DSP和CAN總線在直流電機測試系統(tǒng)中的應用

隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展,對小型直流電機的需求量越來越大。這一類直流電機在出廠前往往需要對其電流和轉速進行測試。具體的方式是給電機提供多種占空比的PWM控制信號,在不同的占空比下分別測試電機的電流和轉速。傳統(tǒng)的測試方法需采用多臺通用儀器:用信號發(fā)生器提供電機所需的PWM信號,通過電阻采樣電機的電流,并送電壓表頭顯示,使用光電感應的方法測轉速,通過示波器觀察波形。目前在我國采用的大多是傳統(tǒng)的測試方法,傳統(tǒng)方法要求在車間的每個生產(chǎn)線上設置多個檢測點,每個測試點只能測量一種占空比下PWM信號控制的電機電流和轉速。因此,在每個測試點都要配備測試員和一套完整的測試儀,使得成本很高。而且在測試過程中，要完成一個電機的測試必須經(jīng)過多個測試點,每個點測試時都要測試員插拔電機的接線,使得測試效率很低。因此，傳統(tǒng)的測試方法嚴重制約了直流電機生產(chǎn)企業(yè)的效率。針對這種狀況，筆者設計了一種基于DSP控制器TMS320F2810的新型直流電機自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)給電機提供各種占空比的PWM控制信號,通過DSP采樣電機的電流信號和輸出脈沖信號,計算出電機的電流和轉速，并送到顯示屏上顯示，同時還通過CAN總線把數(shù)據(jù)送到上位機保存和分析，并能通過上位機給各個控制接點發(fā)送指令和數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)可同時測試多個電機，在一個測試點上一次接線就能完成所有占空比下的電流和轉速的測試，大大提高了測試效率。

1.系統(tǒng)網(wǎng)絡結構和TMS320F2810簡介

　　系統(tǒng)結網(wǎng)絡構如圖1所示。該系統(tǒng)主要由上位計算機及監(jiān)控軟件、基于PCI總線的CAN智能網(wǎng)絡通信適配器及與其相配套的設備驅(qū)動程序（WDM）、現(xiàn)場控制節(jié)點單元和基于CAN現(xiàn)場總線其他功能模塊組成。

　　TMS320F2810是TI公司的高集成高性能DSP,采用高性能靜態(tài)CMOS技術,工作頻率150MHz,低功耗和3.3V閃存編程電壓,支持邊界JTAG掃描,高性能32位CPU能進行16x16和32x32 MAC運算,16x16雙MAC。片內(nèi)存儲器有多達128Kx16閃存,128Kx16 ROM,1Kx16 OTP ROM,L0和L1為2個4Kx16區(qū)塊,每個為單存取RAM（SARAM）,H0為8x16 SARAM區(qū)塊,M0和M1為1Kx16 2個區(qū)塊,每個是SARAM,引導ROM為4Kx16外接接口能連接高達1M總存儲器和可編等待狀態(tài),有看門狗計時器模塊,三個外接中斷和三個32位CPU計時器, 最高采樣率為12.5MSPS,自動排序器可以提供高達16路的通道自動切換,也可以分成兩個獨立的8通道自動切換。F2810最多可提供16路PWM波形輸出,支持SCI、SPI、MCBSP、eCAN 等多種通信方式。多達56個單獨編程的復接GPIO輸出引腳,有先進的仿真和調(diào)試特性,工作溫度從-40℃到85℃和從-40℃到125℃, F2810可用于要求嚴格的控制系統(tǒng)中[1][4]。

