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[待整理] 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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发表于 2015-4-28 00:05:03 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
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.
         
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