1 引言
近年來,數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片已經(jīng)廣泛用于自動(dòng)控制、圖像處理、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、儀器儀表和家電等領(lǐng)域;DSP為數(shù)字信號(hào)處理提供了高效而可靠的硬件基礎(chǔ)。目前,應(yīng)用最廣泛的DSP芯片是TI(德州儀器)公司的產(chǎn)品,TMS320C2000系列是該公司的適合于數(shù)字控制的一種DSP。這種系列DSP芯片具有完美的性能并集成了閃存、高速A/D轉(zhuǎn)換器、高性能的CAN模塊等,因此使用它可以降低開發(fā)難度,縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間,有效地降低開發(fā)成本,具有很高的性價(jià)比。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000系列中最新的、集成度最高、性能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制DSP芯片。
天然氣作為動(dòng)力能源是傳統(tǒng)燃料的理想替代品。各種天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的專用電子控制系統(tǒng)不斷地涌現(xiàn),使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等各項(xiàng)性能不斷提高。天然氣專用發(fā)動(dòng)機(jī)通過良好的控制可以比同等的汽油機(jī)和柴油機(jī)具有更低的排放,并且動(dòng)力性能有很大的提高,因此選用高性能的DSP芯片設(shè)計(jì)好天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是非常重要的。
2 TMS320LF2407芯片簡(jiǎn)介
DSP芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。該芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu),具有專門的硬件乘法器,廣泛采用流水線操作,提供特殊的指令,可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。
TMS320x24x系列數(shù)字信號(hào)處理器是TI(美國(guó)德州儀器)公司推出地一種面向數(shù)字馬達(dá)控制、嵌入式控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)開發(fā)的新型可編程DSP芯片。TMS320LF240x是x24x系列DSP控制器中的新成員,是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。LF240x的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器為Flash EEPROM,包括LF2402、LF2406和LF2407三個(gè)型號(hào)。LF2407是x240x系列DSP控制器*能最強(qiáng)、片上設(shè)施最完備地一個(gè)型號(hào),被廣泛用于代碼開發(fā)、系統(tǒng)仿真及實(shí)際系統(tǒng)中,其主要特點(diǎn):
?。?) 采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),使得供電電壓降為3.3V,減小了控制器的功耗;30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns(30MHz),從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。
?。?) 兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB,每個(gè)包括:兩個(gè)16位通用定時(shí)器;8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和逆變器等。
?。?) 10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns,可選擇由兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16位通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。
3 TMS320LF2407芯片在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是選用單片機(jī)來控制,一是其運(yùn)行速度不高,達(dá)不到很好的實(shí)時(shí)控制,不能有效的起到在線檢測(cè)控制的效果;二是單片機(jī)的集成度較低,片上不具備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所需的專用外設(shè),這就需要較多的元器件,增加了系統(tǒng)電路的復(fù)雜性,降低了系統(tǒng)的可靠性。然而選用TI(美國(guó)德州儀器)公司的x240x系列DSP芯片,片上集成了專用的運(yùn)動(dòng)控制外設(shè)電路,且其內(nèi)部的DSP核可提供更高的運(yùn)算速度、運(yùn)算精度和處理大量數(shù)據(jù)運(yùn)算的能力。DSP芯片能較好地滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,能夠比較方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。
3.1控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的主要功能是通過兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器和一個(gè)溫度傳感器,一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得信號(hào)來控制各缸的點(diǎn)火時(shí)間,另一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得信號(hào)來計(jì)算轉(zhuǎn)速,溫度傳感器是測(cè)量排放尾氣的溫度,通過測(cè)得的轉(zhuǎn)速和尾氣溫度來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況,再根據(jù)一些控制規(guī)則來調(diào)節(jié)電磁閥來控制天然氣和空氣的進(jìn)氣量,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定,以提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。
控制系統(tǒng)采用TMS320LF2407的DSP芯片,系統(tǒng)的外圍元件很少,電路結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示:
