基于 DSP 的电子负载----硬件和软件功能的分配和协调

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2.5硬件和软件功能的分配和协调
          2.5.1硬件功能的分配
          （1）控制模块：该模块由TMSF2812来实现，通过计算机接收用户的指令，生成所需的电压电流信号，驱动信号板上的开关元件，并根据信号板反馈回来的电压电流信号，实时的调整输出信号；
          （2）信号板模块：该模块由传统的电子负载的驱动放大电路组成，根据DSP输出的控制信号，调整放大控制电压信号，输出到电源板，实时的改变MOSFET基极电压的大小。
       
        （3）电源板模块：该模块是MOSFET组成的可调功率级电路，根据信号板输出到MOS管的负载电压的大小，精确的调整相应的负载电流；
          下图为数字电子负载的简单框图：
         
       
        直流电子负载系统由软、硬件共同组成。需要综合考虑测试设备工作速度、开发成本和可靠性等因素，合理地分配硬件和软件资源，使开发出的系统软硬件上具有升级的可能。
       
        2.5.2控制软件设计
          电子负载系统的控制程序，包括以下部分：
          （1）通信程序，包括工作模式、高低档位按键选择输入程序，实时处理数据反馈回电脑串行通讯程序，128*64点阵液晶显示输出程序等。
       
        （2）数据采集和处理程序，主要是AD转换程序，电压电流采集程序。
       
        （3）各种算法程序，这是电子负载系统的核心部分，调用不同的PID控制算法来实现控制电压输出值的实时调节和高精度的要求。
       
        上述设计步骤如图2.15所示。
         
          第3章电子负载硬件系统设计
          3.1控制电路设计
          3.1.1核心处理器
          电子负载系统的核心控制器选用了德州TI公司DSP控制器2000系列里的TMS320LF2812.TMS320LF2812是179引脚的球形网格封装和176脚低剖面西线芯扁平封装，所有引脚电平与TTL电平兼容，引脚的输出均为3.3V的CMOS电平，最大输入承受电压为5V。
       
        TMS320LF2812的CPU是低功耗的32位定点处理器，基于改进哈佛结构并且具有精简指令集，片上自带闪存、处理速度高达150MIPS.其主要外设特点为：
          （1）16个输入通道的12位模数转换器，可配置成两个独立的8通道，能以12.5MSPS的速率进行双信道转换，双采样保持功能为模拟控制回路的完成提供了关键支持。
       
        （2）高效的代码C/C++和汇编语言，独特的“IQmath”程序库，专用程序包实现精确的浮点运算，与TMS320C24XTM系列代码兼容。
       
        （3）串行外设接口SPI，两个串行通讯接口SCI，为主机、测试设备和其它部件提供了方便的通讯接口，增强型CAN总线为多种工业、汽车应用提供了控制区域网络的无缝接口。
       
        （4）可达56个独立的可编程的多路通用输入、输出（GPIO）引脚。
       
        （5） TMS320LF2812提供了一个外部存储器接口（XINTF），其寻址地址可达到1兆字节。
       
        （6）两个事件管理器包括灵活的脉宽调制生成器，每个事件管理器模块包括定时器、比较器、捕捉单元、PWM逻辑电路、正交编码电路和中断逻辑电路。
       
        表3.1所示为电子负载系统中TMS320LF2812的I/O口的分配连接情况。
         
       
        3.1.2液晶显示模块
          显示模块作为一种直观的输出设备，是设计中必不可少的模块，在电子负载系统中，其功能主要是显示所处的测试模式，当前档位，设定的测试值。液晶模块可以通过总线控制，也可以通过GPIO口控制。F2812中有众多的GPIO口，所以在模块设计时需要通过GPIO口来控制液晶模块。设计中采用的液晶是是长沙太阳人公司生产的128x64点阵SMG12864ZK LCD模块，内部含有8000多个GB2312简体中文字库，采用8位数据并行或者串行连接方式。
       
        SMG12864ZK共有20个引脚，其中包括数据线8根，指令数据选择引脚（RS）、读写选择引脚（RW）、使能引脚（e），其余为电源线和地线等。需要注意的是SMG12864ZK为5V供电，但DSP的I/O引脚的输出电压为3.3V，所以在输出到液晶之前需要经过3.3V到5V的电压转换芯片，采用74LVX3245电压转换芯片。其引脚说明如表3.2所示：
       
