基于2407 DSP的最小应用系统设计.docx
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基于2407DSP的最小应用系统设计
基于2407DSP的最小应用系统设计
作者大学学院级电气工程及自动化
指导老师(副教授)
摘要:
TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A是目前实现数字控制系统的主流产品。
最小应用系统采用了简洁的硬件电路形式,充分发挥数字信号处理功能来满足控制系统的需要。
本文介绍以TMS320LF2407A为核心的最小应用系统的设计思路,具体器件的选择方法和DSP的广泛应用。
关键词:
DSP;TMS320LF2407A;最小应用系统
DesignoftheMinimalApplicationSystemofTMS320LF2407
Author:
ZhangZhong,
Grade2002,MajorinElectricalEngineeringandAutomation,
SchoolofElectricScienceandTechnology,AnhuiUniversity
Advisor:
AssistantProf.ZhengChangBao
HeFei,AnHui(230039)
Abstract:
TMS320LF2407AofferedbyTexasInstrumentisthemainstreamofDSPproductfordigitalcontrolsystem.Theminimalapplicationsystemmakesfulluseoffunctionofthedigitalsignalprocessor,andsatisfiesthedesireforcontrolsystemwiththesimplecircuit.Thispaperintroducesthedesignscheme,implementmethod,circuitcomponentsforaDSPminimalapplicationsystembasedonTMS320LF2407AandapplicationsoftheDSP.
Keywords:
DSP;TMS320LF2407A;minimalapplicationsystem
0.引言
TMS320LF2407A是TI公司专门为了满足控制领域应用而设计的数字信号处理器。
通过把一个高性能的DSP内核和微处理器的片内设集成为一个芯片的方案,TMS320LF2407ADSP成为传统微控制单元和昂贵的多片MCU设计的一种廉价替代品。
每秒30M条指令以上的处理速度,使其可以提供远远超过传统16位微处理器的性能。
该控制器主要面向数字控制系统,特别是在运动控制领域,以及嵌入式开发系统设计中常常作为首选的微处理器的芯片。
本文针对那些对系统性能指标要求很高,需要采用诸如自适应控制,模糊控制,卡尔曼滤波和状态控制等算法实现控制,但是需要的外设与接口又相对较少的控制对象,设计了一
种以TMS320LF2407A为核心的DSP最小应用系统。
通过简洁的外部接口电路,提供了丰富的硬件和软件资源,能够满足高性能系统的控制要求。
1最小应用系统的设计思路
1.1TMS320LF2407A的特点和资源
TMS320LF2407ADSP控制器主要具有如下的特点:
(1)采用了高性能CMOS技术,使得供电电压降为.3.3V,大大减小了控制器的功耗。
(2)基于TMS320LF2407ADSP的CPU内核,保证了与TMS320系列DSP代码兼容。
(3)片内有高达32K×16bits的Flash的程序存储器(ROM);2.5×16bits的数据/程序存储器。
(4)两个事件管理器模块EVA和EVB,每个均包括如下的资源:
两个16位通用定时器;8个16位的PWM通道;对外部事件进行定时捉获的3个捉获单位,片内光电编码接口电路;16通道的ADC。
事件管理器模块特别适应于控制交流异步电动机,各种控制电机和逆变器。
(5)可扩展的外部存储器提供了3个独立空间:
程序存储器(64K×16bits),数据存储器(64K×16bits),输入/输出(I/O)空间(64K×16bits),总共192×16bits的存储空间。
(6)看门狗(WD)定时器。
看门狗定时器外设监视软件和硬件的运行,在CPU中断时完成系统的复位功能。
如果软件进入死循环,或CPU被暂时打断,则WD定时器上溢,并产生一个系统复位。
看门狗增加了CPU的可靠性,从而确保了系统的完整性。
看门狗的所有定时器都是8位的,并且连到CPU16位外设数据线的低8位上。
