隨著微機控制技術的廣泛應用以及控制系統(tǒng)復雜性和實時性要求的不斷提高,很多控制系統(tǒng)都對高速、多功能、大容量控制器的被控對象提出了各種要求控制.尤其是在工業(yè)應用領域中,系統(tǒng)需要快速地完成大量數(shù)據(jù)的采集和處理以及控制信號的接收和發(fā)送等諸多功能,這樣,一般的單片機系統(tǒng)很難滿足要求.因此,如何設計一個實用、經濟、合理的高性能控制系統(tǒng)已成為設計的關鍵.

1 PSD芯片說明

對于一個單片機系統(tǒng),如果采用常規(guī)的RAM、ROM和邏輯器件分離的系統(tǒng)連接方式,必定會使整個控制電路過于龐雜,從而給設計和調試帶來很大的困難,同時也會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性.而美國WSI公司生產的可編程外圍邏輯器件PSD系列芯片內集成有EPROM、SRAM和PLD陣列等部件,它將單片機所需的多個外圍芯片集成在一個芯片內,從而大大地簡化了硬件電路的設計,減少了印制電路板的面積,縮短了開發(fā)周期.圖1是PSD3系列器件的組成結構.

從圖中可以看到PSD3XX內部有256k位到1M位不等的EPROM,它們被均勻地分為8個相同大小的區(qū),每個區(qū)都有相應的選擇信號,通過 PSD中PLD譯碼部分可產生相應的選擇信號.還有一些主要的功能部件,如多個單獨可配置I/O端口、兩個可編程陣列(PAD A和PAD B)、16k位靜態(tài)RAM等.對于較大的系統(tǒng),還可以通過水平級聯(lián)(以增加總線寬度為特點)或垂直級聯(lián)(以增加子系統(tǒng)深度為特點)等方式并配置多個 PSD3XX來完成.PSD3XX可以和多路復用或非多路復用總線的16位微控制器接口.并支持多種MCU,例如Intel的80196、 80386EX,Motorola的68HC16、683XX,Philips的80C51XA以及AD公司的ADSP2105等.如此大的儲存空間和功能單元極大地方便了單片機的嵌入式設計,同時地為用戶提供了更為簡單靈活的解決方案.圖2是常規(guī)的單片機系統(tǒng)和由PSD組成的系統(tǒng)進行硬件結構比較的示意圖,可見運用PSD后,系統(tǒng)結構得到極大簡化.

圖2 常規(guī)單片機系統(tǒng)和由PSD組成的兩片系統(tǒng)比較圖

2 ADMC401芯片說明

對于系統(tǒng)設計者來說,數(shù)字信號處理(DSP)的普遍使用正在成為一股潮流.ADMC401?1??2?芯片即是一個基于單片DSP的控制器,適合工業(yè)應用領域中的高性能控制.該芯片集成了一個26MIPS定點內核ADSP-2171,其編碼與ADSP-21xx DSP 系列完全兼容.該內核具有一套完備的外圍控制接口,可以在高度集成環(huán)境中快速實現(xiàn)對元器件的控制.另外,它還包含三個計算單元、兩個數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個程序定序器,其中計算單元包含一個算術邏輯單元ALU、一個乘法/累加器?MAC 和一個桶式移位器,而內核也增加了位操作、平方、四舍五入和全局中斷屏蔽等指令.除此之外,ADMC401芯片還包括兩個靈活的雙緩沖器以及雙向同步串行口.圖3為ADMC401的功能框圖.從圖中可以看到:該芯片提供有2k×24位的內部程序儲存器RAM、2k×24位的內部程序存儲器ROM、 1k×16位的內部數(shù)據(jù)存儲器RAM、一個高性能8通道12位模數(shù)轉換ADC系統(tǒng)(它能經過4對輸入實現(xiàn)雙通道同時采樣)、一個三相16位中心對稱的 PWM發(fā)生器(能以最小開銷產生高精度的PWM信號)、一個增量編碼器接口單元、2個可調頻的輔助PWM輸出、12條I/O數(shù)字信號線、一個雙通道事件捕獲系統(tǒng)一個16位看門狗定時器和2個16位內部定時器等.

