（通信与信息系统专业论文）基于tms320lf2407的钢材自动纠偏系统设计与实现.pdf

摘要 钢材应用于城市建设的方方面面，是我国乃至整个世界的紧俏资 源，为了防止不必的浪费，生产过程中厂商竭力注意每一个环节，其 中切割工艺是各厂商尤为重视的环节之一。因为切割过程中由于机械 振动或是其他原因钢材往往会偏离传输轨道，导致切割中造成残次品， 给企业及国家带来巨大的经济损失。为了避免由于钢材偏离传输轨道 所导致的浪费，则要在钢材切割系统中安装自动纠偏系统。现今的钢 材自动纠偏系统多是在八十年代引进的，这些系统多数己老化，而且 这些系统在微处理控制方面采用单片机为核心，该类芯片内容量小， 运行速度慢，扩展功能少，很难适应系统的实时控制；而其信号采集 方面，采用光敏二极管作为信号采集核心，由于其自身材料性能的原 因，使其检测灵敏度低。 本文研制了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的钢材自动纠偏系统的设计与实 现，并进行了算法研究，以及对系统中存在的不足提出了改进方案。 本系统是以线阵t c d l2 0 6 u d 为采集核心，并采用德州仪器公司生 产的电机控制专用芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制核心。此系统具有切割 精度高，运行速度快、实时性强，扩展功能多等优点，对国家的经济 改革具有重要的意义。 关键词：自动纠偏系统；数字信号处理器；线阵电荷耦合器件； a bs t r a c t s t e e lu s e di ne v e r ya s p e c to fo u rw o r l da saw h o l em a r k e t a b l e r e s o u r c e s i no r d e rt op r e v e n tu n n e c e s s a r yw a s t e ，m a n u f a c t u r e r sp a y a t t e n t i o nt oe v e r ys t e po ft h ep r o c e s s c u t t i n gi nt h em a n u f a c t u r i n g p r o c e s si sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n te l e m e n t b e c a u s ei nt h ep r o c e s s o f c u t t i n gs t e e ld u et om e c h a n i c a lv i b r a t i o no ro t h e rr e a s o n so f t e n t r a n s m i t t e df r o mo r b i t c u t t i n gc a u s e so fr e j e c t s ，b r o u g h th u g ee c o n o m i c 1 0 s s e s t oa v o i dc u t t i n gs t e e lf r o mt r a n s m i s s i o no r b i ta sa r e s u l to fw a s t e s t e e lc u t t i n gs y s t e mw i l lb ee q u i p p e dw i t ha u t o m a t i cr e c t i f yd e v i a t i o n s v s t e m t h es t e e li sn o wa u t o m a t i cr e c t i f yd e v i a t i o ns y s t e mi n t r o d u c e di n t h e19 8 0 s ，m o s to ft h e s es y s t e m sa r ea g i n g a n dm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l s v s t e m su s e di nt h ed e s i g n ，s u c ha sas m a l la m o u n to fc h i p s ，r u n n i n gs l o w ， e x p a n d e dl e s sd i f f i c u l tt oa d a p tt ot h er e a l - t i m ec o n t r o ls y s t e m ；a n d t h e s ig n a ld e t e c t i o n u s e da sap h o t o d i o d ed e t e c t o r ，d u et oi t so w np r o p e r t i e s ， s ol o wd e t e c t i o ns e n s i t i v i t y i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7s t e e la u t o m a t i cr e c t i f y d e v i a t i o ns y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o na n dt h ea l g o r i t h m ，a sw e l la s t h es h o r t c o m i n g so ft h ee x i s t i n gs y s t e mt oi