WD模块具有以下特性:
●8位WD计数器在上溢时产生一个系统复位信号。
●6位自行计数器的输出通过WD计数器预定标提供给WD计数器。
●一个WD复位关键字(WDKEY)寄存器,当向该寄存器写入正确的组合值时,WDKEY寄存器将清除WD计数器,如果写入不正确的值时则产生一个复位信号。
●一个WD检验位,如果WD定时器失效,则启动系统复位。
●一旦系统复位后,WD定时器就自动启动。
●WD预定标有6种选择来自一个6位自行计数器
(7)8/16个多路复用的10位ADC输入通道;
(8)CAN2.0B控制区域网模块接口和串行通信接口(SCI)模块;具体来讲,DSP内CAN控制器是一个16位的外设模块,具体以下特性:
●完全支持CAN2.0B协议
标准和扩展标识符。
数据帧和远程帧。
●提供6个邮箱给对象,其数据长度为0~8个字节。
2个接收邮箱(MBOX0、1),2个发送邮箱(MBOX4、5)。
2个可配置为接收或发送的邮箱(MBOX2、3)。
●针对邮箱0、1和2、3或局域接收屏蔽寄存器(LAMn)。
●可编程比特率。
●可编程中断配置。
●可编程的CAN总线唤醒功能。
●自动回复远程请求。
●当发送出现错误或仲裁丢失数据时能自动重发。
●总线错误诊断功能:
总线的开放与关闭。
总极性还是负极性错误。
总线错误警告。
总线显性阻塞。
帧错误报告。
可读的错误计数器。
●自测试模式:
CAN控制器工作在循环模式。
接收自己发送的信息并且产生自应答信号。
●两引脚通信:
CAN模块使用两个引脚来通信,即CANTX和CANRX。
两个引脚连接到CAN收发器芯片上,CAN收发器芯片连接到CAN总线。
SCI模块包括:
一个发送器(TX)及其主要寄存器。
一个接收器(RX)及其主要寄存器。
一个可编程的波特率发生器和数据存储器映射的控制和状态寄存器。
(9)16位外部串行接口(SPI)模块。
SPI的组成包括4个I/O引脚,主模式和从模式操作,SPI串行接收缓冲寄存器,SPI串行传送缓冲寄存器,SPI数据寄存器,SPICLK相位和极性控制,状态逻辑控制和存储器映射控制和状态寄存器。
(10)5个外部中断源;
(11)高达41个通用、双向的数字I/O引脚(多功能,可软件设置为通用I/O口);
(12)3种电源低功耗。
1.2最小系统的设计思路
微处理器系统设计的简繁主要体现在外设的扩展方式。
TMS320LF2407ADSP对外设空间的的寻址,是通过不同指令和
/
/
引脚以及相应读、写总线时序的控制配合,来实现对程序、数据和IO三个独立空间地址映像区间的读写操作。
TMS320LF2407DSP与扩展外设空间的连接如下图1所示。
TMS320LF2407DSP程序存储器(ROM)数据存储器(RAM)输入/输出空间(I/O)
图1TMS320LF2407ADSP与外设空间的连接框图
本文设计的最小应用是以TMS320LF2407ADSP芯片为核心,与复位电路,片外程序/数据存储器和串行通信电路等一起制作成最小系统,各种控制与检测信号则通过金手指与其它相应电路或扩展外设相连。
这样既可以充分利用DSP具有的双向数字I/O引脚,又可以提高系统的抗干扰性。
1.3外设扩展空间连接方案的选择
扩展的外围设备与DSP的连接一般可通过以下两种方式实现:
(1)外设通过数据线扩展,其地址被映射到DSP的I/O存储空间。
这种扩展方式充分利用了2407A提供的64KI/O空间,将外设地址通过译码逻辑映射到I/O存储空间,通过IS引脚的时序控制,实现对外设的读写操作。
(2)外设通过I/O端口扩展
I/O端口与I/O存储空间是不同的概念,这种扩展方式是将外设直接与I/O引脚连接起来,即通过I/O端口以及映射寄存器建立与DSP的数据交换通道。
2407A常用的主要外设(如SCI、CAN、SPI、LED、开关)均可通过I/O端口扩展。
这种扩展外设的方法比较简单、直观、尤其适合I/O外设需求量不是很大的控制系统。
考虑到实现的难易、可靠、成本以及最大限度利用I/O端口等因素,本最小系统主要采用第二种连接方案,即外设通过I/O端口扩展实现DSP的连接。
如果将I/O空间的有关总线通过接口插座进行扩展,则同样能够满足那些外设对I/O接口需求量较大的系统要求。
1.4最小应用系统的电路组成
本系统硬件平台采用模块化设计,分为基本电路和扩展控制电路两大部分。
其本电路包括:
电源变换电路、复位电路、A/D直接输入通道和JTAG仿真电路等。
扩展电路包括:
存储器及译码电路,串行通信RS-232/RS-485/CAN接口电路,SPI功能模块(包括D/A功能模块)和I/O端口应用模块等。