程序和數(shù)據(jù)RAM可以通過串行口引導程序裝入,內部程序和數(shù)據(jù)RAM也可以從外圍設備經地址總線和數(shù)據(jù)總線引導程序裝入.此外,ADMC401芯片還可充分利用DSP內核的地址和數(shù)據(jù)總線,同時增添了重要的外存儲器和外設擴展能力,因而可擴展外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量,并使得DSP內核能夠尋址到14k×24 位的外部程序存儲器和13k×16 位的外部數(shù)據(jù)存儲器,從而為其與PSD接口提供方便.

圖3 單片數(shù)字信號處理(DSP)器ADMC401功能框圖

3 ADMC401與PSD311的接口設計

由于PSD3XX內部提供了許多應用系統(tǒng)所需要的全部元件和“外圍”,這使得設計兩片式計算機系統(tǒng)成為可能.對于8051,80196和 68HC11等微控制器來說,與PSD相配合是極為方便的.同樣,對于提供了外擴程序、數(shù)據(jù)存儲空間的ADMC401來說,也可以和PSD相配合.考慮到系統(tǒng)成本,推薦使用的PSD芯片為PSD311(現(xiàn)有價格最低的產品).

ADMC401芯片的引導程序裝載可以通過引腳MMAP和BMODE的各種不同狀態(tài)來完成,如果引腳MMAP和BMODE所加的電壓都為 “0”,那么ADMC401將工作在所謂的EPROM引導程序模式,其中被稱為“引導存儲器”的專用外部存儲空間將允許芯片和字節(jié)寬度的EPROM相連, 并在上電時通過存儲器接口從外部裝載程序;而如果引腳MMAP和BMODE設置為其它電位,那么將會產生不同的引導模式.另外,ADME401芯片還有一個專門的低電平有效信號BMS(Boot Memory Select,引導存儲器選擇),可用于簡化引導存儲器的接口.以上這些功能極大地方便了ADMC401和PSD的接口設計.圖4為ADMC401和 PSD311的接口電路圖(圖中還包括一些其它外圍).

圖4 ADMC401-PSD311接口電路圖

由圖可見,ADMC401與PSD311的連接幾乎和它與標準的EPROM連接一樣簡單.由于總線的通路布在ADMC401內部,因此,PSD311的8根數(shù)據(jù)線并不是像常用的與ADMC401的D7～D0相連,而是與D15～D8相連.另外,還要注意,地址的最高位是由 ADMC401的D22線提供的(在ADMC401中沒有A14地址線).其BMS信號可用于EPROM的片選并與PSD311的A19輸入相連,A19 在PSD的程序里將被定義為芯片使能信號,而由ADMC401生成低有效讀和寫選通脈沖,它們通常與對應于PSD311的RD和WR輸入相連,這些選通脈沖在傳輸中可用來選通PSD311的EPROM和RAM.[!--empirenews.page--]

ADMC401有2k×24位的內部程序存儲空間.在采用EPROM引導程序模式時(MMAP=0,BMODE=0),外部程序可通過 ADMC401內部的定序器按照本身的24位命令格式一次性全部下載到其內部程序存儲空間.當然,應用程序可能大于ADMC401內部的程序存儲空間.但是,無需擔心,程序如果執(zhí)行到后面的代碼,ADMC401會自動重新引導.引導程序存儲器由八頁組成,每頁8k字節(jié).一頁中除了第一個字節(jié)外,每隔三個字節(jié)有一個空字節(jié),第一個字節(jié)是該頁的長度,在兩個相鄰空字節(jié)中,每組三個字節(jié)包含一個要裝入DSP 內部程序存儲器的24位指令,也就是說,2k×24位的內部程序存儲空間需要8k×8位的外部存儲空間.在ADMC401的開發(fā)工具中,有一個程序存儲器 PROM的分配器實用程序“SPL21.exe”可為用戶程序計算正確的頁長度,并且根據(jù)適當?shù)膮f(xié)議為用戶程序的字節(jié)進行排序,從而極大地方便了程序代碼的生成,這些代碼可以直接寫入PSD311.PSD311的具體配置電路各有不同,或登陸www.waferscale.com站點查詢.