m p r o v et h ep r o g r a m t h es v s t e mi sb a s e do nl i n e a ra r r a yt c d 12 0 6 u df o rd e t e c t i n g s e n s o r p r o d u c e db yt e x a si n s t r u m e n t sa n d u s e dm o t o rc o n t r o ls y s t e mt o c o n t r o lt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a s i cc o r e c u t t i n gt h i ss y s t e mh a sh i g ha c c u r a c y a n df a s t 。a n ds t r o n gr e a l - t i m e ，m u l t i - f u n c t i o ne x p a n s i o ns u c ha d v a n t a g e s t ot h ec o u n t r y se c o n o m i cr e f o r mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：a u t o m a t i cr e c t i f yd e v i a t i o ns y s t e m ；d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ；l i n e a ra r r a yc h a r g ec o u p l e dd e v i c e ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得墨垄盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兰彩 签字日期： 如7 年 月 了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天鲞大堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权天叠大堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 保密期年。 学位论文作者签名：1 莎钐 签字日期：7 闷7 年f 月 导师签名： 签字日期： z v 1 局牟 ，一 多移年芬9 具 日 第一章前言 第一章前言 1 1 钢材自动纠偏系统现状分析 随着我国工业生产全面进入自动化，在许多领域中均采用自动纠 偏系统进行位置调节，如制钢业。钢材在切割过程中由于机械振动或 是其他原因钢材往往会偏离传输轨道，导致切割中造成残次品，给企 业及国家带来巨大的经济损失。为了避免由于钢材偏离传输轨道所导 致的浪费，则要在钢材切割系统中安装自动纠偏系统。 我国在八十年代引进了许多国外的自动纠偏设备，这种自动纠偏 系统有以下缺点： 1 在信号采集方面，大多采用传统光敏二极管作为采集核心，由 于自身材料性能的原因，使其检测灵敏度低。尽管在检测度要求不高 情况下，该类系统能够满足生产要求，但由于检测误差大，必然造成 一定程度的产品浪费，同时系统对产品质量要求更高难以实现。 2 在微处理器控制方面，系统多采用m c s 单片机作为控制核心， 由于该类芯片内存容量小，运行速度慢，扩展功能少，很难适应系统 的实时控制。 1 2 钢材自动纠偏系统的研究意义 鉴于当前现有的自动纠偏系统存在以上缺点且这些在八十年代引 进的自动纠偏系统多数已老化，因此急需要改造和更新。此外，随着 电子技术和微处理器技术的发展，出现了新的高精度检测元件和高性 能的微处理器，使自主研制精度更高的自动纠偏系统成为可能。 此外，除了钢材的自动纠偏之外，其它多种带状形材的切割系统 均需采用不同精度要求的自动纠偏，急需研究新的自动纠偏系统，提 高切割精度，减少残次品。本课题研制的系统具有检测灵敏度高，误 差小，稳定性好，实时性强等优点，有很广阔的应用前景，而且对国 家的经济改革具有重要的意义。 1 3 钢材自动纠偏系统的设计目标 根据钢厂生产要求，本系统设计需要满足以下技术指标： 第一章前言 1 x x 材料长度： 10 0 m 2 钢材宽度： 6 0 01 3 0 0 m m 3 直径卷：6 1 0 1 5 2 0 m m 4 钢材张力： 2 5 0 0 k g 5 运行速度： 0 6 0 m m i n 6 自动纠偏速度： 15 m m s 7 自动纠偏偏差： lm m 采用线阵电荷耦合器件作为信号采集核心，数字信号处理器作为 控制核心，切割精度高，运行速度快、实时性强，扩展功能多的钢材 自动纠偏系统。 1 4 钢材自动纠偏系统研究的内容 本文设计了以线阵t c d l2 0 6 u d 为采集核心，并采用德州仪器公 司生产的电机控制专用芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制核心的自动纠偏系 统。其具体研究内容如下： 1 总体方案设计； 2 系统硬件设计，包括d s p 控制、采集和键盘、显示等电路及 算法分析； 3 系统软件设计，包括主程序、中断服务程序等； 4 制作、调试与实验。 第二章钢材自动纠偏系统总体方案设计 第二章钢材自动纠偏系统总体方案设计 2 1 系统总体硬件设计 系统总体硬件设计包括系统硬件设计步骤及系统硬件设计两部 分。 2 1 1 系统硬件设计步骤 系统硬件设计步骤如图2 1 所示。 