系统的硬件原理图如图2所示
图2最小系统硬件原理图
串行通信口。
TMS320LF2407A设有一个异步串行外设通信口(SCI)和一个同步串行外设通讯口(SPI),用于与上位机、外设及多处理器之间的通信。
SCI即通用异步收发器(UART)支持RS-232和RS-485的工业标准全双工通信模式,用来与上位机的通信;SPI可用于同步数据通信,典型应用包括TMS320LF2407A之间构成多机系统和外部I/O扩展,如显示驱动。
A/D转换模块。
包括两个带采样/保持的各8路10位A/D转换器,具有自动排序能力,一次可执行最多16个通道的自动转换,可工作在8个自动转换的双排序器工作方式或一组16个自动转换通道的单排序器工作方式。
A/D转换模块的启动可以有事件管理器模块中的事件源启动、外部信号启动、软件立即启动等三种方式。
JTAG接口。
由于TMS320LF2407A结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、引脚排列密集等原因,传统的并行仿真方式已不适合于TMS320LF2407A的开发应用。
TMS320LF2407A具有符合IEEE1149.1规范的5线JTAG(边界扫描逻辑)串行仿真接口,能够极其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试。
控制器区域网(CAN)。
是现场总线的一种,主要用于各种设备的监测及控制。
TMS320LF2407A片上CAN控制器模块是一个16位的外设模块,该模块完全支持CAN2.0B协议,6个邮箱(其中0、1用于接收;4、5用于发送;2、3可配置为接收或发送)每次可以传送0~8个字节的数据,具有可编程的局部接收屏蔽、位传输速率、中断方案和总线唤醒事件、超强的错误诊断、自动错误重发和远程请求回应、支持自测试模式等功能。
CAN总线通信可靠性高,节点数有110个,传输速度高达1Mb/s(此时距离最长为40m),直接通信距离可达10km(速率5kb/s以下),采用双绞线差动方式进行通信,有很强的抗干扰能力
。
SPI外设显示接口模块:
SPI是一个高速同步串行输入/输出端口,它允许一个具有可编程串行外设接口长度(1到16位)的串行位流,以可编程的位传送速率从设备移入或移出。
本设计利用SPI口外接4片74LS164作为4位LED显示器的静态显示接口,把LF2407的SPISIMO引脚作为数据输出线,SPICLK引脚作为移位时钟脉冲。
74LS164为TTL单向8位移位寄存器,可实现串行输入,并行输出。
其中A,B(第1、2脚)为串行数据输入端,两个引脚按逻辑与运算规律输入信号,用同一个输入信号时可并接。
CLK(第8脚)为时钟输入端,可连接到串行口的SPICLK端。
2DSP外围器件的选择
由于2407A是低电压供电芯片,所以外设扩展电路要特别注意采用与之匹配的新型器件,以保证整个电路的简洁,可靠和实用.主要器件的选择如下
2.1基本电路部分
(1)电源电路:
电源供电为标准5V直流电源,必须进行电压变换,常见的3.3V电源设计方案有两种,即线性调压器和集成电压稳压电路,,后者体积小,功耗小,可靠而且效率高。
本论文采用TI公司的TPS7333QDR芯片,可以将5V直流输入转换成一路3.3V固定电压输出,最大可以提供500mA的输出电流,能够满足磁铁的功耗需求。
(2)JTAG接口电路:
提供系统与仿真器的接口,以实现在线仿真,程序下载等操作。
JTAG口共14脚,需要注意的是EMU0和EMU1脚应用电阻上拉,推荐阻值为4.7KΩ和10KΩ。
如图4所示
图4JTAG头
(3)Reset电路:
采用普通的RC电路实现即可(R=20KΩ,C=104),输出经过两级非门(采用74LS04)以保证可靠复位.晶振频率采用15MHz。
如图5所示:
(4)A/D输入通道:
直接连接到端口。
2.2扩展电路部分
(1)存储器及译码电路:
尽管2407A片内的FLASH可以用作程序存储器,但是在产品开发阶段使用FLASH作为程序存储区极为不方便。
因为每一次程序的修改都需要对FLASH进行清除,擦除和编程操作,而且进行调试时一般只能设置一个硬件断点。
从调试角度考虑,应至少扩展一片程序RAM,同时为了满足系统大容量数据计算和交换的需要,扩展外部RAM作为数据存储器也是必不可少的。
图6存储器的扩展电路
为了不增加系统复杂度,提高存储器利用率,扩展一片IS61LV6416作为外部RAM(空间为64K字节)。
调试工作程序时,程序RAM和数据RAM各占32K。
将DSP的程序/数据时序控制总线
/
