新型电机控制芯片TMS320F2812

资源类型:pdf 资源大小:520.00KB 文档分类:工业技术 上传者:张红云

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【作者】 谷海涛  颜湘武  于世涛 

【关键词】PWM DSP 电机控制 应用 

【出版日期】2005-04-28

【摘要】TMS320F2812是基于TIC×28内核的32位定点数字信号处理器。其优化的事件管理器、快速灵活的中断管理、多标准的通讯端口、高效率的C/C++编译程序、独特的"IQmath"程序库和专用程序包为电机调速系统提供了更加灵活、高效的控制方案。本文详细介绍了其芯片结构及功能特点。

【刊名】微电机(伺服技术)

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0 引 言TMS320F2182是德州仪器公司(TI)2002年推出的基于代码兼容的新型高性能32位混合信号处理器。它专门为数字控制设计,可实现高性能数字信号处理器(DSP)与高精度模拟及闪存的完美结合[1]。F2812具有高集成度,能提供整套的片上系统,同时降低了板级空间及系统成本,实现简单,高效和经济。1 芯片结构TMS320F2812系统组成包括:150MHz、150MIPS的低电压3.3V、CPU、片内存储器、中断管理模块、事件管理器模块、片内集成外围设备。其体系结构如图1所示。TMS320F2812的CPU是基于TMS320C28×的32位定点低功耗内核[2]。体系结构采用4级流水线技术,加快程序的执行。F2812工作于150MHz时,运算速度高达150MIPS,配合其32×32硬件乘法器,做一次乘法运算只需一个机器周期(6.67ns)。32位的CPU内核提供了强大的数据处理能力,提高了运算精度和速度。TMS320F2812采用增强的哈佛结构,芯片内部具有6条32位总线,程序存储器总线和数据存储器总线相互独立,支持并行的程序和操作数寻址,因此CPU的读/写可在同一周期内进行。这种高速运算能力使精确PID和多变量控制、自适应控制、参数估计、光谱分析、压缩/解压缩、神经网络、遗传算法等复杂控制算法得以实现。片内存储器资源包括:128k×16位POM、18k×16位的单端口数据/程序SARAM、片内128k×16位的Flash程序存储器、4k×16位片上BootROM、1k×16的一次可编程存储器OTP。F2812片上Flash/ROM具有可编程加密特性,可用在开发及对现场软件进行升级的简单编程。F2812还设有代码安全模块(CSM)。该模块用以保护FLASH/ROM/OTP和LO/LISARAM模块,所防止没有授权的用户通过JTAG接口查看寄存器内容、访问—35—外设和引导装入那些可能导出安全寄存器内容的软件,从而保证了相关寄存器的数据安全。除此之外,F2812提供了一个外部存储器接口,对于需要较大存储模型的系统,其寻址地址可达到1M字。图1 体系结构框图2 功能特点TMS320F2812和TMS320LF2407的性能比较如表1所示。可以看出F2812在功能和性能上比LF2407有更大的提高和改善,为实施电机控制提供了更有利的保障。2.1 优化的事件管理器模块TMS320F2812包含两个事件管理器(EV)模块EVA和EVB,每个事件管理器模块包括通用定时器(GP)、全比较PWM单元、正交编码脉冲电路以及捕获单元。作为双PWM调速系统需要12路PWM信号,而且都需要有死区时间设置。240×的事件管理器有9个独立的PWM输出,其中的6个有软件控制的死区时间设置功能,用来控制双PWM调速系统需要硬件电路来产生其它3个独立PWM信号,和另外6个PWM波的死区设置。这不仅增加了硬件投资,而且使控制复杂化。TMS320F2812EV兼容240×EV。和240×EV相比,其化化的事件管理器包括灵活的脉宽调制生成器、可编程通用定时器、无缝捕获和解码器接口。1脉宽调制生成器 F2812的两个事件管理器可产生16路独立的PWM信号。由3个具有可编程死区的全比较单元产生独立的3对PWM信号,由通用定时器比较单元产生独立的两路PWM信号。对于每一个比较单元的输出,死区的产生可单独被使用/禁止。利用双缓冲的ACTRx寄存器,死区产生器的输出状态可以被高速配置及改变。