l 器件选择 且 i原理图设计 且 l 印刷电路板设计 且 l 硬件测试 图2 1系统硬件设计步骤 硬件设计步骤可分为5 步： 1 确定硬件方案 所谓硬件方案是根据性能指标、工期、成本等，确定最优硬件实 现方案，并画出其硬件框图。这时对于具体器件的要求应该已经比较 明确。 2 进行器件的选型 一般系统中常用a d 、d a 、内存、电源、逻辑控制、通信、人机 接口、总线等基本部件，在硬件设计时需要根据系统的各项指标来确 定器件类型及犁号。 3 进行原理图设计 第二章钢材自动纠偏系统总体方案设计 在总体方案设计之后，就需要进行原理图的设计。这一步对电路 的实现非常的重要，这将直接影响印刷电路板的设计。 4 印刷电路板设计 原理图设计后就要进行印刷电路板的设计，这要求设计人必须熟 悉电路原理、布线工艺和系统结构设计。 5 硬件的调试 电路板完成后，要对电路板进行调试，经过反复的调试和修改以 实现电路的正常工作和合理化改进，最后再重新制板完成整个电路设 计。 2 1 2 系统总体硬件设计及其方案选择 系统总体硬件是由控制电路、采集电路和键盘与显示等电路组成， 其框图如图2 2 所示。 爱 i 巴兰 黛 多 i 三 j ； 黜懈b 灯m i 也鼯 、r y 鼹六 b 瓢 址4 、 ! 轧 刀 刽洲荆一目 i 乜 机 图2 2系统总体硬件设计框图 其各个模块电路是如下： 1 控制电路 控制电路为系统的核心，主要用以完成对输入信号的处理并输出 控制信号和外围接口电路的逻辑控制。 方案一：采用m c s 单片机芯片作为控制核心 若采用m c s 单片机芯片作为自动纠偏系统的控制核心，由于该类 芯片内存容量小，运行速度慢，功能少，为其进行为功能扩展和采取 提速措施经常导致系统性能稳定差，同时很难达到高速数据采集的目 的。因此将会给整个系统带来检测灵敏度低，误差大和实时性差等缺 点。 方案二：采用数字信号处理( d s p ) 芯片作为控制核心 第一章钢材自动纠偏系统总体方案设计 d s p 芯片是一种专门用于数字信号处理的微处理器。它的内部采 用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线 操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算 法。以d s p 芯片为核心的控制系统运行速度快、实时性强和扩展功能 多等特点将为整个系统的实现提供大力的技术支持。 因此本系统将采用以d s p 芯片为核心的控制系统。 2 采集电路 采集电路主要用以完成对钢材的边缘信息进行采集并输出其检测 信号。 本系统的设计目标是自动纠偏偏差要小于1m m ，自动纠偏偏差 与检测精度和钢材运行速度有关，而系统中钢材运行速度要求达到0 6 0 m m i n ，所以只有提高系统的检测精度才能满足此目标。 方案一：采用传统的光敏二极管作为采集核心 目前的自动纠偏系统普遍采用传统的光敏二极管作为采集核心， 然而由于其自身材料性能的原因，其检测灵敏度低，一般检测精度为 1 5 m m ，所以无法满足该设计系统的自动纠偏偏差要求。 方案二：采用电荷耦合器作为采集核心 电荷耦合器件是一新型光电传感器件，它用电荷量来表示不同状 态的动态移位寄存器，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变 化，来实现存储和传递电荷信息的固态电子器件，英文简称c c d t 3 1 。 c c d 是由美国贝尔实验室的w s 博伊尔和g e 史密斯于l9 6 9 年发明， 它由一组规则排列的金属氧化物半导体( m o s ) 电容器阵列和输入、 输出电路组成。传统的固态电子器件信息的存在和表示方式，通常是 用电流或电压，而在c c d 中，则是用电荷，因此c c d 对信息的表达， 具有更高的灵敏度。c c d 具有体积小、分辨率高、稳定性能良好、抗 电磁干扰等特点。 故该系统在设计中采用电荷耦合器件作为采集核心，以使系统达 到自动纠偏偏差的要求。 3 键盘、显示电路 键盘、显示电路用以设置初值和调节系统参数，并能显示系统的 工作状态、参数等。由于人机接口的速度慢，而d s p 运行速度快，为 了使速度匹配，因此d s p 的人机接口电路常采用d s p 与单片机组合的 方案，可由单片机负责处理键盘和显示，d s p 通过缓冲器与单片机通 信，这样使电路比较简单。 第二章钢材自动纠偏系统总体方案设计 2 2 系统总体软件设计 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 钢材自动纠偏系统的软件按结构分主程序、 i n tl 中断服务程序、i n t 2 中断服务程序。主程序完成系统的初始化和 信号的处理。i n t l 中断服务程序完成参数的设置。i n t 2 中断服务程序 完成两路c c d 输出脉冲的计数。 2 3 系统工作原理 该系统以c c d 为采集核心，用双镜头采集现场信息。以d s p 为控 制核心，进行信号处理。从c c d 输出的脉冲信号，经放大、滤波、边 缘检测及图像二值化处理后，输入到d s p 的外部计数器中进行计数， 两路计数器是通过c c d 的转移脉冲来启动计数并读取上次的计数值， 根据两路计数器的数值能知道钢材偏离中心的方向，d s p 将输出控制 信号输入到步进电机驱动器，用以控制步进电机的转向来完成自动纠 偏任务。本系统可通过键盘设置初值和调节系统参数，并能显示系统 的工作状态、参数等。 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的钢材自动纠偏系统的硬件包括：控制电路、 采集电路系统和键盘与显示等电路。以下分别介绍各个部分电路的器 件选择及其设计。 3 1 器件型号选择 器件型号选择主要包括d s p 芯片、c c d 及其它外围器件的选择。 