基于ＤＳＰ的導引頭伺服平臺控制器系統電源設計

摘 要：由于目前高性能DSP系統在降低功耗的同時必須考慮其外圍器件的電源特性，所以對DSP系統電路提供電源時必須要考慮到DSP兩種電壓的供電特性。介紹一種基于DSP的導引頭伺服平臺控制器電路的電源設計方案。詳細給出采用高效率的電壓轉換芯片為DSP提供核電壓、I/O接口電壓的應用電路；并設計電源監控與復位電路，以確保供電系統的穩定、可靠和高效。測試表明該電源系統具有較強的實用性和通用性，可以應用于一般的數字伺服控制系統。

關鍵詞：電源；伺服控制器；DSP；電源監控

中圖分類號：TJ765.3，TP368.1 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1804104

Design of Power Supply for Servo Platform Controller of Seeker Based on DSP

DENG Zhiping，ZHANG Yongke，PENG Xiaole

(Institute 209 of China Ordnance Industry，Chengdu，610041，China)

Abstract：Besides lowing the power consumption of DSP chip，considering the voltage characteristics of external circuits are also important，so two types of voltage of DSP chip in designing power supply for high performance DSP system are considered.In this paper，a design solution of power supply for servo stabilized platform controller of seeker based on DSP is presented.A scheme of circuitry with efficient LowDropout Voltage Regulator which supplies power for kernel voltage and I/O voltage of DSP is given in detail.Further more，the circuitry of power monitor and control is given which can guarantee the power supply system to be stabilized，reliable and efficient.Experiments show that the power supply system has high practicability and universal property，it can be used in general digital servo control system.

Keywords：power supply；servo controller；DSP；power monitor and control

成像導引頭伺服穩定平臺是保證導引頭視軸穩定的主要裝置，用于隔離載體的振動，并克服載體姿態變化對跟蹤系統的影響，同時要在控制指令的驅動下完成對目標的捕獲和跟蹤^［1］。導引頭伺服穩定平臺必須具有較好的隔離度和足夠高的跟蹤精度以及跟蹤速度。導引頭在搜索、捕獲、跟蹤等不同階段對其伺服控制系統提出不同的控制算法要求，而且導引頭還要求在較寬的溫度范圍內工作。數字伺服控制系統可以方便靈活地對控制算法進行改變，使用數字伺服控制系統能很好地滿足對導引頭控制的要求^［1］。這里選用DSP作為伺服控制器的處理器。

導引頭伺服平臺控制系統屬于高精度控制、測量以及運算于一體的脫機控制系統，其工作頻率高，數據吞吐大、功耗也相對較高，因此電路供電系統的設計將直接影響到系統的穩定性和控制精度。所以設計高效率、高性能的供電系統具有重要的現實意義^［2］。其中，伺服控制器系統DSP的電源設計是很關鍵的部分。為了提高導引頭的跟蹤精度，改善伺服平臺的伺服控制穩定性，而且現在很多先進算法的應用，例如基于神經網絡的PID控制、非線性控制算法等，與傳統PID控制相比，這些算法對處理器的運算能力都提出了更高的要求。

通過對導引頭伺服平臺數字控制器進行需求分析，以及對硬件性能方面的比較之后，本系統電路的處理器選用TI公司的TMS320F2812。這是一款用于數字控制處理領域的高性能數字信號處理器，最高工作頻率可達150 MHz，是目前廣泛用于電機控制領域的32位定點DSP芯片。乘法運算是CPU運算中最費時的一種運算，在處理乘法運算方面，F2812的CPU集成了一個16×16位的硬件乘法器，能夠很方便地進行16×16位和32×32位的乘法運算。F2812具有數字信號處理能力、強大的事件管理能力以及嵌入式控制功能。導引頭伺服控制器的硬件組成框圖如圖1所示。

1 本系統的電源要求

在進行電路系統的電源設計時，首先必須要將整個系統的其他部分確定，而且器件型號均選好，獲得所需的功率、電流、電壓大小等信息，從而決定電源系統所選用的器件，并采用合適的方案實現。

圖1 導引頭伺服平臺控制器硬件結構框圖伺服平臺控制器電路中用到的電源有+15 V，-15 V，+10 V，-10 V，5 V，3.3 V，2.5 V，1.8 V。在電路中，DSP選用的是TI公司的TMS320F2812，CPLD選用的是 XILINX公司的XC95144XLTQ144。DSP需要1.8 V和3.3 V電壓，CPLD需要3.3 V電壓供電，通信模塊和外部存儲器等芯片需要3.3 V電壓供電；A/D需要2.5 V的基準電壓；D/A需要專門的參考電壓電路給其提供+Vref，-Vref。+15 V，-15 V，5 V電壓直接由穩壓電源提供。

