80C196KC-ADMC401接口電路設(shè)計及其應用

摘要：結(jié)合80C196KC和ADMC401雙CPU接口電路圖，詳細介紹了系統(tǒng)的設(shè)計過程，并對主要部件的基本功能以及需要注意的問題做了分析和說明。最后以靜止無功發(fā)生器(SVG)裝置為例，介紹了雙CPU系統(tǒng)的應用。 關(guān)鍵詞：80C196KC ADMC401 SVG IGBT-IPM 隨著微機控制技術(shù)的發(fā)展和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，使得很多系統(tǒng)需要用兩個甚至更多的控制器，實現(xiàn)被控對象提出的各種要求。尤其是在工業(yè)應用領(lǐng)域中，要完成大量的數(shù)據(jù)采集和處理、控制信號的接收和發(fā)送等諸多功能，對系統(tǒng)的運算速度、接口資源、穩(wěn)定性以及成本方面有著非常高的要求。設(shè)計一個實用、合理、經(jīng)濟的高性能控制系統(tǒng)是成功投入現(xiàn)場運行的關(guān)鍵。 在SVG(靜止無功發(fā)生器)裝置中涉及到大量的復雜計算(如濾波計算、瞬時無功計算)和先進的控制手段(如矢量控制)以及諸多信號的采集和發(fā)送，使得單個CPU很難滿足系統(tǒng)要求。因此采用高集成度的嵌入式處理器與DSP芯片組成雙CPU系統(tǒng)來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計 1.1 系統(tǒng)的組成及原理 雙CPU系統(tǒng)的原理圖框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用80C196KC和ADMC401兩個芯片作為核心處理器。ADI公司的ADMC401芯片是基于DSP的控制器，非常適于工業(yè)應用領(lǐng)域中的高性能控制。該芯片集成了一個高速的DSP內(nèi)核，且其內(nèi)核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成的環(huán)境中快速實現(xiàn)控制。Intel公司的80C196(KB/KC)是一款高性能且價格低廉的16位單片機，同樣適用于高速控制和需要多個外設(shè)的場合。兩個CPU在運行時獨立執(zhí)行存放在不同器件中的程序，同時保持相互之間的協(xié)調(diào)工作?？紤]到系統(tǒng)本身的復雜性，如果使用傳統(tǒng)的RAM、ROM和邏輯譯碼器件分離的系統(tǒng)接線方式，必定會使得整個控制電路過于龐雜，給調(diào)試帶來很大困難，同時也降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，該系統(tǒng)用到了可編程系統(tǒng)外圍接口器件PSD產(chǎn)品中的PSD4235和PSD311。它們分別作為兩個CPU的外部擴展器件，并和CPU組成一個雙CPU—PSD系統(tǒng)(簡稱雙CPU系統(tǒng))，如圖1所示。兩個CPU間的相互通信采用了雙口RAM(IDT7132)，通過它可以順利實現(xiàn)兩個CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸。鍵盤管理部分用82C79接口芯片。輸出顯示部分用以SED1520為驅(qū)動芯片的MGLS-12032A液晶模塊(LCD)。系統(tǒng)中專門增加了額外的串行E2PROM，主要用于掉電時數(shù)據(jù)的保護以及記錄部分操作參數(shù)。此外，組成系統(tǒng)的還有WATCHDOG電路、UART電路等。它們在系統(tǒng)中的資源分配、功能實現(xiàn)都是通過對控制器的軟件編程來完成。下面將詳細介紹各部分的接口電路設(shè)計以及相應的工作原理。 1.2 80C196KC部分設(shè)計 16位的80C196KC芯片是Intel公司MCS-96系列單片機中重要的新成員，也是目前該系列單片機中性能最強的產(chǎn)品之一，在各類自動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高級智能儀器中都有廣泛的應用。80C196KC芯片的特點如下：振蕩信號頻率達16MHz，指令的運算速度更快，16位乘法1.75μs，32位除法3.0μs;8個A/D通道，可以方便地實現(xiàn)被控對象多點電壓和電流采樣;通過CPU的串行口可實現(xiàn)與上位PC機之間的通信;新增100H～1FFH內(nèi)部RAM，在垂直窗下具有更靈活的運用;具有三路脈寬調(diào)制(PWM)輸出;在80C196KB的基礎(chǔ)上又增加了5條(KB已經(jīng)增加了6條)，使程序編制更加方便;16位多路復用地址數(shù)據(jù)/地址線可以與PSD直接接口，同時通過鎖存器后，可將地址和數(shù)據(jù)分別接至雙口RAM，實現(xiàn)多個CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。