3 1 1d s p 芯片的选择 电动机的数字控制既要求控制器有强大的i o 控制功能，又要求控 制器有高速的信号处理能力以实现实时控制。因此世界上各大d s p 生 产商将d s p 的高运算速度与单片机的强控制能力相结合，开发出电动 机控制的专用d s p 。这种d s p 还集成了电动机控制所必需的可增加死区 且灵活多变的多路p w m 信号发生器、高速、高精度数模转换以及用于 电动机速度和位置反馈的编码器接口等电路，因而可以说这种d s p 是 目前用于电动机控制中功能最强大的控制器1 4 , 5 1 。其中t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是德州仪器公司专门针对数字电机控制应用而设计的一款低成本、低 功耗、高性能的d s p 微控制器。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 可以达到4 0 兆指令每秒的运算速度( 4 0 m i p s ) ，包 括l6 位乘法器，并具有3 2 k 字片上闪存( f l a s h ) 、l6 通道模拟输入高速 1 0 位模数转换器( a d ) 、多个功能丰富的通用计时器、多路可编程脉 宽调制输出、可编程脉宽调制输出死区、多路信号输入捕捉( c a p ) 、光 电编码盘接口( q e p ) ，以及通用的异步串行接口( s c l ) ，串行( 同步) 外设接口( s p i ) 和c a n 总线接口。丰富的片上资源使得t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在工业控制中尤其是在电机控制应用中比传统的单片机有着无伦比的 优势【6 1 。也正是因为这一点，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 正在被越来越广泛地应 用在工业控制和电机控制的不同领域。而且t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 成功的应 用例子很多，因此，我们选用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 芯片为系统控制 核心。 3 1 2 c c d 的选择 c c d 的种类很多，分类方法也很多。不同类型的c c d 具有不同的 特点，适于不同的应用，如用于尺寸测量、光谱探测、高速检测、彩 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 色图像采集等等。而在自动纠偏系统采集的物理信号是物体尺寸，因 此，采用了适于尺寸测量的线阵c c d 作为采集核心。又根据系统的精 度要求，最终选择了t c d 12 0 6 u d 型线阵c c d ，其检测精度可达到 1 4um ，完全能够满足系统的要求。 3 1 3 其它外围器件的选择 由于德州仪器公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的工作电压是3 3 v ，所 以选择德州仪器公司生产的t p s 7 3 3 3 型电源变换器件。它输入是+ 5 v ， 输出为3 3 v 的电压，同时它又能为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 产生2 0 0 m s 低电平 复位信号，正好满足了系统中t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的需要。 本系统采用键盘、显示处理专用芯片8 2 7 9 来处理键盘和显示。利 用8 2 7 9 可实现对键盘显示的自动扫描，并能识别键盘上闭合键的键 号。不仅可以大大节省c p u 对键盘显示的操作时间，从而减轻c p u 的负担；而且显示稳定，编程简单，不会出现误动作。 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 与显示处理专用芯片8 2 7 9 的速度不匹配，因 此当t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在处理键盘和显示时需要加入等待时间，来完成 速度匹配，并且还要产生t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 对8 2 7 9 读操作或写操作的控 制信号。采用可编程逻辑器件g a l l6 v 8 正好可以满足以上要求，故本 系统采用可编程逻辑器件g a l l 6 v 8 来产生t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的等待信 号和对8 2 7 9 的控制信号。 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的电平是3 3 v ，而键盘、显示的专用芯片8 2 7 9 和步进电机驱动器要求5 vt t l ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在与这些器件连接时 在中间需增加一个缓冲器件，故选用了电平转换芯片7 4 l v t l6 2 4 5 。它 采用双电压供电，一边是3 3 v 供电，而另一边是5 v 供电，这样可把 3 3 v 的电平转换为5 v 的电平，反之，也可以把5 v 的电平转换为3 3 v 的电平。 3 2 控制电路的设计 本系统采用是以德州仪器公司生产的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为 核心的控制电路，来完成对输入信号的处理并输出控制信号和外围接 口电路的逻辑控制。