需要注意的是,ADMC401的匯編語言調試源程序在用匯編語言編輯完畢后,還應利用ADMC401提供的匯編、連接程序ASM21.exe和 LD21.exe進行編譯連接?以便最終生成一個“.exe”文件.這個可執(zhí)行文件才是調到ADMC401的軟件調試執(zhí)行程序.而PSD311的軟件主要是對PSD的邏輯電路、I/O通道以及存儲空間分配進行編輯,最后生成的文件將和ADMC401生成的程序代碼一起寫入到PSD311中.

圖5 SVG裝置結構圖

4 在SVG裝置中的應用

SVG(Static Var Generator)—靜止無功發(fā)生器也被稱為STATCOM(Static Synchronous Compensator),是靈活交流輸電系統(tǒng)FACTS(Flexible AC Transmis-sion System)技術中一個重要的基礎部件.該部件與其它的無功補償裝置相比,雖然SVG裝置的成本要高一些,但其靈活的動態(tài)調節(jié)特性、優(yōu)越的補償效果以及更小的設備體積都是其它裝置不能比擬的.在SVG裝置中,由于要涉及到大量的復雜計算(如濾波計算、瞬時無功計算)和各種控制手段(如矢量控制、PI控制)以及諸多信號的采集和發(fā)送.因此,系統(tǒng)對控制器的運算速度、接口資源、穩(wěn)定性以及成本等方面要求很高.SVG裝置的關鍵部件就是它的逆變橋路部分,而 ADMC401集成的專用6路PWM波形發(fā)生器正好提供了靈活的控制方法.此外,ADMC401的高速流水線式8路A/D采樣端口也為電壓電流的快速采集提供了保證.圖5為基于ADMC401和PSD311的SVG裝置結構圖.該系統(tǒng)共分為3個主要部分:第一部分是由ADMC401和PSD311構成的檢測控制部分,第二部分是由IGBT模塊構成的逆變電路,第三部分是由電力二極管構成的全波整流電路.整流電路采用日本富士公司的三相全波整流模塊 6RI100G-160,其主要作用是將三相線路上的交流電壓變?yōu)橹绷鬏敵?從而維持直流電容兩端的電壓穩(wěn)定,并為逆變電路提供一個穩(wěn)定的直流電.使用該模塊可在不輕微改變逆變器的觸發(fā)工作角情況下提高和穩(wěn)定系統(tǒng)中電容上的電壓.逆變電路部分采用的是富士電機推出的R系列IPM模塊7MBP100RA- 120 ,它將過去的IGBT單元、驅動電路、保護電路等結合在一個模塊之中,從而極大地提高了實際應用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、簡化了設計難度、縮小了裝置體積.電流的檢測則利用KT100-P型電流傳感器來完成,電壓的檢測利用的是CHV-50P電壓傳感器.輸出顯示部分采用以SED1520為驅動的MGLS- 12032A液晶模塊.以上各部件的功能均可通過對ADMC401數(shù)字信號處理芯片進行軟件編程來實現(xiàn).

5 結束語

通過將ADMC401和PSD311相結合,可真正實現(xiàn)只用兩個芯片組成一個功能強大的低成本最小單片機系統(tǒng)之結果,而且應用范圍相當廣泛,尤其適合于那些要求低功耗、小體積、多外設、高速度的場合.本文介紹的在SVG裝置中的應用涉及到了其中很多的功能,但是系統(tǒng)本身還有很大的擴展空間.使用時可以根據(jù)實際情況充分地利用其資源,以便完成更加復雜的任務.