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DSP阅读文献报告2
DSP在智能控制方面的应用
09通信工程2班
0904140209
金晶
文献一:
《基于DSP的智能分布式温度调节控制系统》
本文主要阐述了使用DSP器件取代低端的微处理器进行数据采集与处理。
结合CAN总线和USB通信技术。
实现了一种具有网络功能、能运行复杂控制算法、适用范围广的分布式温度调节控制系统。
对系统硬件和软件的设计进行了详细描述。
最后,将该系统应用一个水温控制实验平台进行测试。
经过我的阅读发现很有可实现性,文章具体、详细,适合初学者操作。
1.1系统的总体方案
系统总体方案的实现如图1所示。
每个DSP模块可以对多个通道的温度信号进行调节与控制。
所有DSP模块与CAN总线相连,通过USB—CAN转换器与PC机进行通信。
通过PC机不仅可以监测到所有控制点的温度变化趋势,而且可以将各种控制参数下传到所有DSP控制单元。
1.2DSP的A/D电路
系统的微控制器采用TMS320LF2407,内部集成A/D转换电路引。
但TMS320LF2407的A/D转换电路各通道所能采样的模拟电压的范围为0—3.3V,而本系统温度传感器的输出电压的范围为0~5V,所以需要将O一5V电压再转换为0—3.3V,其他通道采用相同的电路结构。
本系统使用了TMS320LF2407的4个A/D通道ADCIN0一ADCIN3。
1.3DSP的4路数字控制量输出电路
DSP的4路数字控制量的输出采用TMS320LF2407E驯的4个I/O口作为输出,为了提高TMS320LF2407的I/O口驱动能力,使用了总线驱动芯片74HC57。
1.4DSP模块程序设计
DSP模块首先执行系统初始化操作。
主要操作有:
关闭总中断,禁止符号位扩展,将B0块映射为数据存储空间,设置系统时钟频率,打开ADC,EVA,EVB,CAN模块的时钟,清除所有中断标志,打开INT1
文献二:
《基于DSP的智能分布式温室自动控制系统》
本文主要针对目前温室控制的缺点,以提高温室控制的自动化和实用性为目的,设计了一种基于CAN总线和TMS320LF2407的多传感器分布式温室自动控制系统。
介绍了分布式温室控制的基本工作原理,给出了DSP节点硬件电路原理图。
该系统能实现远程网络监控和日志管理,具有广泛的应用前景。
2.1文章关于DSP控制节点原理及电路的设计的介绍
DSP控制节点完成主控和受控双重任务。
一方面DSP采集温度、光强度、C02浓度、湿度信号,分别与预先设定的数值相比较,然后作出加温、制冷、通风、洒水、开灯等操作;另一方面通过0接口向主机传送状态信息,接收主机命令,并对操作和状态信息作相应记录,完成日志管理。
文章介绍的数据链路要完成各DSP控制节点和主控节点有效的信息交互。
主控节点以广播方式在数据链路上轮询各DSP节点,各DSP节点对网络上广播的数据帧信息解码,受领任务,报告各自的状态和控制信息;另一方面,主控节点有控制整个系统的权限,紧急情况下主控节点可通过在数据帧中嵌入控制密码,迅速实现各DSP节点的关闭。
为构建主控点和DSP节点有效的通讯和命令通道,我们结合CAN总线协议,在数据链路中设计了自己的上层协议,采用简单的“命令项+数据项”的帧结构建立了主机和各DSP模块的可靠通信。
文章还介绍了主机和DSP节点交互的信息不多,而且各DsP节点需要的控制选项也较少,因此命令项的长度设定为1字节(可描述128种命令),在数据项里设置数据长度是考虑到CAN总线是短帧传送(数据帧每帧只有8字节),有的命令所需数据可能大于8字节,所以这里设置一个字节长的数据长度栏,使数据参数可达128字节。
接收时只需按上述格式解包数据即可。
TMS320U4o7的CAN模块驱动需要设定位传输速率,邮箱属性域、控制域和数据域,具体方法可参考文档信息。
文献三:
《基于DSP和CPLD的智能锁相控制系统的一种设计方法》
本文主要介绍了一种基于DSP和CPLD的智能锁相控制系统设计方法。