下面详细介绍该控制电路的设计。 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 3 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片介绍 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是德州仪器公司专门针对数字电机控制应用而设 计的一款低成本、低功耗、高性能的d s p 微处理控制器。它采用高性 能静态c m o s 技术，供电电压为3 3 v ，大大降低功耗。其执行速度为 3 0 m i p s ，使得几乎所有的指令都可以在一个3 3 n s 的单周期内执行完 毕，这种高性能使复杂控制算法的实时执行成为可能。它是基于 t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核，保证了d s p 代码和t m s 3 2 0 系列代码的兼 容1 7 。 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的性能特点i s ： t m s 3 2 0 c 2 x x 核心c p u ：3 2 位的中央算术逻辑单元( c a l u ) ； 3 2 位加法器；1 6 位1 6 位并行乘法器，3 2 位乘积；3 个定标移位寄存 器；8 个l6 位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来做数据存 储器的间接寻址； 存储器：5 4 4 字1 6 位的双端口数据程序d a r a m ；2 k 字1 6 位的单端口s a r a m ；片内3 2 k xl6 位的f l a s h 程序存储器；2 5 6 字l6 位片上引导r o m ；2 2 4 k 字1 6 位的最大可寻址存储器空间( 6 4 k 字的 程序空间，6 4 k 字的数据空间，6 4 k 字的i o 空间和3 2 k 字的全局空 间) ：有软件等待状态发生器的外部存储器接口模块，具有l6 位地址 总线和1 6 位数据总线； 指令系统：与t m s 3 2 0 家族的c 2 x ，c 2 x x 和c 5 x 定点产品在 源代码级兼容；单周期的乘法加法指令；程序数据管理的存储器块 移动指令；索引寻址功能；基2 快速傅立叶变换( f f t s ) 的位反转索 引寻址功能； 速度：3 3 n s ( 3 0 m i p s ) 的指令周期，多数指令为单周期； 事件管理器a 和b ：十六位通用定时器4 个；比较脉宽调制 ( p w m ) 通道1 0 1 6 ；捕获通道正交编码器脉冲接口6 4 ： 看门狗定时器； c a n 接口：与控制器局域网咯( c a n ) 2 0 版兼容，有六个邮 件箱； a d c ：模数转换器、l0 位、5 0 0 n s 转换速度、l6 8 可选通道； s p i ：外设串行接口、同步串行端口： s c i ：串行通讯端口、异步串行接口； 数字i o 管脚4 1 个； 外部中断5 个； 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 电源：静态c m o s 技术； 供电电压3 3 v ； 2 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的主要应用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片在以下方面已经得到了成功的应用： 新一代廉价电机( 如交流伺服电机、直流永磁电机和开关磁 阻电机等) 的鲁棒控制器的设计； 具有低制造成本和高可靠性的无刷电机类的全变速控制； 变速控制中的节能设计，节能可以达到定速控制器所用能量 的2 5 ： 用于自动电子动力控制( e p s ) 系统中，可以提高燃料的经济 性和性能，减少液态流体； 在汽车电子制动系统中通过减少液态流体，可以降低制造和 维护的成本； 由于产生极少的转矩纹波，使运行更加有效和安静，从而实 现低功耗、低振动和长寿命； 在实时多项式计算中，内存查找表的减少，可以降低系统成 本： 使用先进的算法可以降低系统中传感器的数量； 与控制算法处理一起完成电源开关转换的控制； 电机系统的单处理器控制。 3 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片是p g e 封装，1 4 4 个管脚，其管脚如图3 - l 所示。 图3 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的封装管脚图 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 各个管脚功能参考t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的管脚功能表。 4 t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 的存储器和i o 口 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片内部有5 4 4 字 1 6 位的d a r a m ，5 4 4 字被分 为三块：b o ，bl ，b2 。该存储空间主要用来保存数据，但在b o 块也可 以保存程序。b o 块配置成数据存储器还是程序存储器要根据c n f 位的 值来判断决定。