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1)人機(jī)接口部分的設(shè)計(jì):
主要設(shè)計(jì)8位LED顯示和20鍵鍵盤,一是為了轉(zhuǎn)速和排氣溫度的顯示,一是點(diǎn)火角度的輸入和調(diào)整。采用了一種鍵盤和數(shù)碼管的智能控制芯片HD7279A和DSP芯片相連,只需用DSP的4個(gè)I/O口,能夠有效的減少硬件電路,提高系統(tǒng)可靠性。由于TMS320LF2407的I/O口輸出都是3.3V,和HD7279A引腳相連時(shí)可以加鉗位電路。
HD7279A是一片具有串行接口的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片,可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管和連接64鍵的鍵盤矩陣,無需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED,單片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能。電路如圖2所示:
HD7279A應(yīng)連接共陰式數(shù)碼管,應(yīng)用中無需用到的鍵盤和數(shù)碼管可以不連接。若不用鍵盤,則圖2中的連接到鍵盤的8只10K電阻和8只100K下拉電阻均可以省去。若使用了鍵盤,則電路中的8只100K下拉電阻均不得省略。若不用數(shù)碼管,則圖2中串入DP及SA-SG連線的8只0.2K電阻可省去,否則不能省略。實(shí)際應(yīng)用中8只下拉電阻和8只鍵盤連接位選線DIG0-DIG7的8只位選電阻應(yīng)遵從一定的比例關(guān)系,下拉電阻應(yīng)大于位選電阻的5倍而小于其50倍,典型值為10倍。
HD7279A需要外接RC振蕩電路以供系統(tǒng)工作,其典型值分別為R=1.5K,C=15pF,若芯片無法正常工作,要首先檢查此振蕩電路。
圖2 鍵盤和LED顯示
1 引言
近年來,數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片已經(jīng)廣泛用于自動(dòng)控制、圖像處理、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、儀器儀表和家電等領(lǐng)域;DSP為數(shù)字信號(hào)處理提供了高效而可靠的硬件基礎(chǔ)。目前,應(yīng)用最廣泛的DSP芯片是TI(德州儀器)公司的產(chǎn)品,TMS320C2000系列是該公司的適合于數(shù)字控制的一種DSP。這種系列DSP芯片具有完美的性能并集成了閃存、高速A/D轉(zhuǎn)換器、高性能的CAN模塊等,因此使用它可以降低開發(fā)難度,縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間,有效地降低開發(fā)成本,具有很高的性價(jià)比。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000系列中最新的、集成度最高、性能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制DSP芯片。
天然氣作為動(dòng)力能源是傳統(tǒng)燃料的理想替代品。各種天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的專用電子控制系統(tǒng)不斷地涌現(xiàn),使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等各項(xiàng)性能不斷提高。天然氣專用發(fā)動(dòng)機(jī)通過良好的控制可以比同等的汽油機(jī)和柴油機(jī)具有更低的排放,并且動(dòng)力性能有很大的提高,因此選用高性能的DSP芯片設(shè)計(jì)好天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是非常重要的。
2 TMS320LF2407芯片簡(jiǎn)介
DSP芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。該芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu),具有專門的硬件乘法器,廣泛采用流水線操作,提供特殊的指令,可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。
TMS320x24x系列數(shù)字信號(hào)處理器是TI(美國(guó)德州儀器)公司推出地一種面向數(shù)字馬達(dá)控制、嵌入式控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)開發(fā)的新型可編程DSP芯片。TMS320LF240x是x24x系列DSP控制器中的新成員,是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。LF240x的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器為Flash EEPROM,包括LF2402、LF2406和LF2407三個(gè)型號(hào)。LF2407是x240x系列DSP控制器*能最強(qiáng)、片上設(shè)施最完備地一個(gè)型號(hào),被廣泛用于代碼開發(fā)、系統(tǒng)仿真及實(shí)際系統(tǒng)中,其主要特點(diǎn):
?。?) 采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),使得供電電壓降為3.3V,減小了控制器的功耗;30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns(30MHz),從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。
?。?) 兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB,每個(gè)包括:兩個(gè)16位通用定時(shí)器;8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和逆變器等。
?。?) 10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns,可選擇由兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16位通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。