詳細的性能參?shù)和特點請參見文獻?1～2?。在雙CPU系統(tǒng)中，80C196主要完成的功能有鍵盤控制、顯示輸出、數(shù)據(jù)保存、信號傳送等。由于涉及的內(nèi)容復雜，而且還需要與很多外圍接口，所以用到了大容量、多端口的PSD4000系列芯片與它配合，圖2所示即為80C196KC部分的電路圖。 圖2 80C196KC-PSD4235接口電路 雖然CPU的數(shù)據(jù)與地址線可以直接與PSD連接，但是在雙口RAM時，數(shù)據(jù)與地址信號必須分離。所需用到的鎖存器在圖2中省略了。PSD4235芯片是WSI公司2000年最新推出PSD4000系列產(chǎn)品，它能夠適應多種不同的微處理器。其片內(nèi)集成了4M位的閃速存儲器，16個輸出微單元、24個輸入微單元的CPLD、譯碼PLD，52個單獨可配置I/O端口，JTAG串行接口等，并且有支持掉電模式的低功耗可編程電源管理單元。PSD芯片對外地址分配和各接口的邏輯譯碼由專用的軟件PSDSOFTTMLITE實現(xiàn)，具體情況請參考文獻?5～6?或登陸www.waferscale.com站點查詢。使用PSD后極大地簡化了硬件電路的設(shè)計，減少了印制電路板的面積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。顯示部分通過單片機控制圖形液晶模塊MGLS-12032實現(xiàn)。該模塊有直接訪問方式和間接訪問方式兩種。本系統(tǒng)以間接訪問方式為基礎(chǔ)。圖2所示即為間接訪問方式的電路。顯示模塊的時序通過對80C196編程實現(xiàn)。液晶模塊MGLS-12032A是兩片SED1520級聯(lián)在一起，一片處于主工作方式，一片處于從工作方式，它們分別控制顯示屏幕的左、右半屏。在編程時要特別注意漢字和字符顯示時在邊界區(qū)域兩片SED1520間的切換。 系統(tǒng)中外部擴展了串行的E2PROM電路，用來存放系統(tǒng)的一些固定參數(shù)等，使用的芯片是Atmel公司的AT24C02。它只需通過80C196KC的高速輸入、輸出通道(HIS和HSO)產(chǎn)生連續(xù)的高低電平序列，便可實現(xiàn)與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸。從硬件的角度來看，該芯片不占用任何數(shù)據(jù)總線，連接簡單且節(jié)約大量系統(tǒng)資源。 1.3 ADMC401部分設(shè)計 ADMC401芯片是一個基于單片DSP的控制器，適合工業(yè)應用領(lǐng)域中高性能控制。該芯片集成了一個26MIPS(13MHz晶振)定點內(nèi)核ADSP-2171，單條指令執(zhí)行時間為38.5ns，其編碼與ADSP-21xxDSP 系列完全兼容。內(nèi)核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成環(huán)境中快速實現(xiàn)對元器件的控制;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。內(nèi)核還增加了位操作、平方、四舍五入和全局中斷屏蔽等指令。除此之外，ADMC401芯片包括兩個靈活的雙緩沖器、雙向的同步串行口。圖3為ADMC401的功能框圖。ADMC401芯片提供2K%26;#215;24位的內(nèi)部程序存儲器RAM、2K%26;#215;24位的內(nèi)部程序存儲器ROM、1K%26;#215;16位的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、1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)、1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)、1個靈活的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、1個雙通道事件捕獲系統(tǒng)、1個16位看門狗定時器、2個16位內(nèi)部定時器等。 圖3 單片數(shù)字信號處理器ADMC401功能框圖 PSD3XX芯片內(nèi)部同樣提供了許多應用系統(tǒng)需要的全部元件和外圍。對于8051、80196和68HC11等微控制器來說與PSD相配合是極為有用的。ADMC401與它結(jié)合同樣非常有效?？紤]到ADMC401內(nèi)部程序的長度以及接口并不象80196控制器那么多(80196需要完成人機界面實現(xiàn)、信號傳送、外圍器件接口等)，所以采用PSD311(現(xiàn)有價格最低的3系列產(chǎn)品)。ADMC401芯片的引導程序裝載可以通過兩個引腳MMAP和BMODE的各種不同狀態(tài)產(chǎn)生。