán)有按鍵按下時(shí)，才執(zhí)行鍵盤(pán)掃描，執(zhí)行該鍵的功能程序，把每個(gè)按鍵和DSP的IO口相連，每個(gè)獨(dú)立式的按鍵占有一個(gè)IO口，每個(gè)IO口線上按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)影響其他IO口。這種連接方式相當(dāng)于把按鍵當(dāng)作RAM的某一工作單元，通過(guò)讀片外RAM的方法，識(shí)別按鍵的工作狀態(tài)。

電子負(fù)載系統(tǒng)中按鍵實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1）啟動(dòng)/停止：按下按鍵1時(shí)，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，載入初始數(shù)據(jù)并進(jìn)行按鍵查詢，執(zhí)行負(fù)載電流調(diào)節(jié)、A/D采集、顯示和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋。再次按下按鍵后，測(cè)試數(shù)據(jù)保存后停機(jī)。

（2）工作方式切換：按鍵1對(duì)應(yīng)恒流工作方式，按鍵2對(duì)應(yīng)恒壓工作方式，按鍵3對(duì)應(yīng)恒阻工作方式。

設(shè)計(jì)中共需4個(gè)按鍵，按鍵較少，因此采用了獨(dú)立式鍵盤(pán)接口方式和中斷掃描方式來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵的功能。

電流和電壓值的調(diào)節(jié)由旋鈕式電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)，3.3V電壓由DSP擴(kuò)展IO口提供。

3.1.4通信電路

電子負(fù)載和上位機(jī)傳遞信息采用RS232雙工通訊方式，采用MAXIM公司的MAX3232接口芯片設(shè)計(jì)中采用9腳的COM1接口，用標(biāo)準(zhǔn)的串口連線連接PC機(jī)的COM1口和DSP板上COM1口。DSP內(nèi)置SCI通信模塊，是采用雙線制通訊的異步傳行接口，設(shè)計(jì)中用于電子負(fù)載狀態(tài)查詢和上傳運(yùn)行信息。DSP與232的接口設(shè)計(jì)：DSP的串口引腳GPIOF4和GPIOF5分別連接MAX3232的TIIN和R1OUT引腳，進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交換，如下圖3.1所示。

SCI模塊的接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每一個(gè)都有自己?jiǎn)为?dú)的使能和中斷標(biāo)志位。SCI使用奇偶校驗(yàn)、幀出錯(cuò)監(jiān)測(cè)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。在2812的150MHZ時(shí)鐘下，外設(shè)低速時(shí)鐘75MHZ，SCI異步的波特率為：

LSPCLK/（SCIBRR+1）=75MHZ/（12+1）=57600b/s.

3.1.5 SPI接口的DA模塊

由于DSP不能輸出模擬信號(hào)，電子負(fù)載功率板上的控制信號(hào)又是連續(xù)變化電壓信號(hào)，只能在擴(kuò)展板加上DA轉(zhuǎn)換器，把DSP輸出控制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，解決控制電壓信號(hào)的問(wèn)題。SPI是一個(gè)高速的同步串行輸入、輸出串行外設(shè)接口，可以實(shí)現(xiàn)DSP處理器和外部外設(shè)之間的通信。在電子負(fù)載電路設(shè)計(jì)中選用的是Ti公司的TLV5617A模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是三線串行雙通道10位電壓輸出的DAC，能與TMS320LF2812的串行接口完全兼容。它含有4個(gè)控制位和10個(gè)數(shù)據(jù)位可對(duì)16位的字符串進(jìn)行編程。DAC的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.2所示。

DIN為輸入數(shù)據(jù)，CS為片選信號(hào)，REF模擬參考電壓為3.3V，由DSP提供。SCLK為SPI輸入時(shí)鐘，SPI通信的波特率

=LSPCLK/（SPIBRR+1）=75MHZ/（124+1）=600KHZ.

在設(shè)計(jì)的電子負(fù)載中，控制的MOSFET管門(mén)極的是DAC的OUA的輸出電壓信號(hào)。

上表3.3是DAC的寄存器設(shè)置表，其中2～11位時(shí)DAC接受的SPI的10位數(shù)據(jù)，14位設(shè)置為1選擇DAC的2.5微妙快速方式，12和15設(shè)置位（1，0）為寫(xiě)數(shù)據(jù)到DACA和緩沖。由于TLV5617A的控制信號(hào)要求較高，需要將DSP輸出的時(shí)鐘和片選信號(hào)用74HC08與門(mén)電路抬高為高電平。

3.1.6數(shù)據(jù)保存EEPROM模塊

電子負(fù)載系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，經(jīng)常需要現(xiàn)場(chǎng)改變參數(shù)或設(shè)置，并在調(diào)試完畢后將參數(shù)保存，這就用到電可擦寫(xiě)的EEPROM.數(shù)據(jù)保存單元采用串行接口4KB的EEPROM X5043，由于DSP采用串行外設(shè)接口SPI與DA連接，用DSP通用外設(shè)接口（GPIOF8～GPIOF11）與X5043連接，通過(guò)對(duì)四個(gè)引腳的軟件配置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)X5043的數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。X5043選用3.3V封裝，它將監(jiān)控功能（上電復(fù)位，看門(mén)狗時(shí)鐘，電源電壓監(jiān)視）集成在一個(gè)芯片上，可以讀寫(xiě)100萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保存100年。DSP與X5043硬件接口電路如下圖3.2所示。

X5043的WP引腳接高電平，處于可寫(xiě)入狀態(tài)，DSP通過(guò)IOF8在串行時(shí)鐘，在下降沿時(shí)向X5043輸出數(shù)據(jù)，并在串行時(shí)鐘的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，通過(guò)IOF9向EEPROM輸入時(shí)鐘信號(hào)，IOF11為片選信號(hào)，輸出為高電平，向低電平跳變時(shí)選通X5043.