进行逻辑与之后,接至LV6416的片选信号。
在访问片外程序或数据空间的时候,外扩RAM和LV6416都会被选通。
LV6416为3.3V,可直接与2407A的总线相连。
表1外部存储器空间的访问及片选信号
外部存储器空间
空间大小/千字
选通信号
程序空间
64
数据空间
64
I/O空间
64
(2)串行通信接口(SCI)电路:
本系统提供RS232和RS485两种通信接口的驱动电路,分别选用3.3V供电的MAX3233和MAX3485作为接收器/发送器电路,与2407A的SCI接口直接相连。
(3)CAN通信接口:
2407A片内集成了目前应用非常广泛的工业测控领域的标准网络CAN控制器模块,该模块共有6个邮箱,其中包括两个接收邮箱、两个发送邮箱和两个可配置邮箱。
每个邮箱均具备独立的标识区、控制区和数据区。
系统使用的TI的SN65HVD231作为CAN的收发器,其主要特点为:
满足了ISO11898标准,3.3V供电,速率可达1Mbps,适用于工业控制等多种领域.将CAN控制器的CANTX和CANRX与65HVD231的收发管脚直接连接即可。
(4)串行外设接口(SPI)模块:
SPI是一种三总线同步串行总线接口。
它体积小功耗低,占用CPUI/O接口少,编程简单。
2407A也将SPI模块集中在片内。
本系统包括了一个应用SPI接口的D/A模块电路,同时板上扩展了一个SPI功能模块接口以便于建立SPI通信。
D/A芯片采用MAX5121,提供了一路12位分辨率的数模转换通道。
(5)I/O端口应用模块:
包括8个LED显示灯和3×4键盘,均直接通过I/O端口与2407A相连,接口电路简单便于进行程序跟踪,测试方便且直观。
其中LED的驱动芯片选用3.3V供电的74LVTH273。
板上还将其他的I/O端口和中断控制接口均扩展引出,供使用者根据需要进行选择。
MP/MC引脚接地,使器件被配置为微控制器方式。
片内FLASH可以被访问,器件从片内存贮器中读取复位向量。
3TMS320LF2407ADSP的应用
TMS320LF2407A为高性能的控制提供先进、可靠、高效的信号处理与控制的平台,它将数字信号处理的运算能力与面向高性能控制的能力集于一体,可以实现用软件取代模拟器件,可方便地修改控制策略,修正控制参数,兼具故障监测、自诊断和上位机管理与通信等功能,将成为控制系统开发的主流处理器,可广泛应用于:
工业电机驱动;能量交换器如UPS、通信电源;自动化系统如电力控制、抗锁死制动;磁盘/光盘伺服控制和大容量存储产品;打印机、复印机和其他办公产品;仪器、仪表;机器人控制。
TMS320LF2407A被广泛用于数字化控制中,如一个基于DSP的逆变电源控制系统,该系统主要由DSP(TMS320LF2407A)、电压电流反馈、PWM驱动放大电路、键盘显示及上位机组成。
当DSP接受主机发出的参考输入后,将其转换为PWM输出,经过驱动放大送给逆变主电路,产生输出。
逆变电路输出的电压、电流反馈信号送入A/D转换器引脚。
通过光电编码器检测电机的转动方向及转角,反馈回DSP的正交编码脉冲电路(QEP),形成闭环控制,实时有效地控制交流电机。
键盘和显示由SPI同步串行口实现,用于读取键盘输入和写输出到显示器。
DSP与上位机之间的通信由SCI异步串行口实现。
JTAG接口用于系统的在线仿真和测试。
4结束语
TMS320LF2407ADSP为设计者提供了一个高性能和高精度的数字解决方案。
DSP最小应用系统充分利用了数字信号处理功能,采用了最简洁可靠的硬件电路形式来满足控制系统的需要。
本系统具有良好的通用性和开放性,也可以作为一个多功能的DSP研发和调试平台,很方便进行功能扩展和二次开发。
在产品开发结束之后,将调试程序下载到2407A片内的FLASH程序存储器中,该电路就可以作为通用控制单元,直接嵌入到控制系统中。
同时,本装置的设计思路和器件的选择方法,对于以TMS320LF2407A为核心的DSP控制器的设计应用,也将有很好的借鉴意义。
该系统应用于过程控制、信号检测与处理等具有复杂控制算法的系统都达到了满意的效果。
5致谢
本文是在郑常宝老师的精心指导下完成的。
在论文的写作过程中,郑老师给予了很大的帮助,同时本人翻阅了大量的文献及书籍,使得写作进展顺利。
在此,同组的各位同学也给予我很多的帮助,借此机会,一并向他们表示感谢!
参考文献
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附图:
2407最小系统电路原理图
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