表1 TMS320F2812与TMS320F2407性能比较项  目TMS320F2812TMS320LF2407CPU定时器三个16位CPU片内FLASH128K*16位32K*16位片内RAM18K*16位2K*16位寻址范围2048*16位384K*16位片内看门狗有有外部中断5个5个片内定时器4个32位4个16位事件管理器EVA,EVBEVA,EVBPWM输出16路12路CANBUS有有同步串行口一个一个异步串行口SCIA,SCIB一个多通道缓冲串口带SPI模式不SPI模式片内可编程I/O56个41个可编程等待周期148指令时间6.67ns33ns片内A/D12位16通道ADC10位16通道ADC  另外,F2812事件管理器支持“DoubleUpdatePWMMode”。这种模式下,每个PWM脉冲上升位置和下降沿位置在其周期内可以被独立的修改。这为矢量控制的脉宽调制算法的实现提供了基础。—45—2可编程通用定时器 TMS320F2812共有4个16位通用定时器,可用于产生采样周期,作为全比较单元产生PWM输出以及软件定时的时基。在向上或向下记数操作中,每个通用定时器有3种连续工作方式,具有可编程预定标器的内部或外部输入时钟。通用定时器也可为其他事件管理器子模块提供时基;周期和比较寄存器的双缓冲允许定时器(PWM)周期和比较/PWM脉冲宽度被高速编程改变。通用定时器可独立工作或互相同步工作,与每个通用定时器有关的比较寄存器可用作比较功能和PWM波形的产生。3正交解码电路和捕获单元 正交编码脉冲(QEP)电路可以对引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2上的正交编码脉冲进行解码和计数,可以直接处理光电码盘的2路正交编码脉冲进行鉴相和4倍频。另外,F2812允许引脚CAP-QEPI(EVA的CAP3-QEPI1和EVB的CAP6-QEPI2)复位定时器2。捕获单元用于捕获输入引脚上信号的跳变,两个事件管理器模块总共有6个捕获单元。每个单元各有一个两级的FIFO缓冲堆栈。当捕获发生时,相应的中断标志被置位,并向CPU发中断请求。F2812特殊的正交解码电路和捕获单元可实现符合工业标准的三信号正交解码器的无缝接口,通过检码盘脉冲信号的相位关系可以判断电机的正/反转,并据此对计数器进行加/减计数,从而得到电机的角位移和转向,电机的角速度可以通过脉冲的频率测出。此外,EV的sfart-ofconversion(SOC)信号可以输出到外部引脚(EVASOC/EVBSOC),以实现外部模拟数学转化的同步。所有这些都为采用闭环控制提供了保障。2.2 模数转换器(ADC)F2812包括两个8路12位A/D转换器,A/D转换速度可达200ns,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工作方式或一组16个自动转换通道的单排序工作方式,可编程为顺序采样和双路同步采样。丰富的A/D转换启动模式,支持软件启动、事件管理器中断启动和外部信号启动。其中可利用事件管理器的定时中断来定时启动A/D转换,进行实时采样。另外,F2812还提供了和事件管理器EVA和EVB灵活的接口。与24×相比不仅在采样速度和精度上有所提高,而且内建双采保电路和参考电平,可大大简化硬件设计,为模拟控制环路的完成提供了关键支持。2.3 快速灵活的中断管理F2812包括一个外部中断扩展(PIE)模块。该模块用以管理从外设和其他外部引脚来的中断请求,可支持高达96个独立中断。每个中断由储存在其专用RAM模块上的矢量(可被用户改写)支持,这些矢量可自动被服务于该中断CPU取用,取用矢量表和保存寄存器内容只需8个CPU时钟周期。初始化时中断矢量表可以被移植并在操作过程中允许用户更新。中断请求的优先级可由硬件和软件来控制,每个中断可在PIE模块内被独立的使用/禁止。F2812还支持3个可屏蔽的外部中断(XINT1,2,13),其中引脚XINT13和不可屏蔽外部中断XNMI引脚复用。F2812快速灵活的中断管理为电机实时控制算法的得以实现提供了便利条件,保证了程序的快速响应。2.4 多标准的通信接口F2812有5种不同的片上标准通信接口可为主机、测试设备、显示器和其它部件提供了简便的通信接口。