DSP在嵌入式閥門控制器中的應用

劉佳昕，劉 軍

（1.西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 611756；2.西安航天動力研究所 陜西 西安 710100）

閥門控制器用于實現電磁閥、減壓閥、比例閥等多種閥門的狀態控制和測量，在閥門的控制過程中控制器不僅完成閥門狀態的控制，同時還采集閥門工作的狀態（如工作電壓、電流）信息，以及被控狀態信息（如控制回路中的壓力、溫度和流量等）。對于不同的閥門控制需求不同，控制形式主要包括開關控制、開度控制和PWM頻率控制。閥門控制器同時具有串行通訊功能，通過串行通訊將測試數據上傳到上位機，進行顯示和存儲，同時可通過接收上位機的開關量指令或串行通訊指令實現控制啟停、和閥門選擇等。

閥門控制器設計采用了DSP處理器為核心的嵌入式系統設計方案。

1 DSP芯片TMS320F2812簡介

嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，其以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟、硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積功耗等嚴格要求的專用計算機系統。一般而言，嵌入式系統的構架可分為4個部分：處理器、存儲器、輸入、輸出（I/O）和軟件[1]。

嵌入式系統的核心部件是嵌入式處理器。

數字信號處理器（Digital Signal Processor，簡稱 DSP）是微電子學、數字信號處理、計算機技術綜合研究的成果。DSP實際上就是一種單片機，集成高速乘法器，具有多組內部總線，已廣泛用于嵌入式系統。

TMS320F2812是TI公司推出的基于TMS320C2xx內核的32位定點DSP芯片，具有精度高、速度快、集成度高等特點，為不同的控制領域提供了高性能的解決方案。歸納起來，TMS320F2812具有以下特點[2]：

1）采用靜態CMOS技術，主頻達150MHz；

2）高性能32位CPU;

3）片內集成了 128kB的 Flash存儲器，4kB的引導ROM，數字運算表以及2kB的TOP ROM。

4）16通道高性能12位ADC，包含兩個采樣保持電路，可實現雙通道信號同步采樣；

5）具有兩個與F240xA兼容的事件管理器；

6）串行通訊外設包括SPI接口、兩個UART接口模塊、增強的eCAN2.0B接口模塊和多通道緩沖串口。

7）具有128位密碼保護機制。

2 處理器系統設計

根據閥門控制器功能需求，設計上采用了基于TMS320F2812的嵌入式處理器系統設計方案[3，6-7]。

因為閥門為感性負載，其驅動信號為大電流開關信號，極易對周圍電路造成干擾，因此處理器系統總體上采用隔離設計，即要求輸入輸出電路、通訊電路、處理器電源采用隔離設計。

2.1 處理器及外圍電路

處理器及外圍電路模塊由DSP處理器、外部存儲器、A/D轉換電路、D/I及D/O接口電路、通訊接口電路、電源電路及相應的保護電路組成，是控制器的主控單元和控制的執行單元，完成模擬量和開關量的輸入輸出、數據通訊、任務控制和狀態控制。完成任務調度、控制、測量、數據處理，并將測試結果上傳給上位機。

2.2 主要功能

處理器系統實現以下功能：

1）上電后可進行自檢，對存儲器狀態、A/D狀態、D/I及D/O狀態進行檢查，并向上位機上傳自檢信息；

2）接收并識別上位機控制指令，控制相應的閥門工作；

3）實時采集電磁閥工作電壓、電流信號和壓力傳感器、溫度傳感器信號，并上傳；

4)具有串行通訊功能，滿足CAN2.0B標準。

2.3 設計實現

DSP處理器硬件系統包括最小硬件系統和外圍接口電路兩個部分，其中DSP最小硬件系統包括復位、時鐘、電源及存貯器接口電路等[3]。外圍接口電路主要包括通訊電路、I/O接口電路、A/D輸入電路等。電路設計分析如下。

2.3.1 DSP最小系統電路

DSP最小系統電路[6-7]包括存儲器擴展電路、復位電路、電源電路等，是處理器系統的核心。

2.3.1.1 復位電路

DSP復位電路參如圖1所示。利用電容電壓按指數規律上升或下降的特性產生復位脈沖，復位脈沖寬度取決于RC值。為保證DSP位，復位脈寬應不低于100 ms。二極管V1起保護作用，并在掉電時加速電容儲能的釋放，確保可靠復位。

2.3.1.2 存儲器擴展電路

圖1 復位電路Fig.1 Reset circuit

DSP內部包含128 kB的Flash存儲器，可用于程序、數據存儲要求；為滿足調試及大數據要求，外擴64 kB非易失存貯器。

外擴64 kB非易失存貯器利用DSP自身的高速同步串行輸入輸出接口SPI實現，其中片選信號采用I/O口控制。設計電路如圖2所示。

圖2 存貯器電路Fig.2 Register circuit

2.3.1.3 處理器電源電路

處理器電源分兩種，即I/O電源 （DVdd）和內核電源（CVdd），分別為+3.3 V和+1.8 V雙電源，采用DC/DC變換器和線性電源芯片TPS70351、線性穩壓器MSK5101實現。