针对锁相环在大、中功率调速系统中的一些缺陷,本文提出了基于数字信号处理器和复杂可编程逻辑器件的控制器和锁相环路的一种新的设计方案,使锁相环具有新兴的控制方法、DSP强大快速的数字处理功能、CPLD的灵活性等优点,提高了整个调速系统的稳定性能。
3.1锁相环工作原理
锁相环包括鉴相器(PD)、环路滤波器(Ⅱ.)和压控振荡器(vCO)三个基本部件。
PD对输入信号Ui(t)和反馈信号uf(t)的相位作比较与运算处理;LF是一个线性低通滤波网络,用来滤除掉Ud(t)中的高频成分和调整环路参数,它对环路的性能指标有重要影响;VCO是一个电压/频率变换装置,它的频率(t)随uZt)变化,一般把它们表示成线性关系。
3.2滤波器
锁相环中的环路滤波器是一低通滤波器。
其实现方法有基于电阻、电容的模拟滤波器;有基于触发器的数字滤波器及软件编程实现的软滤波器。
由于硬件的限制,模拟滤波器不能较好地抑制噪声,精度低;数字滤波器不能针对实际情况作算法上的修改。
调速系统要求有高的动态性能,所以提高环路滤波器的动态性能是克服锁相环本身缺陷的一个重要因素。
由于DSP具有强大的数字信号处理功能和还有专门针对数字信号处理的指令集,所以本系统以软件来实现滤波器。
我们根据输入信号的特征及系统要求的性能指标来确定滤波器的实际算法。
具体设计方法用有限长单位脉冲响应(FIR)滤波算法,由于其系统函数只有零点,除原点外没有极点,所以FIR总是稳定的,同时其实现也非常方便。
(4)控制算法
由于锁相环具有动态性能不够理想的缺陷,所以采用合适的控制算法将是提高个系统动态性能的关键。
针对锁相系统的动态缺陷,本系统采用具有强鲁棒性的双模控制律,大速度误差范围内采用普通的PD控制方法使转速误差迅速变小,当误差进入预先设置的误差带则转入锁相控制,同时在实现控制算法的同时严格注意两种模式切换的平滑性,使锁相环快速捕捉相位而进入环路锁定状态。
阅读此篇文献后我大概对这个表示了一定的理解,但以后还需学习更多控制方向的问题,不然很难完全搞明白。
文献四:
《基于TMS320F2812的机器人控制系统》
本文主要阐述了一种基于TI公司的DSP的运动控制器的设计方法,利用TMS320F2812在运动控制领域的优势,研制出一套硬件开发平台.该平台以2轮移动小车为模型,实现移动机器人在已知地图中的定位导航和避障;上位机采用VC++6.0编写,实现了对机器人运动轨迹的监视和实时数据的采集,在通用工业领域有着很强的实用价值,对于以后的学习有很强的帮助。
4.1TMS320F2812芯片
TI公司的2000系列DSP是专为工业控制领域和机器人控制设计的,其主要优点在于资源丰富,运算速度快,不但能完成现代控制理论或智能控制理论中的一些复杂算法,而且简化了硬件结构和体积,提高了系统的稳定性.而TMS320F2812是TI公司近年来开发出的32位定点DSP,是用于工业控制和机器人控制等领域的目前最高档的DSP之一,它的主要特点如下有:
采用高性能CMOS技术,主频能达到150MHz,时钟周期可达6.67ns;高性能32bit中央处理器,能够再一个周期内完成32×32位惩罚累加运算;片内大容量的存储器(Flash,OTPROM,SARAM,BootROM),具备外部存储器扩展接口;3个3U定时器,其中U定时器和CPU定时器2被保留用作实时操作系统OS,CPU定时器0可供用户使用;具备丰富的外设资源,如EVA,EVB,GPIO,CAN,SCI,SPI,12bitAD
转换器,MCBSP总线,特别是EVM模块,为电机控制创造了极好的条件;具备快速的中断响应能力,最多支持96个独立的中断,能够快速地响应外部异步事件.DSP2812内部结构如下图:
本系统的软件主要是对TMS320F2812编程.为了增加程序的可读性和可移植性,在编写过程中均采用结构化和模块化思想.DSP编程的主要任务包括对电机的PID控制、AD采集、坐标采集、无线通讯、任务调度与执行等各部分的软件均采用语言编写,TI公司提供的S编程环境对语言的编译效率大于90%,极大地提高了开发效率.