●两个异步串行外设通信口(SCI) SCI即通用异步收发器(UART)支持RS232和RS485的工业标准全双工通信模式,用来与上位机的通信;与24×相比,F2812更具特色,增加了自动波检测硬件逻辑和一个16级传送/接受FIFO堆栈。●同步串行外设接口(SPI) SPI是高速同步串行I/O。它允许可编程长度(1至16位)的串行位流(bitstream)以可编程的传输速率移入移出器件。SPI还有延时传送功能和一个16级传送/接口FIFO。可用于同步数据通信。典型应用包括TMS320F2812之间构成多机系统和外部I/O扩展,如显示驱动。●增强型控制器区域网(eCAN)模块 该模块完全兼容CAN2.0B协议,可以在有干扰的环境里使用上述协议,串行与其他控制器通信,传输速度高达1Mb/s。eCAN模块具有32个可以完全控制的邮箱和时间标识特性,提供了一个可靠的串行通信接口。每个邮箱可配置为接收或发送邮箱,且都具有可编程的接受屏蔽寄存器。此外,eCAN模块还具有位传输速率、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—55—等功能。●多通道缓冲串口(McBSP) 是一种标准串口接口,可以实现全双工通信,具有双缓冲数据寄存器,支持连续的数据流,数据宽度可以在8、12、20、24和32比特中任选。可进行A律压缩和扩展,8比特数据传送时可选择从高位或低位开始传送,帧同步信号和数据时钟信号的极性可编程,内部时钟和帧同步信号产生器也可由软件编程控制。可以与工业标准的codecs模拟接口芯片(AICc),以及其他串口连接A/D和D/A器件直接进行连接。可以产生外部移位时钟或者一个内部可编程频率移位时钟,直接支持多种音频标准如IIS和AC97等。●JTAG接口 由于TMS320F2812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TMS320F2812的开发应用。TMS320F2812具有符合IEEE1149.1规范的16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的测试。2.5 高效代码C28×DSP和C/C++编译程序设计在一起,以确保实现代码编译的最高效率,使设计者能够完全使用高级语言来开发控制应用。除了高效率C/C++编译程序,F2812还具备了32位计算能力,以及独特的算法库,使设计者能够在几分钟之内将浮点算法转换到定点器件上,使开发控制应用的进程变得更快、更容易。另外F2812开发的代码能与C24×系列DSP的代码兼容,从而使开发人员立即可通过其开发程序包(TMSXEVP2812)等硬件工具开始进行开发工作。另外,F2812还包括锁相环电路(PLL)、看门狗定时器和56个通用双向数字I/O口。其中锁相环电路用于实现时钟选项;看门狗定时器为8位增量计数器,用于监控系统软件和硬件工作,在CPU出错时产生复位信号。综上所述,TMS320F2812具有面向控制器应用和面向集成方面的优化,与TMS320C24×系列代码完全兼容。其高效率的C/C++编译程序、独特的“IQmath”程序库和专用程序包、快速灵活的中断管理、控制优化的外转设备、多标准的通讯端口、128k字的片上闪存以及对数字电机控制的支持,所有这些都为高性能控制应用提供了一整套片上系统,使设计者开发控制应用的进程变得更快、更容易,具有更高的成本效率。3 结束语面向控制器应用和面向集成方向的优化使得数字信号处理器TMS320F2812在性能和功能上有很大的提高,为电机调速系统提供了更加灵活、高效的控制方案。新型电机控制芯片TMS320F2812@谷海涛$华北电力大学!河北,保定 071003 @颜湘武$华北电力大学!河北,保定 071003 @于世涛$华北电力大学!河北,保定 071003PWM;;DSP;;电机控制;;应用TMS320F2812是基于TIC×28内核的32位定点数字信号处理器。其优化的事件管理器、快速灵活的中断管理、多标准的通讯端口、高效率的C/C++编译程序、独特的"IQmath"程序库和专用程序包为电机调速系统提供了更加灵活、高效的控制方案。本文详细介绍了其芯片结构及功能特点。[1

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