当c n f = 0 时，bo 块映射为数据存储空间；当c n f = 1 时， b o 块映射为程序存储空间。它还包含2 k 字的单口r a m ，它可以是数据 存储器空间，也可以是程序存储器空间，也可以通过软件配置为外部 存储器或内部s a r a m 。芯片上有3 2 k 字的f l a s h 存储器，被映射为程 序存储空间，通过m p m c 引脚决定访问片上的f l a s h 程序存储器还是 访问片外存储器。 ( 1 )程序存储器 程序存储器空间用来保存程序代码以及数据表信息和常量。程序 存储器空间的寻址范围为6 4 k 字，包括3 2 k 字的f l a s h 内部r o m ( 地 址0 0 0 0 h 7 f f f h ) 和3 2 k 字可扩展的外部r o m ( 地址8 0 0 0 h f f f f h ) 。 3 2 k 字的f l a s h 分成四个区：0 区一一4 k 字( 地址0 0 0 0 h - 0 f f f h ) ； l 区一一1 2 k 字( 地址1 0 0 0 h 3 f f f h ) ；2 区2 k 字( 地址 4 0 0 0 h 6 f f f h ) ；3 区4 k 字( 地址7 0 0 0 h - 7 f f f h ) ； 当一个片外程序地址需要访问时，d s p 会自动产生一个相应的访 问外部程序地址空间的信号( p s 、d s 、s t r b 、i s 等) ，如图3 - 2 所 示为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的程序存储器映射。 图3 - 2程序存储器映射 i m 肫h 口i i ，_ l h t i h fr ”二叮i i 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 有两个因素决定程序存储器的配置： c n f 位。c n f 位是状态寄存器s t l 的第1 2 位，决定d a r a m 是在 片外还是片上。 c n f = 0 时，2 5 6 字长的bo 块被映射为片外程序空间。 c n f = l 时，2 5 6 字长的b o 块被映射为片内程序空间。在复位 状态下，b o 块映射到数据空间。 m p m c 引脚。该引脚电平决定了d s p 使用外部程序存储器还 是内部程序存储器。 m p m c = 0 时，d s p 使用内部程序存储器，器件从内部程序 存储器中读取复位向量。此时访问内部程序存储地址0 0 0 0 h 7 f f f h 。 m p m c = l 时，d s p 使用外部程序存储器，器件从外部程序 存储器中读取复位向量。此时访问片外程序存储地址0 0 0 0 h 7 f f f h 。 无论m p m c 为何值，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 都从程序存储器的 0 0 0 0 h 单元读取复位向量。只有使用有外部程序存储器接口时m p m c 引脚有效。 ( 2 ) 数据存储器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数据存储器空间为6 4 k * l6 b i t ，即6 4 k 字。其中3 2 k 字内部数据存储器( 0 0 0 0 h 7 f f f h ) 和3 2 k 字外设数据寄存器 ( 8 0 0 0 h f f f f h ) 。其中内部数据存储器包括存储映射寄存器、5 4 4 字 的双口r a m ( b o 、bl 和b2 ) 、2 k 字的单口r a m 和外设映射寄存器，有 相当一部分内部数据存储空间是禁用区。数据存储器映射如图3 3 所 示。 双口r a m ( d a r a m ) 允许在一个机器周期内对其进行读操作和 写操作，即在一个机器周期内可以进行两次访问，因此速度较快。 双口r a m 又分成b o ( 2 5 6 字) 、bl ( 2 5 6 字) 和b 2 ( 3 2 字) 三个 块。其中，b o 块既可以选择作为数据存储器，也可选择作为程序存储 器。状态寄存器s ti 的c n f = o 时，bo 作为数据存储器使用，数据存储 器的0 l0 0 h 0 lf f h 作为b o 的映射区，而程序存储器的f e 0 0 h f f f f h 作 为外部程序存储器地址；当c n f = l 时，b o 作为程序存储器使用，数据 存储器的0 10 0 h 0 2 f f h 地址作为保留区。而bi 和b 2 块只能配置为数据 存储器。 单口r a m ( s a r a m ) 允许在一个机器周期内对其进行一次读操 作或一次写操作，即在一个机器周期内可以进行一次访问，因此速度 较慢。 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 单口r a m ( s a r a m ) 既可以作为数据存储器，也可以作为程序存 储器，由系统控制和状态寄存器s c s r 2 的d o n 和p o n 位来决定。当 d o n = o 、p o n = 0 时，s a r a m 不使用；当d o n = o 、p o n = 1 时，s a r a m 作为程序存储器：当d o n = l 、p o n = 0 时，s a r a m 作为数据存储器； 当d o n = l 、p o n = l 时，s a r a m 既作为程序存储器也作为数据存储器， 两者互映射。 ”目h | t m f l - ，：i r - in 2 ：二0 ： - jj j i t 0 f i 1 ：l v 1 n d a 二1 j i i i m 、v l w ；1 1 - p w - 竹f t ：z 一，f ，j- _ f jp 、 r v ：， + _ ， 仆赴帐j 七i i ， i i t 舢2i r i - - = 1 w “j 一 仆t o t ”： q 。 ： l io j ： f 蛀t n 图3 - 3 数据存储器结构 ( 3 ) i o 口 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的i o 空间寻址范围是6 4 k 字，如图3 - 4 所示为 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的i o 口地址映射。i o 空间访问有程序存储器和数据 存储器访问两种，可以由信号i s 的高低来区分。所有6 4 k 字的i o 空 间均可以用i n 和o u t 指令访问。当执行i n 或o u t 指令时，信号i s 将变有效，因此i s 可用来生成外围i o 设备的片选信号。 外部 保留区非法区 f a s h 控 旨f 方式寄存器 保留区 等待状态发生寄存嚣 图3 - 4i 0 口地址映射 1 3 一翮端一 一 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 当访问片内的i o 时，i s 和s t r b 变为无效，即为高电平，i s 和s t r b 只在访问外围设备时才有效。地址和数据总线复用，数据总 线宽度为16 位，若与8 位总线宽度的外设相连，既可使用高8 位，也 可使用低8 位。 ( 4 ) 系统的数据存储器扩展 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内部有3 2 kb y t ef l a s hr o m 的程序存储器和5 4 4 b y t e 数据存储器。程序存储器比较大，而数据存储器比较小，所以需 要扩展外部数据存储器 9 1 。利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的d s 、w r 、r d 控 制信号来扩展外部数据存储器。电路如图3 5 所示。 图3 5扩展外部数据存储器 5 外部数据存储器及i o 读取控制 外部存储器及i o 读取时，其控制时序如图3 - 6 所示。 读取操作步骤如下： ( 1 ) c p u c l k 控制外部存储器及i o 设备的同步操作，同时可设 定c l k o u t 脚输出以便监控其变化。 ( 2 ) 由d s 脚选择数据、p s 脚选择程序、i s 脚选择i o 设备， 当芯片选择控制信号为l o w 时送到存储器与i o 设备的芯片选择脚， 被选择芯片开始工作。 ( 3 ) d s p 送出16 条地址总线( a o al5 ) 指定读取哪组数据。 ( 4 ) 当t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 读取数据时，令r w = l ，控制存储器或 i o 设备的输出响应，c p u 就可以读取存储器或i o 设备的数据。 ( 5 ) 存储器或i o 设备的数据通过数据总线( d o dl5 ) 送入 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。 ( 6 ) 在读取数据时s t r b = 0 ，表示正在工作中。读取完毕则令 s t r b = l 。 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 写入操作和读取操作类似，只是在步骤4 当t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 写入 数据时，令r w = 0 ，控制存储器或i 0 设备的写入响应，c p u 就可以写 入存储器或i 0 设备的数据。步骤5 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的数据通过数据 总线( d o d l5 ) 送入存储器或i o 设备。步骤6 在写入数据时，令 s t r b = 0 ，表示正在工作中。读取完毕则令s t r b = l 。 c u 、厂、厂- 厂弋、。 , m ，d r l c , s 吣_ r w 厂一 ，7ds。陌 wi s 、 册_ 、一， 图3 - 6 外部存储器及i 0 读取和写入控制时序图 3 2 2 时钟电路的设计 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片正常工作需要时钟信号，时钟信号产生有两 种：一种内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片 关于时钟的引脚有x t a l l 、x t a l 2 、p l l v c c a 、p l l f l 、p l l f 2 。下 面分别介绍两种时钟信号产生电路。 1 内部时钟方式 利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的高增益反馈电路和锁相环电路产生时 钟信号。外部晶振接在x t a l l 和x t a l 2 两端，并接两个微调电容，大 约2 0 p f 左右。p l l v c c a 接电源3 3 v ，内部锁相环电路开始工作，p l l f i 和p l l f 2 接锁相环外部滤波电路。这样就可产生时钟信号，可利用软件 设定分频系数来确定c p u 的时钟频率。电路图如3 7 所示。 