基于PSD3XX與ADMC401接口設(shè)計的無功發(fā)生器系統(tǒng)

    關(guān)鍵詞：PSD3XX ADMC401 PWM SVG

隨著微機控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及控制系統(tǒng)復(fù)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(yīng)用領(lǐng)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(shè)計一個實用、經(jīng)濟、合理的高性能控制系統(tǒng)已成為設(shè)計的關(guān)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(shè)計和調(diào)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(chǎn)的可編程外圍邏輯器件ＰＳＤ系列芯片內(nèi)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(nèi)，從而大大地簡化了硬件電路的設(shè)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(jié)構(gòu)。

從圖中可以看到ＰＳＤ３ＸＸ內(nèi)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(yīng)的選擇信號，通過ＰＳＤ中ＰＬＤ譯碼部分可產(chǎn)生相應(yīng)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(fù)用或非多路復(fù)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(shè)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(jié)構(gòu)比較的示意圖，可見運用ＰＳＤ后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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?。粒模停茫矗埃毙酒f明

對于系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域中的高性能控制。該芯片集成了一個２６ＭＩＰＳ定點內(nèi)核ＡＤＳＰ－２１７１，其編碼與ＡＤＳＰ－２１ｘｘ ＤＳＰ 系列完全兼容。該內(nèi)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(shù)邏輯單元ＡＬＵ、一個乘法／累加器?ＭＡＣ?和一個桶式移位器，而內(nèi)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(nèi)部程序儲存器ＲＡＭ、２ｋ×２４位的內(nèi)部程序存儲器ＲＯＭ、１ｋ×１６位的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器ＲＡＭ、一個高性能８通道１２位模數(shù)轉(zhuǎn)換ＡＤＣ系統(tǒng)（它能經(jīng)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(chǎn)生高精度的ＰＷＭ信號）、一個增量編碼器接口單元、２個可調(diào)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(nèi)部定時器等。

程序和數(shù)據(jù)ＲＡＭ可以通過串行口引導(dǎo)程序裝入，內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)ＲＡＭ也可以從外圍設(shè)備經(jīng)地址總線和數(shù)據(jù)總線引導(dǎo)程序裝入。此外，ＡＤＭＣ４０１芯片還可充分利用ＤＳＰ內(nèi)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(shè)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(nèi)核能夠?qū)ぶ返剑保矗?#215;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(shè)計

由于ＰＳＤ３ＸＸ內(nèi)部提供了許多應(yīng)用系統(tǒng)所需要的全部元件和“外圍”，這使得設(shè)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(chǎn)品）。

ＡＤＭＣ４０１芯片的引導(dǎo)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(dǎo)程序模式，其中被稱為“引導(dǎo)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(shè)置為其它電位，那么將會產(chǎn)生不同的引導(dǎo)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(dǎo)存儲器選擇），可用于簡化引導(dǎo)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)的ＥＰＲＯＭ連接一樣簡單。由于總線的通路布在ＡＤＭＣ４０１內(nèi)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(yīng)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。

ＡＤＭＣ４０１有２ｋ×２４位的內(nèi)部程序存儲空間。在采用ＥＰＲＯＭ引導(dǎo)程序模式時（ＭＭＡＰ＝０，ＢＭＯＤＥ＝０），外部程序可通過ＡＤＭＣ４０１內(nèi)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(nèi)部程序存儲空間。當(dāng)然，應(yīng)用程序可能大于ＡＤＭＣ４０１內(nèi)部的程序存儲空間。但是，無需擔(dān)心，程序如果執(zhí)行到后面的代碼，ＡＤＭＣ４０１會自動重新引導(dǎo)。引導(dǎo)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(nèi)部程序存儲器的２４位指令，也就是說，２ｋ×２４位的內(nèi)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(dāng)?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(diào)試源程序在用匯編語言編輯完畢后，還應(yīng)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(diào)到ＡＤＭＣ４０１的軟件調(diào)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(jié)構(gòu)圖

４ 在ＳＶＧ裝置中的應(yīng)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(shù)中一個重要的基礎(chǔ)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(diào)節(jié)特性、優(yōu)越的補償效果以及更小的設(shè)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(fù)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(guān)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(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)共分為３個主要部分：第一部分是由ＡＤＭＣ４０１和ＰＳＤ３１１構(gòu)成的檢測控制部分，第二部分是由ＩＧＢＴ模塊構(gòu)成的逆變電路，第三部分是由電力二極管構(gòu)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(qū)動電路、保護電路等結(jié)合在一個模塊之中，從而極大地提高了實際應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、簡化了設(shè)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(qū)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(jié)束語

通過將ＡＤＭＣ４０１和ＰＳＤ３１１相結(jié)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(jié)果，而且應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，尤其適合于那些要求低功耗、小體積、多外設(shè)、高速度的場合。本文介紹的在ＳＶＧ裝置中的應(yīng)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(fù)雜的任務(wù)。