        DSP与液晶模块的具体电气连接是GPIOB0引脚控制液晶模块的指令数据选择引脚（RS），GPIOB11引脚控制液晶模块的读写选择引脚（RW），GPIOB12控制液晶模块的使能引脚（e），GPIOB3—GPIOB10引脚分别控制液晶显示模块的8位数据线DB0—DB7.
          3.1.3键盘模块
          在电子负载控制系统中，键盘扫描是CPU工作任务之一，键盘的工作时既要保证及时响应按键的操作，又不过多占用CPU的工作时间。在电子负载系统运行时，并不需要按键输入，为了了提高CPU工作效率，加快操作速度，采用中断扫描电路，在键盘有按键按下时，才执行键盘扫描，执行该键的功能程序，把每个按键和DSP的IO口相连，每个独立式的按键占有一个IO口，每个IO口线上按键的工作状态不会影响其他IO口。这种连接方式相当于把按键当作RAM的某一工作单元，通过读片外RAM的方法，识别按键的工作状态。
       
        电子负载系统中按键实现的功能有：
          （1）启动/停止：按下按键1时，进入运行状态，载入初始数据并进行按键查询，执行负载电流调节、A/D采集、显示和实时数据反馈。再次按下按键后，测试数据保存后停机。
       
        （2）工作方式切换：按键1对应恒流工作方式，按键2对应恒压工作方式，按键3对应恒阻工作方式。
       
        设计中共需4个按键，按键较少，因此采用了独立式键盘接口方式和中断扫描方式来实现按键的功能。
       
        电流和电压值的调节由旋钮式电位器来实现，3.3V电压由DSP扩展IO口提供。
       
        3.1.4通信电路
          电子负载和上位机传递信息采用RS232双工通讯方式，采用MAXIM公司的MAX3232接口芯片设计中采用9脚的COM1接口，用标准的串口连线连接PC机的COM1口和DSP板上COM1口。DSP内置SCI通信模块，是采用双线制通讯的异步传行接口，设计中用于电子负载状态查询和上传运行信息。DSP与232的接口设计：DSP的串口引脚GPIOF4和GPIOF5分别连接MAX3232的TIIN和R1OUT引脚，进行串行数据交换，如下图3.1所示。
         
          SCI模块的接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有自己单独的使能和中断标志位。SCI使用奇偶校验、帧出错监测确保数据的准确传输。在2812的150MHZ时钟下，外设低速时钟75MHZ，SCI异步的波特率为：
          LSPCLK/（SCIBRR+1）=75MHZ/（12+1）=57600b/s.
          3.1.5 SPI接口的DA模块
          由于DSP不能输出模拟信号，电子负载功率板上的控制信号又是连续变化电压信号，只能在扩展板加上DA转换器，把DSP输出控制数字量转换成模拟信号，解决控制电压信号的问题。SPI是一个高速的同步串行输入、输出串行外设接口，可以实现DSP处理器和外部外设之间的通信。在电子负载电路设计中选用的是Ti公司的TLV5617A模数转换器，它是三线串行双通道10位电压输出的DAC，能与TMS320LF2812的串行接口完全兼容。它含有4个控制位和10个数据位可对16位的字符串进行编程。DAC的结构框图如图3.2所示。
       
        DIN为输入数据，CS为片选信号，REF模拟参考电压为3.3V，由DSP提供。SCLK为SPI输入时钟，SPI通信的波特率
          =LSPCLK/（SPIBRR+1）=75MHZ/（124+1）=600KHZ.
          在设计的电子负载中，控制的MOSFET管门极的是DAC的OUA的输出电压信号。
         
       
        上表3.3是DAC的寄存器设置表，其中2～11位时DAC接受的SPI的10位数据，14位设置为1选择DAC的2.5微妙快速方式，12和15设置位（1，0）为写数据到DACA和缓冲。由于TLV5617A的控制信号要求较高，需要将DSP输出的时钟和片选信号用74HC08与门电路抬高为高电平。
          3.1.6数据保存EEPROM模块
          电子负载系统测试时，经常需要现场改变参数或设置，并在调试完毕后将参数保存，这就用到电可擦写的EEPROM.数据保存单元采用串行接口4KB的EEPROM X5043，由于DSP采用串行外设接口SPI与DA连接，用DSP通用外设接口（GPIOF8～GPIOF11）与X5043连接，通过对四个引脚的软件配置来实现对X5043的数据的读写。X5043选用3.3V封装，它将监控功能（上电复位，看门狗时钟，电源电压监视）集成在一个芯片上，可以读写100万次，数据保存100年。DSP与X5043硬件接口电路如下图3.2所示。
       
        X5043的WP引脚接高电平，处于可写入状态，DSP通过IOF8在串行时钟，在下降沿时向X5043输出数据，并在串行时钟的上升沿锁存数据，通过IOF9向EEPROM输入时钟信号，IOF11为片选信号，输出为高电平，向低电平跳变时选通X5043.