4.2信号采集单元
为了准确地定位和导航,移动机器人所需要知道的自己在地图中的坐标、姿态、走过的路径信息、周围的障碍物状态等信息,均由安装在移动机器人本体上的传感器所获得传感器包括差动式旋转编码器、红外接近开关、超声测距传感器,以及各种微动开关旋转编码器用于获取机器人的坐标、姿态以及运动速度等信息;超声测距传感器用于监测周围的障碍物的距离;微动开关用于检测移动机器人上
其他电机的运行状态.所有的数字量输出均采用光电耦合后输入到DSP2812,模拟量均通过阻容滤波后再输入DSP2812的AD转换单元.超声测距传感器与DSP的通信采用I2C总线,DSP上的I2C接口通过GPIO模拟实现。
4.3通信单元
本系统中介绍的移动机器人与上位机的通信和移动机器人之间的通讯均采用采用SCI方式.TMS320F2812具有2个SCI模块,分别为SCI2A和SCI2B.通信模块采用NRF905无线模块,工作频率433MHz,传输距离可达1200多m,基于FSK的调制方式,采用高效通信协议最高传输速率为19.2K自动过滤噪声[5],减轻了中央处理器的负担,DSP2812通讯接口电路图如下:
文献五:
《高精度LD功率自动控制系统设计》
本文讲述了一种基于DSP技术和PID算法的自动控制方法,来控制半导体激光二极管的驱动电流以实现对其输出功率。
与传统法来实现激光二极管输出功率控制的方法相比,DSP技术与PID算法的应用能有效提高稳定性。
介绍了系统的硬件结构和软件流程,并对其主要功能模块的原理进行了分析。
半导体激光器(LD)具有单色性好、方向性好、体积小、光功率利用率高、工作电压要求较低,使用方便、价格低廉、光路结构简单等一系列优点,在光纤通信、计算机光驱、教学设备、医疗器械、测量仪器等方面有广泛的应用⋯。
而半导体激光二极管的工作物质是PN结,其工作特性极易受环境因素。
特别是温度的影响,所以LD的输H{波长、阈值电流及输出功率的稳定性对温度都非常敏感。
而且随着使用时间的延长,激光管会老化,从而导致其输出功率的不稳定。
为了使激光管的输出功率稳定,人们一般采用运放电路为其提供一个带反馈的驱动电流的方法.但这种方法的控制灵敏度和控制精度都不够高。
为此.本文提出了一种基于DSP芯片,利用PID算法控制激光二极管驱动电流的方法,该方法有很高的控制精度和灵敏度.大大的改善了激光二极管功率自动控制系统的性能。
对于以后偶们学习光电激光传感器有很大帮助,控制系统结构监测LD背向输出光功率的PIN光电二极管发生光电转换产生与LD输出功率成线性关系的电流,通过电流转电压电路.再通过AD转换模块转换为数字信号,AD转换器的精度直接影响控制系统的控制精度。
数字信号送到DSP处理器,将其与需要的输出光功率对应的数值电压值进行比较,调用PID算法处理,然后通过DA转换。
通过电压转电流电路模块,将处理后得到的电压值转换为激光二极管的驱动电流.形成一个闭环的控制系统,以得到稳定的输出光功率。
其中,算法的系数调节由PC机通过串行口传输到DSP。
5.1TMS320F2812及DA转换
本设计采用的DSP处理器是美国TI公司的TMS320F2812,该芯片采用高性能静态CMOS技术,主频150M,运行速度高,处理能力强大,内部集成了l6个通道的12位AD转换器。
这在很大程度上简化了系统外围电路的设计,且l2位的转换精度能够检测到输出光功率0.02%的变化.使系统有很高的灵敏度。
DA模块选用AD公司的AD7237,它是有双通道,12位的转换精度的DA转换芯片。
若激光二极管驱动电流的最大值为100mA,则控制精度可以达到:
