采用電力電子應(yīng)用平臺(tái)DSP通用板的設(shè)計(jì)原理

摘要：隨著電力電子市場需求與日俱增,為了縮短電力電子硬件設(shè)計(jì)的開發(fā)時(shí)間，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了DSP56F803通用板作為各種電力電子應(yīng)用的硬件開發(fā)平臺(tái)。為了增強(qiáng)它的應(yīng)用靈活性，該通用板在擴(kuò)展出DSP主要功能模塊的同時(shí)，通過采用復(fù)雜可編程邏輯器件XC95XL144實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)邏輯以及輸入輸出口的擴(kuò)展功能.DSP和CPLD綜合利用作為通用板的核心是本文設(shè)計(jì)的主要特色。

引言

為了與電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展同步, 同時(shí)提高電力電子硬件開發(fā)的模塊化，縮短硬件開發(fā)的時(shí)間，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了DSP56F803通用板作為各種電力電子應(yīng)用的硬件開發(fā)平臺(tái)。此外，復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD具有可編程性強(qiáng)和應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，可以極大的降低系統(tǒng)開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。為了提高該通用板的應(yīng)用靈活性，本文采用Xilinx公司的高性能低電壓的復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD XC95XL144 實(shí)現(xiàn)了各種保護(hù)邏輯以及四組輸入輸出口的擴(kuò)展,DSP56F803和XC95XL144的綜合應(yīng)用作為通用板的核心部分是本文設(shè)計(jì)的主要特色。

電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，電力電子控制裝置也廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。例如：不停電電源、開關(guān)電源、機(jī)車輔助電源、蓄電池充電放電、電子模擬負(fù)載、電力機(jī)車、電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車等。此外，在有些國家，例如丹麥、德國、美國等，電力電子控制并網(wǎng)逆變器已經(jīng)逐步應(yīng)用于太陽能發(fā)電以及風(fēng)能發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)的連接。

1 設(shè)計(jì)思想

本文設(shè)計(jì)通用板遵循的主要原則是在滿足功能盡量全面的同時(shí)提高抗干擾能力和應(yīng)用靈活性，這樣可以大大的降低電力電子應(yīng)用的硬件開發(fā)成本，縮短開發(fā)時(shí)間，提高應(yīng)用穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)的通用板綜合使用DSP和CPLD作為核心部分，開發(fā)了豐富靈活的外圍電路。本文首先基于Xilinx Foudation 3.li軟件用硬件描述語言VHDL編程進(jìn)行仿真綜合，最后，本文采用了Xlinx公司的XC95XL144高性能的可編程邏輯器件CPLD 實(shí)現(xiàn)了各種保護(hù)邏輯以及四組輸入輸出口的擴(kuò)展。

設(shè)計(jì)DSP通用板時(shí)首先考慮是應(yīng)該擴(kuò)展的功能模塊。1、脈寬調(diào)制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電力電子控制場合，因此首先擴(kuò)展了脈寬調(diào)制模塊PWM的輸出。DSP56800系列的PWM的頻率和占空比可以連續(xù)變化，這樣可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變頻調(diào)速。2、電力電子控制必然要采樣各種電壓、電流信號(hào)，因此，本文擴(kuò)展了DSP的8路12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC。3、目前大部分的電力電子控制需要進(jìn)行DSP與DSP或DSP與PC機(jī)的通信，因此本文擴(kuò)展了異步串行通信模塊SCI，為了提高抗干擾能力，增長傳輸距離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，本文采用RS-485差分通信。4、越來越多的電力電子裝置是并網(wǎng)運(yùn)行的，因此需要檢測電網(wǎng)的過零點(diǎn)和周期，本文擴(kuò)展了定時(shí)器模塊TIMER，它的接口可用于各種信號(hào)的過零點(diǎn)和周期檢測。5、電力電子應(yīng)用一般只需要記錄少量的故障數(shù)據(jù)，因此本文僅擴(kuò)展了64K鐵電非易失性存儲(chǔ)器FM24CL64，它讀寫只需要兩根線，而且讀寫沒有延時(shí)。6、一般的系統(tǒng)都會(huì)有時(shí)鐘，記錄故障時(shí)同時(shí)記錄故障發(fā)生的時(shí)刻，以備分析故障數(shù)據(jù)。本文擴(kuò)展了實(shí)時(shí)時(shí)鐘X1226，它和FM24CL64共用時(shí)鐘線和讀寫信號(hào)線，只是兩個(gè)器件的物理地址不同。7、最后，本文還擴(kuò)展了電源監(jiān)測和硬件看門狗芯片MAX706RESA。MAX706.pdf MAX707.pdf MAX708.pdf