F2812的I/O接口電壓是3.3 V，但其他外圍電路有5 V和3.3 V的器件，因此在DSP系統中，經常有5 V和3.3 V電壓與DSP的混接問題。在這種情況下，應注意：

（1） DSP輸出給5 V的電路（如D/A），無需加任何緩沖電路，可以直接連接；

（2） DSP輸入5 V的信號（如A/D），必須要將5 V信號變換成3.3 V的信號；

（3） 仿真器的JTAG口的信號也必須為3.3 V，否則有可能損壞DSP。

F2812需要2種電源，即核電壓和I/O接口電壓，核電壓是1.8 V（或1.9 V），I/O接口電壓是3.3 V。在電路上電和掉電時必須考慮它們的配合問題：在上電時，要保證I/O先于核電壓，最起碼兩者同時上電；同樣，在關閉電源時，保證內核先于I/O，最起碼兩者同時掉電。

為了保證DSP芯片在電源未達到要求的電平時，不會產生不受控制的狀態，所以有必要在系統中加入電源監控和復位電路。由該電路確保DSP芯片在系統加電的過程中始終處于復位狀態，直到核電壓和I/O電壓達到所要求的電平。同時，一旦電源的電壓降到門限值以下，強制芯片進入復位狀態，確保系統穩定地工作。

2 數字電源設計

在系統中存在模擬電路和數字電路供電，模擬和數字電路要獨立分開供電。這里數字電路電源部分主要有DSP的核電壓和I/O接口供電，CPLD的供電。電路中，3.3 V和1.8 V的電壓分別由電源芯片進行轉換，3.3 V的電壓由TPS7333Q提供，1.8 V的電壓由TPS7301QD提供。

DSP穩定工作狀態下，最大工作電流為300 mA，CPLD上電時最大電流為250 mA，另外還有通信模塊、存儲模塊等電路的器件需要+3.3 V電源。TPS7333Q和TPS7301QD的各自輸出調整電路最大都能提供500 mA的電流，在此系統中，由這2片電源芯片提供的最大電流峰值是夠用的。

2.1 1.8 V電壓電路

DSP的1.8 V核電壓電源由TPS7301Q提供，這是一款TI設計的專用于DSP的電源芯片，兩側引腳SO（Small Outline）封裝。由于TPS7301Q用來產生核電壓，在DSP進行上電和掉電的過程中，核電壓和I/O電壓同時上電、掉電。如圖2所示是1.8 V電壓產生的電路連接圖。

圖2 1.8 V電壓產生電路在圖2中，R15和R16的作用是進行電壓偏置，其關系式為R16=(V0Vref－1)×R15。因為TPS7301Q的Vref是1.182 V，若要產生1.8 V的電壓，即V0=1.8V，當R15選定之后就可以根據公式R16=(V0Vref－1)×R15求出R16的值。為了獲得更好地輸入電壓且減少對其他電路的干擾，輸入端需要接等效串聯電阻的電解電容，同時在輸出端也要接電容進行濾波。

2.2 3.3 V電壓電路

在電路中，3.3 V電壓為DSP的I/O，CPLD提供電壓。TPS7333Q和TPS7301QD各自能提供的最大輸出電流是500 mA，其提供的總電流量夠用。TPS7333Q為電路提供3.3 V直流電壓，其實現電路連接圖如圖3所示。

圖3 3.3 V電壓產生電路TPS7333Q的輸出電流是0~500 mA，輸出電壓波動為3.23~3.37 V。當輸出引腳OUT上的輸出電壓低于門限值時，RESET引腳將強行使其復位。TPS7333Q內部的比較器隨時監控輸出電壓值，當輸出電壓<門限值時，RESET信號變成低電平（RESET低電平有效）；當輸出電壓到達門限電壓后，經過200 ms的延時之后，RESET信號變成高電平。

為了獲得更好地輸入電壓且減小對其他電路的干擾，5 V電壓輸入端必須并接電容進行濾波。在調試中發現，為了達到更好的性能，在輸出端也分別需要接小電容值的電容進行濾波。無論電路是否有專門的地層和電源層，都必須在電源和地之間加一定的并且分布合理的電容，進行濾波。濾波電路用于濾除輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載并聯電容器C，或與負載串聯電感L，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路。由于電抗元件在電路中有儲能作用，并聯的電容使負載電壓比較平滑，具有平波的作用；與負載串聯的電感使負載電流比較平滑，有平波作用。電感相當于一個低通濾波器，能濾除高頻噪聲，電感的選擇主要決定于電源中高頻噪聲的成分。