2.系統(tǒng)控制節(jié)點硬件組成

　　系統(tǒng)的控制節(jié)點硬件結構如圖2所示,可以同時測試四個電機。硬件部分主要包括:電機的電流和輸出脈沖（OP）信號采集和信號調(diào)理電路、PWM輸出電路、復位上電電路、組合邏輯電路CPLD，CAN通信和鍵盤顯示接口等部分。其中DSP采用的是TI公司的高集成高性能DSP芯片TMS320F2810。CAN通信部分采用了PHILIPHIS公司的集成CAN控制芯片SJA1000（CAN總線控制器）和PCA82C250（CAN總線收發(fā)器），系統(tǒng)中設置CAN總線的最大傳輸量為500Kb/s,且晶振頻率定為16MHZ,CAN總線系統(tǒng)任意兩個節(jié)點之間的最大距離為130M，此時總線定時BTR0值為00H,BTR1值定為1CH。當IMP708復位上電時, F2810控制器通過通用I/O（GPIO）口給電機加電,同時通過F2810片內(nèi)的PWM模塊輸出占空比可調(diào)的矩形波信號控制電機的轉速。電機的電流信號和輸出脈沖信號經(jīng)過信號調(diào)理芯片MAX472進入到F2810的片內(nèi)A/D轉換器,轉換成數(shù)字信號供DSP處理。DSP計算出來的電流和轉速值顯示在液晶顯示器上,同時通過CAN總線傳送到上位PC機。各個節(jié)點通過鍵盤可以輸入測試參數(shù),包括PWM信號的占空比、轉速和電流的上下限參數(shù)等，也可以通過CAN總線由上位PC機設置。

　　2.1 電機電流和輸出脈沖信號的采集調(diào)理電路

　　由于所檢測的電機的電流會因型號不同而差別很大,范圍在幾十毫安到二、三安培。本系統(tǒng)中,采用了美國MAXIM公司的雙向精密電流傳感放大器MAX471[2]。MAX471內(nèi)置35mΩ的精密傳感電阻,可測量的電流范圍是±3A，在工作溫度范圍內(nèi)，其精度為2%，其響應時間、速度和漂移等指標均很理想，可以適應3A以內(nèi)的各種規(guī)格直流電機的電流測量。電流信號通過RS+和RS-輸入到MAX471的采樣電阻RSENSE上,MAX471通過一個2kΩ的輸出電阻將電流轉換成0～3V的電壓信號,直接送到DSP的A/D轉換器中。 輸出脈沖信號是從電機的I/O端直接輸出的一串方波信號,其頻率和電機的轉速成正比,用于檢測電機的轉速。輸出脈沖信號是電壓信號,經(jīng)電阻分壓轉換到0～3V內(nèi),然后經(jīng)過一個電壓跟隨器傳送到F2810的A/D輸入端。

　　2.2 PWM輸出信號驅(qū)動電路

　　F2810片內(nèi)的事件管理器模塊可以提供多達16路的PWM輸出信號,最小的死區(qū)時間寬度是一個CPU時鐘周期,最小的PWM脈沖寬度和脈寬的增減量為一個CPU時鐘周期,可以很方便地用來控制直流電機[5]。由于電機要求的PWM控制信號的幅值是5～10V,因此從DSP輸出的PWM信號還需經(jīng)過一個高速開關管反向器升壓后送至電機的PWM控制端。

　　2.3 復位電路

　　系統(tǒng)的復位電路采用IMP708芯片，該芯片有上電復位、看門狗和電源監(jiān)控功能。在系統(tǒng)的程序由于外部干擾導致“跑飛”時，IMP708的看門狗在一可選擇的時間間隔內(nèi)產(chǎn)生復位信號熱啟動系統(tǒng)。IMP708具有電源監(jiān)控功能，通過IMP708和DS1556的雙重監(jiān)控能夠保證使系統(tǒng)可靠運行。