002mA,有很高的控制精度。
5.2PID算法
PID算法是连续系统控制理论中最为成熟,应用最广泛的一种控制策略。
它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立和参数调整方便等优点。
其中参数P是比例系数.反映偏差信号,增大P可以提高系统动作的灵敏速度,但过大会引起系统的振荡;参数I是积分系数,主要用于消除静态误差,提高系统的无差度;参数D是微分参数,能反映偏差信号的变化趋势,可作早期修正信号,加快系统的动作速度,减小调节时间PID的一般表达式为:
(t)=Kpe∽dr+K,Tod~t)
5.3软件设计
DSP控制程序部分采用C语言编写,其流程如图所示:
首先系统初始化,包括事件管理器(EV)的部分寄存器的设置,AD转换通道的选择的设置和AD部分寄存器的设置;然后通过串行口与PC机通信,PC机给定参考驱动电流和PID的参数;通信成后启动AD采样,将转换后的数据与PC机给定的值相比较,调用PID算法程序对偏
差进行处理;再用输出结果去控制激光二极管的驱动电流。
PC机上的操作界面采用VC编写,通过交互式罔形界面进行人机交流,操作简单,直观。
小总结:
激光二极管的输出功率受环境的影响较大.本设计在应用DSP技术的基础上.引人了PID控制算法.通过数字调制来控制激光二极管的驱动电流。
和传统的模拟调制相比.本系统有较高的灵敏度和控制精度.在半导体激光二极管的输出功率控制上有很好的应用前景。
文献六:
《基于DSP+ARM的发电厂多通道热工监测与智能控制系统》
本文阐述了一种适用于发电厂的基于DSP+ARM的新型多通道热工监测与智能控制系统.硬件采用高速DSP芯片和高性能ARM微控制器作为核心器件,DSP承担热工数据实时检测和自动控制指令执行,ARM承担数据的分析、综合、管理和自动控制指令的产生,DSP与ARM之间采用基于HPI的通讯方式.DSP的软件采用C语言开发,固化在DSP系统的Flash存储器中,ARM的软件基于嵌入式Linux操作系统使用c++语言开发,嵌入式Linux操作系统和管理软件均固化在RAM系统的Flash存储器中.该系统能够实时、全面、高精度监测、管理和智能控制热工参数,既可以独立运行,也可以作为大型发电厂热工监测与智能控制系统的局域系统.
随着电子技术特别是微处理机的飞速进步,
DSP和ARM微处理器的发展和普及已使其广泛应用于国民经济的各个部门[3].热工监控装置向微小化、集成化、智能化方向发展.同时随着计算机技术、通讯技术、图形显示技术和信息管理技术的发展,基于计算机网络的热工参数监控系统开始大量进入火电厂.为适应发电厂热工自动化发展趋势,特研制了一种基于DSP+ARM的新型发电厂多通道热工监测与自动控制系统.该系统的硬件实现采用高速DSP芯片和高性能ARM微控制器作为核心器件,分别构成DSP系统和ARM系统.DSP系统承担热工实时检测和自动控制指令执行,ARM系统执行数据的分析、综合、管理和自动控制指令发生,DSP系统与ARM系统之间采用HPI通讯方式.该系统的软件实现采用C和C++语言进行开发,DSP系统中的软件采用C语言开发,固化在DSP系统的Flash存储器中,ARM系统中的软件基于嵌入式Linux操作系统使用c++语言开发,嵌入式Hnux操作系统和管理软件均固化在RAM系统的Flash存储器中.该系统能够实时、全面、高精度监测、管理和自动控制热工参数,既可以自成独立的热工监测与自动控制系统,也可以作为大型发电厂热工监测与自动控制系统的局域系统.本文主要分析其硬件实现和软件实现的方法和技术,以及阐述其主要功能和特性.