如果引腳MMAP和BMODE電位都為0，那么ADMC401芯片工作在所謂的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;如果引腳MMAP和BMODE設(shè)置為其它電位將會產(chǎn)生不同的引導模式;另外，401芯片有一個專門的低電平有效信號——引導存儲器選擇BMS(Boot Memory Select)簡化了引導存儲器的接口。以上這些功能極大地方便了ADMC401與PSD接口。圖4為ADMC401與PSD311的接口電路圖(圖中還包括了一些其它外圍)。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(nèi)部，PSD311的8根數(shù)據(jù)線并不與ADMC401的D7～D0相連，而是與D15～D8C相連。還要注意，地址的最高位由ADMC401的D22線提供(在ADMC401中沒有A14地址線)。BMS信號充當EPROM的片選并與PSD311的A19輸入相連接。A19在PSD的程序里將被定義為芯片使能信號。ADMC401生成低有效讀和寫選通脈沖，它們與PSD311的RD和WR輸入相連。這些選通脈沖在傳輸中用來選通PSD311的EPROM和RAM。ADMC401有2K%26;#215;24位的內(nèi)部程序存儲空間。在采用EPROM引導程序模式時(MMAP=0，BMODE=0)，外部程序通過ADMC401內(nèi)部的定序器按照24位命令格式一次性全部下載到其內(nèi)部程序存儲空間。當然應用程序可能大于ADMC401內(nèi)部程序存儲空間，不過程序如果執(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)長。一頁中除了第一個字節(jié)外每隔三個字節(jié)是一個空字節(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%26;#215;24位的內(nèi)部程序存儲空間需要8K%26;#215;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分配器實用程序“SPL21.exe”。它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)排序，極大地方便了程序代碼的生成。這些生成的代碼可以直接寫入PSD311。 圖4 ADMC401-PSD311接口電路圖 2 80C196KC—ADMC401兩片系統(tǒng)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 Transmission System)技術(shù)中一個重要的基礎(chǔ)部件。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)備體積都是其他無功補償裝置不能比擬的。很多文獻資料對SVG裝置的原理和研制都有介紹。圖5為兩片系統(tǒng)的SVG裝置結(jié)構(gòu)圖。 系統(tǒng)共分為三個主要部分。第一部分是由80C196KC—ADMC401兩片系統(tǒng)構(gòu)成的檢測控制部分。80196主要負責人機界面的完成以及向上位機發(fā)送信號等功能。ADMC401的高速流水線式的8路A/D采樣端口也為電壓電流的快速采集提供了保證，同時ADMC401還要完成數(shù)字濾波計算、無功計算、PWM控制信號的產(chǎn)生發(fā)送等功能。第二部分是由IGBT模塊構(gòu)成的逆變電路。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波發(fā)生器正好提供了靈活的控制方法。此外，逆變電路部分采用富士電機最新推出的R系列IGBT-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)合在一個模塊中，極大地提高了實際應用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，簡化了設(shè)計的難度，縮小了裝置的體積。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。主要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電壓的穩(wěn)定，為逆變電路提供一個直流電。這樣避免了要輕微改變逆變器的觸發(fā)工作角來達到提高和穩(wěn)定電容上電壓的情況。電流的檢測是利用KT100-P型電流傳感器完成，電壓的檢測是利用CHV-50P電壓傳感器完成。輸出顯示部分是用以SED1520為驅(qū)動芯片的MGLS-12032A液晶模塊。以上各部件功能都是通過對ADMC401數(shù)字信號處理芯片和80C196KC軟件編程實現(xiàn)。 圖5 SVG裝置結(jié)構(gòu)圖 80C196KC和ADMC401組成的兩片系統(tǒng)，應用范圍相當廣泛，非常適合計算量大、多外設(shè)、高速度的場合。