處理器電源電路設計中著重考慮了以下幾點：

1）使DSP芯片的I/O和其內核按序上電，即內核電源DVdd先加電（+3.3 V），I/O 電源 CVdd（+1.8 V）隨后加電；

2）保證DVdd和CVdd間壓降≯2 V；

3）DSP系統數字部分和模擬部分獨立供電，單點共地。

DSP處理器電源電路如圖3所示。

圖3 DSP處理器電源電路Fig.3 DSP processor source

2.3.2 DSP處理器外圍電路

DSP處理器外圍電路主要包括端口保護電路、D/O、D/I接口電路、通訊電路等。

2.3.2.1 模擬量輸入端口保護電路

DSP片內ADC輸入電壓范圍是-0.3～3.6 V，信號超出范圍將導致ADC模塊損壞，甚至損壞處理器，因此須對A/D輸入端口進行保護，電路參如圖4所示。

圖4 模擬輸入保護電路Fig.4 Analog input protect circuit

RC濾波電路濾除信號上的尖峰干擾，V1，V2組成電壓限幅電路。ADC輸入保護電路必須與DSP芯片同PCB板放置。

2.3.2.2 D/O、D/I接口電路

數字接口電路主要實現信號的隔離和I/O口匹配，完成3.3 V邏輯電平與5 V邏輯電平的轉換。信號隔離器件采用光電耦合器；電平轉換器件采用LVCH系列緩沖驅動器。圖5分別為D/I、D/O接口電路。

2.3.2.3 CAN通信接口電路

TMS320F2812片內集成了增強型CAN總線通訊接口，該接口最高支持1 Mbps的總線通訊速率，與CAN2.0B標準接口兼容。控制器CAN總線接口作為子節點設計，工作在正常模式下。接口芯片采用TJA1040T收發器芯片。在接口芯片與DSP接口間采用高速雙向光耦實現信號隔離，以減小信號的失真、誤碼、實現信號傳輸中的阻抗匹配，確保數據可靠傳輸及系統工作的安全性。

CAN接口電路設計如圖6，包括電源，隔離電路和接口電路。CAN信號光電隔離器采用ADI公司的兩通道雙向光電耦合器AduM1201，轉換速率要求不低于10 M，兼顧信號隔離和高速通訊的要求。為確保數據的可靠傳輸，總線上增加了保護電路。

2.4 設計中應注意的其他問題

處理機系統為實現較高性能和可靠性，設計中還應注意以下幾點：

圖5 DI/O信號隔離電路Fig.5 DI/O isolate circuit

圖6 通訊接口電路Fig.6 Typical CAN Transceiver Schematic

1）為提高DSP芯片ADC轉換精度，建議采用精密外部基準代替芯片內部基準。基準芯片可采用ADR440BRZ[4-5]。

2）在采用外部基準的情況下，軟件設計應保證在屏蔽內部基準的情況下，再接通外部基準。即內部基準和外部基準不能同時有效[5]。

3）ADC變換在輸入信號范圍兩端 （及 0～100 mv，2.85～3.3 V）精度較低，應通過前端信號調理，盡量避免輸入信號在范圍邊沿。

4）處理器系統需保證全面隔離。

3 結 論

采用DSP芯片TMS320F2812處理器為核心設計的嵌入式閥門控制器，在處理機電路設計中基于芯片特點和控制需求，并綜合考慮了可靠性要求。設計中針對電路電源、信號端口保護、隔離采取了必要的措施，提高了處理機系統可靠性，實現了控制器嵌入式處理器設計。

[1]鄔可軍.DSP實時多任務操作系統設計與實現 [M].北京：電子工業出版社，2005.

[2]蘇奎峰.TMS320F2812原理與開發[M].北京：電子工業出版社，2006.

[3]張雄偉.DSP芯片的原理與開發應用[M].3版.北京：電子工業出版社，2006.

[4] TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812 ADC Calibration （Rev.A）.TEXAS USA:Texas Instruments.[EB/OL].（2004-11-30）.http://www.ti.com.cn/dsp/cn/docs/dspsup porttechdocs.

[5]TMS320x281x Analog-to-Digital Converter（ADC）Reference Guide （Rev.C）.TEXAS USA:Texas Instruments.[EB/OL]（2004-11-30）.http://www.ti.com.cn/dsp/cn/docs/dspsupport techdocs.

[6]TMS320F2810，SM320F2812-HT Digital Signal Processor Data Manual，Literature umber:SGUS062.TEXAS USA:Texas Instruments.[EB/OL].（2009-06）.http://www.ti.com.cn/dsp/cn/docs/dspsupporttechdocs.

[7] TMS320F2810， TMS320F2811， TMS320F2812，Digital Signal Processors Data Manual，Literature Number:SPRS174O， TEXAS USA:Texas Instrument.[EB/OL].（2007-