　　2.4 鍵盤和液晶顯示電路（LCD）

　　鍵盤采用標準的PS/2口的小數(shù)字鍵盤,用來輸入設置參數(shù)。鍵盤和DSP之間采用復雜可編程邏輯器件（CPLD）作譯碼電路,將鍵盤的掃描碼映射到DSP的I/O擴展地址0x8001。當有鍵按下時,CPLD發(fā)送一個中斷信號到DSP,然后DSP從I/O擴展地址0x8001讀取掃描碼。液晶顯示模塊（LCD）和DSP之間通過CPLD譯碼,將命令控制I/O映射到地址0x8001,將數(shù)據(jù)控制I/O地址映射到0x8003和0x8004[6]。因為LCD是5V器件,所以其8位數(shù)據(jù)線不能和3.3V的DSP直接相連,需要在數(shù)據(jù)線上加電平隔離和轉換芯片74LS245。

3.CAN通信協(xié)議設計

　　CAN遵從OSI層模型,按照OSI標準模型，CAN結構劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層,它們由CAN控制器的硬件實現(xiàn)電平變換和幀的封裝。CAN網(wǎng)絡中包括4種不同類型的幀。其中,數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳至接收器;遠程幀由節(jié)點發(fā)送以請求具有相同ID標志符的數(shù)據(jù)幀;出錯幀可由任何節(jié)點發(fā)送,以控制總線錯誤;而超載幀用于提供先前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠程幀之間的附加延時。另外,數(shù)據(jù)幀和遠程幀以幀空間同先前幀隔開。在實際應用中,還需要建立自己的上層協(xié)議。在本系統(tǒng)設計中,采用簡單實用的“命令項加數(shù)據(jù)項”結構[3],其完整數(shù)據(jù)幀結構如圖5所示。考慮到工在業(yè)控制中,功能一般不多,因此命令項的長度設定為1B（可描述128種命令）。而在本控制系統(tǒng)中，命令所需參數(shù)一般不會大于7B，故數(shù)據(jù)項長度直接設為7B。

4.軟件設計

　　系統(tǒng)的CAN應用節(jié)點部分采用的是BasicCAN程序，它包含初始化子程序、發(fā)送子程序、接收子程序三個部分。DSP軟件編寫采用的是TI公司的DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS2000,它支持匯編語言和C語言編程。為了保證程序運行效率,核心算法FFT程序和中斷向量表程序采用匯編語言編寫,而其它程序都采用C語言編寫,使本系統(tǒng)軟件具有模塊化、結構化、可移植性好和調(diào)試方便的特點。系統(tǒng)的軟件執(zhí)行過程是：首先是系統(tǒng)初始化工作,即設置寄存器、配置GPIO、定時器、A/D轉換器和外部中斷、啟動A/D轉換。然后檢測GPIO有沒有啟動信號,檢測到啟動信號后,從另一個GPIO發(fā)出控制信號給直流電機加電。從A/D轉換器里讀取電流信號數(shù)據(jù),再通過求平均值得到電機的電流值;對輸出脈沖信號的數(shù)據(jù)進行FFT變換,求出基波的頻率,再根據(jù)電機的具體型號乘以一個系數(shù)得到電機的轉速。最后把測試電流和轉速送給LCD顯示,啟動CAN總線傳輸，把測試結果傳輸?shù)缴衔籔C機,以對數(shù)據(jù)進行保存和分析。軟件流程如圖4所示。

5.結束語

　　本系統(tǒng)采用了以CAN總線構建了自動化小型直流電機測試系統(tǒng)，設計中以DSP芯片F(xiàn)2810為核心的自動測試單元能利用DSP的多路模擬量輸入通道和多路PWM輸出通道以及高速計算能力，同時實現(xiàn)對多個電機的準確、高效率的測試。該系統(tǒng)在測試速度、性價比和可維護性等方面均有明顯的優(yōu)勢。

　　本文作者創(chuàng)新點：利用DSP TMS320F2810的多路輸入通道和多路PWM輸出通道，實現(xiàn)了在車間的一個測試節(jié)點上，一次接線就能完成電機所有占空比下的電流和轉速的測試，一個測試節(jié)點能同時測試多個電機，并通過CAN總線實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的的自動化處理。大大提高了測試效率，節(jié)省了成本。