DSP56F803和XC95XL144的接口主要包括電力電子主電路檢測到的過壓、過流保護(hù)信號(hào)通過CPLD的邏輯操作后觸發(fā)DSP外中斷或PWM出錯(cuò)保護(hù)引腳PWMFAULT來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能；利用低位地址線和低位數(shù)據(jù)線來擴(kuò)展輸入輸出口。

DSP56F803外設(shè)模塊的子程序的編寫采用Embedded SDK，因?yàn)樗峁└鞣N外設(shè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序和接口，即使不需要熟悉DSP的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)也可以方便的使用。對(duì)于DSP56F803對(duì)XC95XL144的讀寫操作，本文根據(jù)DSP56800系列匯編指令集，開發(fā)自己的SDK軟件包。

2 硬件設(shè)計(jì)

印制電路板（PCB）的抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的聯(lián)系，在設(shè)計(jì)通用板的硬件時(shí)，本文充分考慮了抗干擾設(shè)計(jì)的要求。為了提高通用板的穩(wěn)定性以及抗干擾能力，本文設(shè)計(jì)了高速四層板，中間兩層分別鋪電源和地，上下兩個(gè)表面走信號(hào)線。為了提高電源和地的抗干擾能力，數(shù)字電源和模擬電源之間以及數(shù)字地和模擬地之間使用磁珠相連，模擬地和模擬電源以及數(shù)字地和數(shù)字電源之間連接電容。為了消除公共阻抗耦合，每個(gè)芯片的關(guān)鍵部位都配置了容量適當(dāng)?shù)娜ヅ弘娙荨?/P>

圖一：DSP通用版硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1核心芯片介紹

本文采用的DSP是DSP56800系列數(shù)字信號(hào)處理器中的DSP56F803。DSP56800系列采用哈佛結(jié)構(gòu)，將程序空間和地址空間分開編址，這樣在處理數(shù)據(jù)空間運(yùn)算與數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)可以并行的從程序空間讀取下一條指令，提高處理速度。DSP56800系列數(shù)字信號(hào)處理器具有豐富的I/O口和多種外圍設(shè)備。DSP芯片上集成了通用輸入輸出模塊GPIO、異步串行通信模塊SCI、脈寬調(diào)制模塊PWM、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC、同步串行通信模塊SSI、控制局域網(wǎng)模塊CAN2.0A/B、定時(shí)器模塊TIMER等多種外設(shè)模塊，實(shí)現(xiàn)完全的單片化。

XC95XL144是Xilinx公司推出的一款高性能低電壓的可編程邏輯器件，它共有100 個(gè)引腳，內(nèi)部集成了3200個(gè)典型可用門，有144個(gè)邏輯單元，74個(gè)可用I/O口，可單獨(dú)配置為輸入、輸出及雙向工作方式，3個(gè)全局時(shí)鐘及3個(gè)全局使能端和1個(gè)全局清除端，它支持3.3V和2.5V電壓工作，其傳輸延時(shí)僅為5 ns。同時(shí)，XC95XL144支持在線編程，程序通過JTAG接口下載，使用簡單方便。