6.1DSP系统构成
DSP系统包括A/D转换单元、锁相同步单元、数据处理单元DSP、程序存储单元FLASH、数据存储单元SDRAM、逻辑控制单元CPLD等,其结构如下图所示
模拟信号经传感器隔离变换,并经过滤波、放大环节后,进入A/D采样通道.A/D转换芯片采用1片AD8364,在锁相同步单元发出的采样控制信号的触发下对12路模拟信号进行采样,每个周期采样256点.选用的AD8364是6通道l6位的高速度、高精度同步模数转换芯片,单通道最高转换时问为4s.该芯片对各路的采样是同步的,可以准确反映模拟信号之间的相位关系,并且l2个通道采样结果的读取可编程控制的,这样可以灵活地安排输入信号的顺序.开关信号直接经放大环节输入到DSP.DSP芯片选用高速浮点DSP芯片,负责从A/D接受采样数据,根据固化在程序存储单元FLASH中的程序进行各种计算,并把计算结果保存在数据存储单元SDRAM中以及输出到16位数据总线上.
6.2ARM系统构成
ARM系统包括IDE接口单元、串口(标准RS232接口)单元、USB(主)单元、以太网接口、VGA接口、LCD、PS2接口以及通用I/O接口,其结构如图1右所示.IDE接口用于接入硬盘等存储器,可根据需要选择不同容量的存储器,完备的接口可以与外界实现各种通讯,LCD实现了现场监测,VGA接口为大屏幕显示提供了条件.ARM芯片采用内核为ARM920T的RAM芯片,它提供了丰富的接口.
文章还为我们提供了详细的系统划分,为DSP系统软件部分和RAM系统软件部分.RAM系统软件部分又分为初始化和参数设置子系统、DSP数据读写子系统、应用业务处理子系统、显示子系统4个主要子系统.DSP系统软件和RAM系统软件分别固化在DSP系统及RAM系统的Flash存储器中。
6.3DSP系统的软件开发
DSP系统中的软件程序采用C语言与汇编语言混合编程.程序使用模块化设计,主要包括采集程序、计算程序和通讯程序.采集程序流程框图如图4所示,采集程序在总采集时问到后,以数据就绪标志通知计算程序可以提取数据用于计算.
小总结:
本文介绍的一种基于DSP及ARM微控制器的新型多通道热工监测与智能控制系统,采用高速浮点DSP技术,确热工检测的高精度,采用ARM技术作为控制系统的硬件平台,以及采用嵌人Linux系统作为应用软件的开发平台,确保了热工监测与自动控制系统开发的方便性.该系统充分利用了现代微电子技术发展的最新成果,具有高精度、先进性、智能性、集成性的特点,功能非常齐全,检测精度高,性能优越,具有很好的实用性,为将电气监控纳人热工自动监控系统提供了很好的物质基础.
文献七:
《基于DSP的智能电动轮自卸车数据采集系统的设计》
本文主要论述了以数字信号处理器(DSP)作为控制核心,开发了智能电动轮自卸车的数据采集系统:
分析了系统的体系结构;给出了测速电路、开关量电路、交流采集电路;介绍了速度计算和模拟量同步采样与计算的软件实现方法;讨论了系统的抗干扰措施。
7.1数据采集系统的硬件设计
TMS32OF28l2是TI公司最新推出的一款32位定点高速DSP芯片。
采用8级指令流水线.主频可达150MHz(每秒钟可执行1.5O亿条指令).保证了数据处理的实时性和快速性片内集成128k的16位Flash存贮器、18k的RAM存贮器.有56个独立可编程的通用输人输出接口fGPIO)。
F2812芯片外设资源丰富,包括l6路12位转换模(ADC).16路PWM输出、3个32位通用定时器、具有多种串行通信接口f2个UART,1个SPI及1个MCBSP)、改进的eCAN2.OB接口模块并配有专用的电机控制的事件管理器模块(EVA和EVB)。
该DSP能工作在一40~85oC的环境下.特别适合于电动轮自卸车在矿山的恶劣工作环境。
数据采集系统是自卸车控制系统的一个子系统.该子系统的软件主要包括:
DSP系统初始化、开关量采集、速度的计算、模拟量的同步采样与计算、数据传输和数据管理等模块利用DSP提供了Flash和RAM存储器.可加快程序的运行.方法是将编好数据采集程序拷贝到Flash存储器中.程序运行时加载全部中断程序到RAM中运行.每次执行中断程序直接从RAM取出指令即可系统初始化主要完成整个系统硬件部分和参数的初始化工作。