口口 图3 - 7 内部时钟方式时钟信号产生电路 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 2 外部时钟方式 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片可接外部振荡器产生时钟信号，但外部振荡 信号由x t a ll 接入，x t a l 2 悬空，其他和内部时钟方式接法一样。电 路图如3 8 所示。 图3 - 8 外部时钟方式时钟信号产生电路 本系统时钟信号产生电路是采用外部时钟方式，外部振荡器是 l5 m h z ，利用软件设定分频系数是二倍频，这样c p u 的工作频率是 3 0 m h z 。 3 2 3 电源电路的设计 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的工作电压是3 3 v ，而键盘和显示接口芯片8 2 7 9 的工作电压和其它外围器件的工作电压是5 v ，因此以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心所构成的应用系统必然是一个混合电压系统。与完全的3 3 v 系 统相比较，混合电压系统由于低电压器件的缺乏，显然有不少缺点。 其中一个主要缺点就是对多电源的要求，设计的一个目标就是减少所 需电源的数目，并减少产生这些电源电压所需器件的数目。为了减少 多电源所需的额外器件的数目，不少厂家提供了产生多种电压的芯片。 同时，随着技术的不断进步，将会出现更多的低电压器件，从而逐渐 消除对多电源的要求。对于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 应用系统而言，首先要解 决t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的电源问题。解决3 3 v 电源通常有以下几种方案： 方案一：电阻分压 利用电阻分压的方法比较简单，其原理如图3 - 9 所示。但是，该 电路实际的输出电压显然要小于3 3 v ，并且随着负载的变化，输出电 压也会产生波动。另外，这种电路的功耗也比较大。然而，其成本比 较低并且结构简单，可以作为一种应急的方案。对于低功耗的系统和 对电源要求高的系统，不适合采用这种方案。 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 耻忡牛- 图3 - 9 电阻分压电路 方案二：直接采用电源模块 考虑到开关电源设计的复杂性，一些公司如a g e r e ( 原朗讯的微电 子部) 、e r i c s s o n 、v i c o r 等，推出了基于开关电源技术的低电压输出电 源模块。这些模块可靠性和效率都很高，电磁辐射小，而且许多模块 还可以实现电源隔离。这些电源模块使用方便，只需增加很少的外围 元件，但是价格比较昂贵。 方案三：利用线性稳压电源转换芯片 线性稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片，基本上不需要外围 元件。但是传统的线性稳压器，如l m 3l7 ，要求输入电压比输出电压 高2 v 或者更大，否则就不能够正常工作。因此对于5 v 的输入，输出 并不能够达到3 3 v 。面对低电源的需求，许多电源芯片公司推出了低 电压差线性稳压器( l d o ) 。这种电源芯片的压差只有1 3 v - 0 2 v ，可以 实现5 v 转3 3 v 2 5 v ，或者3 3 v 转2 5 v 1 8 v 等要求。l d o 所需 的外围器件数目少，使用方便、成本较低、纹波小、无电磁干扰。 采用何种电源设计方案，取决于系统的具体要求。通常，小功率 或对电源效率要求较低的时候，可以采用l d o 。但是对于大功率或对 电源效率要求较高的时候，则应该使用电源模块。 本系统所采用的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的特点之一就是低电压 工作，其功耗也比较低，所以采用德州仪器公司的t p s 7 3 x x 系列比较 合适。其中，德州仪器公司生产的电源转换芯片t p s 7 3 3 3 ，它输入是 + 5 v ，其输出为3 3 v 的电压，同时它又能为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 产生2 0 0 m s 低电平复位信号，正好满足了系统中t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的需要。其电路 图如3 10 所示。 图3 一l0 电源和上电复位电路 1 7 尝 李 第三章钢材自动纠偏系统硬件设计 3 2 4 电平转换接口电路的设计 本系统是一个混合电平系统，因此在电路设计时，要注意电压和 电平的转换。电源的转换在上面已经介绍，下面介绍逻辑电平转换电 路。 1 逻辑电平转换电路 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的工作电压是3 3 v ，其i 0 口的电平也是3 3 v 。 在进行外围接口设计时，如果外围器件的工作电压是3 3 v ，接口电路 就比较简单，可以直接连接。但是，许多常用外围芯片的信号电平是 5 v ，而t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的i 0 口的电平是3 3 v ，因此在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和外围芯片之间连接时，需要电平转换电路来进行电平的匹配。设计 3 3 v 和5 v 的逻辑器件之间的接口时应考虑以下四种情况： ( 1 )5 vt t l 器件驱动3 3 vt