2.3 電源監控與復位電路

在DSP系統中，系統的時鐘頻率較高，在運行時極有可能出現干擾和被干擾現象，嚴重時系統可能會出現死機。為了克服這種情況，除了在軟件上做一些保護措施外，硬件上也必須做相應的處理。硬件上最有效的保護措施就是采用具有監視(Watchdog)功能的自動復位電路。在DSP的應用系統設計中，一個好的復位電路能有效提高系統的可靠性和抗干擾能力。

這里選取的復位芯片是MAX706。MAX706監控芯片是Maxim公司生產的具有代表性的多功能微處理器監控電路。MAX706具有上電自動復位，當電源電壓超過復位門限以后，復位低電平維持200 ms；具有人工復位輸入，復位按鍵彈起后，復位脈沖維持200 ms；獨立的看門狗電路，定時時間為1.6 s；確保在電源低至1.0 V時，復位輸出仍有效；MAX706為5.0 V電源供電，低電平復位輸出，復位門限為4.4 V。在系統上電、掉電、復位按鍵按下以及電源電壓降低的情況下，復位比較器能夠保證輸出準確可靠的復位信號。

在調試整個DSP系統電路時，要用仿真器將DSP開發板（通過JTAG接口)與計算機進行連接，這樣所編寫的程序才能寫入DSP開發板，以及在計算機上通過CCS調試DSP開發板。每次調試程序都必須經過JTAG仿真器將程序裝載到開發板中，在裝載過程時間可能大于看門狗電路的復位時間(1.6 s)，這時候必須要保證看門狗不啟動，否則會將DSP的復位引腳拉低，導致連接錯誤、工作失常。為保證DSP系統調試與工作正常，在電路中做如下改進，在MR與WDO之間加上1個跳針（J5），在每次加載程序時將跳針斷開，關閉看門狗功能；正常運行時將跳針短路，即實現看門狗的功能，圖4是其實現電路。

圖4 監測與復位電路3 參考電源設計

電路中需要為A/D和D/A提供參考電壓。AD7863需要2.5 V的參考電壓，DAC7724需要+10 V，-10 V的參考電壓。其實現電路為圖5所示。要保證A/D的轉換精度以及D/A輸出模擬信號的精度，必須要求參考電源和模擬電源盡量“干凈”，這對于保證整個系統的精度和可用性是至關重要的。因為一般的電阻都有一定的誤差，所以必須在實際的電路中加入可調電阻來調整參考電壓的輸出值，這樣來保證精度。

圖5 A/D，D/A的參考電源電路同樣在REF01和OP27的供電電壓輸入端，+10 V，-10 V，2.5 V電壓的輸出端都要加濾波電路進行濾波。電路中2.5 V的電壓是通過在+Vref輸出端設計一個偏置電壓電路，通過調整VR3來得到+2.5 V的電壓。

4 結 語

（1） 本文從總體上介紹基于DSP的導引頭伺服控制器電路系統的電源設計。重點是F2812 DSP雙電源解決方案，主要是從具體的電源要求，如最大輸出電流、輸出紋波電壓、電源效率、輸出電壓精度等方面進行分析和設計。從測試的結果可以看出，本文中設計的電源系統具有較強的實用性，能夠滿足導引頭伺服控制器系統的需要，同時還可以移植到一般的伺服控制系統中使用。

（2） 在布線時，為DSP提供電源的兩個電源模塊盡可能靠近DSP，這樣可以減小線路阻抗、電感以及兩個輸出地之間的地線回路電流。這個地線回路電流會產生EMI干擾，而這種干擾會影響回路中的任何電路，為了盡可能地避免這個問題，電源管理模塊的地線必須與DSP的地線直接連接。在電路中，模擬地和數字地分開，但最后通過一電感相連。

參 考 文 獻

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［8］高鵬，安濤，寇懷成.Protel 99入門與提高［M］.北京:人民郵電出版社，2000.

作者簡介 鄧志平 男，1983年出生，湖北監利人，碩士研究生。研究方向為導引頭伺服控制系統。

張永科 男，1963年出生，四川邛崍人，研究員。研究方向為成像導引頭、圖像處理。

彭曉樂 男，1964年出生，四川成都人，研究員高工。研究方向為成像導引頭、伺服控制系統。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文