包括CPU工作初始化、EV模块初始化、中断向
量及中断初始化、串口(通信Modbus协议)初始化等。
开关量采集比较简单.采用定时扫描渎取即可实现。
文献八:
《基于DSP的机车柴油机智能检测系统设计》
本文阐述了针对目前机车柴油机检测系统复杂、精度低、昂贵的现状,基于Motoro1a16位DSP56F807和LabVIEW8.2语言设计了一种新的机车柴油机的检测系统。
该系统将传感器和外围电路探测到柴油机的各系统参数,通过DSP数据处理芯片进行多通道采集,再由接口电路传入PC,由LabVIEW程序进行数据处理和转换,并通过人机界面在线输出,以达到直观的观察机车柴油机的运行状况和各参数变化趋势。
8.1信号采集电路设计
输入信号采集电路的传感器信号有两种:
一种是模拟信号;另一种是数字信号。
信号的类型不同,处理方法也不一样。
从传感器输出的模拟信号,首先通过模拟信号处理电路,进行滤波、电压调整,使其输出范围接近0-3.3V,然后输入EVM板的AN)接口,由A/D转换器转换成数字信号之后再输入DSP。
图2为模拟信号高电压处理电路。
数字信号经过数字信号处理电路,进行滤波、整形,转换成标准的方波信号,经Timer接口输入DSP。
8.2基于DSP的柴油机的软件系统设计
DSP56F807的各个功能模块设计
(1)模数转换A/D功能模块。
DSP56F807有两个模数转换器ADC功能模块,每个ADC包括8个输入通道、2个独立的采样保持电路。
8个输入通道分为两组:
AN0~AN3为一组,为ADCA的引脚;AN4一AN7为另一组,为ADCB的引脚。
每组都有各自独立的一个采样保持电路。
通过属性窗口选挥确定ADC模块的属性参数。
方法和事件的激活可通过鼠标点击实现。
(2)BitIO模块的主要属性设置如下:
1/O引脚选择,方向选择Direction,初始化方向Init.Direction,初始值Ink.Value。
(3)Timer/nt功能模块及其(MInten'apt事件激活后,Onlntermpt事件就按用户设定的时间周期性地产生中断。
(4)串行接口SCI用于DSP和PC或其他CPU通信,DSP56F807的SCI是一个通用的异步接收器/发送器类型的异步通信接口,通过RS232等串行通信协议与主机系统(如PC、终端等)通信。
文中使用接收缓存满事件OnFullRxBuf进行上位机侮差指令的接收与处理,使用块接收RecvBlock方法进行数组的接收,使用块发送SendBlock方法进行数组的发送。
(5)Capture功能模块执行的是定时器Timer的捕捉功能。
Capture的事件一般使用捕捉中断Oncapture捕捉脉冲沿之间的内部时钟周期数,以得到事件的时间间隔。
8.3DSP的串口发送程序设计
由于SCI中传输数据为8个二进制位而AD采集数据为l2位数据占据i~4"-字节,所以在发送到SCI传输前需要将12位数据分为两个字节,即高8位和低8位依次顺序发送。
文献九《基于DSP的汽车仪表板数据采集系统的研究》
本文介绍了基于CAN总线、以TI公司的TMs320LF24O7DsP为核心的汽车组合仪表及其显示系统的实现方案。
阐述了该系统的硬件设计与软件实现。
对于研究智能车很有帮助。
仪表采用TI公司的TM$320LF2407DSP。
内嵌CAN控制器模块、模数转换模块、事件管理器模块,减少了外围电路,降低了系统设计成本。
TMS320LF2407DSP内置CAN模块方便了CAN总线数据的传输。
同时使仪表的通信容易实现,提高了可靠性。
TMS320LF2407DSP采用高性能的静态CMOS技术加少了控制器的功耗。
30M1IX5的执行速度使得指令周期缩短到33ns,从而提高了控制器的实时控制能力。
CAN控制器模块是一个完全的CAN控制器,该控制器是一个l6位
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