3 TMS320LF2407芯片在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是選用單片機(jī)來控制,一是其運(yùn)行速度不高,達(dá)不到很好的實(shí)時(shí)控制,不能有效的起到在線檢測(cè)控制的效果;二是單片機(jī)的集成度較低,片上不具備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所需的專用外設(shè),這就需要較多的元器件,增加了系統(tǒng)電路的復(fù)雜性,降低了系統(tǒng)的可靠性。然而選用TI(美國(guó)德州儀器)公司的x240x系列DSP芯片,片上集成了專用的運(yùn)動(dòng)控制外設(shè)電路,且其內(nèi)部的DSP核可提供更高的運(yùn)算速度、運(yùn)算精度和處理大量數(shù)據(jù)運(yùn)算的能力。DSP芯片能較好地滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,能夠比較方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。
3.1控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的主要功能是通過兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器和一個(gè)溫度傳感器,一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得信號(hào)來控制各缸的點(diǎn)火時(shí)間,另一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得信號(hào)來計(jì)算轉(zhuǎn)速,溫度傳感器是測(cè)量排放尾氣的溫度,通過測(cè)得的轉(zhuǎn)速和尾氣溫度來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況,再根據(jù)一些控制規(guī)則來調(diào)節(jié)電磁閥來控制天然氣和空氣的進(jìn)氣量,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定,以提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。
控制系統(tǒng)采用TMS320LF2407的DSP芯片,系統(tǒng)的外圍元件很少,電路結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示:
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1)人機(jī)接口部分的設(shè)計(jì):
主要設(shè)計(jì)8位LED顯示和20鍵鍵盤,一是為了轉(zhuǎn)速和排氣溫度的顯示,一是點(diǎn)火角度的輸入和調(diào)整。采用了一種鍵盤和數(shù)碼管的智能控制芯片HD7279A和DSP芯片相連,只需用DSP的4個(gè)I/O口,能夠有效的減少硬件電路,提高系統(tǒng)可靠性。由于TMS320LF2407的I/O口輸出都是3.3V,和HD7279A引腳相連時(shí)可以加鉗位電路。
HD7279A是一片具有串行接口的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片,可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管和連接64鍵的鍵盤矩陣,無需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED,單片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能。電路如圖2所示:
HD7279A應(yīng)連接共陰式數(shù)碼管,應(yīng)用中無需用到的鍵盤和數(shù)碼管可以不連接。若不用鍵盤,則圖2中的連接到鍵盤的8只10K電阻和8只100K下拉電阻均可以省去。若使用了鍵盤,則電路中的8只100K下拉電阻均不得省略。若不用數(shù)碼管,則圖2中串入DP及SA-SG連線的8只0.2K電阻可省去,否則不能省略。實(shí)際應(yīng)用中8只下拉電阻和8只鍵盤連接位選線DIG0-DIG7的8只位選電阻應(yīng)遵從一定的比例關(guān)系,下拉電阻應(yīng)大于位選電阻的5倍而小于其50倍,典型值為10倍。
HD7279A需要外接RC振蕩電路以供系統(tǒng)工作,其典型值分別為R=1.5K,C=15pF,若芯片無法正常工作,要首先檢查此振蕩電路。
圖2 鍵盤和LED顯示
2)信號(hào)采集部分的設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)主要采集天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和排氣溫度。
轉(zhuǎn)速傳感器采集的信號(hào)是脈沖信號(hào)經(jīng)過LF356放大,再經(jīng)過LM339比較器整形后,通過光電隔離送到DSP的I/O口,通過所得的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)來計(jì)算出轉(zhuǎn)速值。
排氣溫度在800度左右,因此溫度信號(hào)使用K型熱電偶采得,由AD590構(gòu)成熱電偶冷端溫度補(bǔ)償,經(jīng)過OP07放大后送到DSP的模擬信號(hào)端口。電路框圖如圖3所示:
圖3 轉(zhuǎn)速、溫度信號(hào)采集框圖
AD590是一種恒流源形式的溫度傳感器,只需在其二端加上一定的工作電壓,則其輸出電流隨溫度變化產(chǎn)生線性變化,溫度每變化1℃,輸出電流變化1μA。采用AD590對(duì)熱電偶進(jìn)行溫度補(bǔ)償,根據(jù)不同的熱電偶的塞貝克系數(shù),選取合適的電阻,使其讀數(shù)變化的電壓變化與熱電偶此時(shí)的冷端電動(dòng)勢(shì)抵消,從而達(dá)到溫度補(bǔ)償。
3.2軟件設(shè)計(jì)
軟件采用匯編語(yǔ)言編寫,使用TI公司的CC2000開發(fā)環(huán)境,主程序主要是實(shí)現(xiàn)顯示功能和數(shù)據(jù)采集功能。主程序流程圖如圖4所示:
圖4 主程序流程圖
在控制程序中,將計(jì)算出的轉(zhuǎn)速和溫度與期望值比較,得出誤差和誤差變化率,再根據(jù)制定好的控制規(guī)則來調(diào)整燃?xì)夂涂諝獾碾姶砰y,從而改變?nèi)細(xì)夂涂諝獾倪M(jìn)氣量,以便輸出恒定的轉(zhuǎn)速。DSP芯片內(nèi)部具有電動(dòng)機(jī)控制專用硬件機(jī)制,能夠直接產(chǎn)生PWM波形,這樣可以直接用來控制燃?xì)夂涂諝獾碾姶砰y。
4 結(jié)語(yǔ)
基于DSP芯片構(gòu)成的控制系統(tǒng)事實(shí)上是一個(gè)單片系統(tǒng),因?yàn)檎麄€(gè)控制所需的各種功能都可由DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。因此,可以減小目標(biāo)系統(tǒng)的體積,減少外部元件的個(gè)數(shù),增加系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于那些性能和精度要求高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、體積小的場(chǎng)合,基于DSP芯片來構(gòu)成控制系統(tǒng)是具有很高性能價(jià)格比的實(shí)現(xiàn)方法。