高性能FLASH存儲(chǔ)器在DSP電機(jī)智能保護(hù)中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：Flash存儲(chǔ)器 DSP 嵌入式算法 Am29F010B
國(guó)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置種類(lèi)繁多，但隨著現(xiàn)代大中型電動(dòng)機(jī)對(duì)保護(hù)要求的不斷提高和VLSI技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的基于熱敏電阻、機(jī)械式繼電器和電子式等保護(hù)模式均因可靠性不高，容易出現(xiàn)誤操作等缺點(diǎn)已不能滿(mǎn)足需要；而以單片機(jī)為核心的數(shù)字或保護(hù)裝置的運(yùn)算速度不高、資源有限、數(shù)據(jù)處理能力和可擴(kuò)展性不好等問(wèn)題日益突出。新的相關(guān)理論和技術(shù)（如小波變換、自適應(yīng)保護(hù)、故障診斷、模糊整定等）的出現(xiàn)加速了高性能和綜合型微機(jī)保護(hù)的發(fā)展，但這不僅要求更高性能的CPU（如近年飛速發(fā)展的系列DSP芯片）的支持，而且還要有與之相適應(yīng)的外圍存儲(chǔ)器的支持。鑒于此，筆者在開(kāi)發(fā)基于DSP的大中型智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能如圖1）時(shí)，在外擴(kuò)存儲(chǔ)器方面采用了AMD公司生產(chǎn)的Flash芯片Am29F010B。該Flash memory因容量大、體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子、軍事、航空航天等領(lǐng)域。
它可以在線更新，并具有較高的靈活性，因而可與高性能CPU芯片TMS320C32達(dá)到良好的配合，從而可顯著提高系統(tǒng)性能和可靠性。
1 硬件設(shè)計(jì)
1.1 TMS320C32芯片的特點(diǎn)
美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TMS320系列DSP芯片以其改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)、獨(dú)立的指令系統(tǒng)、專(zhuān)用硬件乘法器、多種尋址方式等優(yōu)點(diǎn)以及高速數(shù)據(jù)處理能力廣泛應(yīng)用在通訊、雷達(dá)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。TMS320C32是TI的第一代浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C3X系列中的一款高性能浮點(diǎn)芯片，是對(duì)TMS320C30、TMS320C31中的不常用資源進(jìn)行簡(jiǎn)化、并對(duì)其性能進(jìn)一步改進(jìn)后的高性?xún)r(jià)比處理器。它具有增強(qiáng)的外部存儲(chǔ)器接口，可以靈活方便地存取8/16/24/32位數(shù)據(jù)。它支持16/32位外部程序，從而為其外圍接口電路設(shè)計(jì)提供了很大的靈活性；其硬件上增加的一個(gè)非常有用的程序引導(dǎo)（Bootloader）功能使其程序可以從低速EPROM、PROM或串口裝入到系統(tǒng)的高速RAM中全速運(yùn)行；它所配備的C編譯器具有很高的效率，可直接用匯編語(yǔ)言或兩者相結(jié)合使用，因而靈活性和實(shí)時(shí)性都很強(qiáng)；由于中斷矢量表可重設(shè)位，因此，將其應(yīng)用到電動(dòng)機(jī)保護(hù)中可以大大提高整個(gè)保護(hù)裝置的各項(xiàng)性能。
1.2 Flash Memory芯片Am29F010B
Am29F010B是AMD公司生產(chǎn)的多功能閃爍內(nèi)存，它的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：
*可單電壓（5V）進(jìn)行讀、寫(xiě)操作；
*高性能，最大存取時(shí)間為45ns；
*可靠性極高，可重復(fù)編程不小于10萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保持大于100年；
*低功耗（讀操作，寫(xiě)/擦除操作以及空閑狀態(tài)的電流典型值分別為12mA、30mA和1μsA）;
*具有扇區(qū)擦除能力，對(duì)于所分成的8個(gè)完全一樣的分扇區(qū)，既可以塊擦除，也可以整個(gè)芯片一起擦除；
*嵌入式擦除算法可自動(dòng)地預(yù)編程和擦除芯片，它可以將設(shè)好的扇區(qū)用嵌入式編程算法自動(dòng)地編程以把數(shù)據(jù)寫(xiě)到特定的地址；
*帶有JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的Flash EEPROM管腳輸出和命令集；
*具有編程周期結(jié)束檢測(cè)功能，可縮短等待時(shí)間；
Am29F010B存儲(chǔ)器采用PDIP，PLCC，TSOP封裝，圖2給出了Am29F010B的PDIP封裝引腳圖，各引腳的功能如下：
DQ7～DQ0：雙向數(shù)據(jù)線，可用于輸出數(shù)據(jù)或?qū)懭朊詈蛿?shù)據(jù)。
A0～A16：地址線，其中A16～A14為扇區(qū)地址，可用000～111代表8個(gè)扇區(qū)，A13～A0為扇區(qū)內(nèi)的字節(jié)地址。
CE：片選線，低電平有效，高電平時(shí)芯片處于空閑狀態(tài)；
OE，WE:分別為讀、寫(xiě)控制線。圖3給出了對(duì)FLASH編程時(shí)，CE、OE和WE的狀態(tài)時(shí)序。
其中，PD為編程數(shù)據(jù)，tch為CE持續(xù)時(shí)間，tcs為CE建立時(shí)間，tDS為數(shù)據(jù)建立時(shí)間，tDH為數(shù)據(jù)維持時(shí)間，twp為寫(xiě)脈沖寬度。
1.3 Am29F010B與TMS320C32的硬件接口
Am29F010B與TMS320C32的硬件接口電路原理圖如圖4所示。
圖中，Am29F010B的17根地址線A0～A16分別與TMS320C32的A0～A16相連。每片Am29F010B的容量為128k×8B。在本開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采用的是32位浮點(diǎn)數(shù)，連接方法是將四片8位數(shù)據(jù)寬的Am29F010B一起與TMS320C32連接，即將四片Am29F010B的D0～D7依次與TMS320C32的D0～D7、D8～D15、D16～D23及D24～D31連接，總?cè)萘繛?28k×32B。
TMS320C32的外擴(kuò)存儲(chǔ)器的尋址空間范圍由三組相互獨(dú)立的控制信號(hào)STRB0、STRB1和IOSTRB來(lái)控制，可用于對(duì)相互獨(dú)立的存取空間進(jìn)行操作而不會(huì)出現(xiàn)端口沖突。所不同的是，IOSTRB只能用32位寬的程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存操作；STRB0和STRB1由各自的四個(gè)控制引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以用8/16/32位寬的存儲(chǔ)器存取8/16/32位數(shù)據(jù)，還可以用16或32位寬的程序存儲(chǔ)器進(jìn)行存取操作，因而比較靈活。
圖4的設(shè)計(jì)中使用的是STRB0，F(xiàn)lash所占的128k×32B存取空間的地址范圍為000000H～01FFFFH，外圍程序存儲(chǔ)器配置為32位，可由PRGW置低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)各片的片選信號(hào)CE分別由STRB0-B0、STRB0-B1、STRB0-B2、STRB0-B3控制。上電復(fù)位后，外部總線接口控制寄存器STRB0可根據(jù)PRGW引腳電平的高低來(lái)決定存儲(chǔ)器的寬度控制位和數(shù)據(jù)位數(shù)控制位的復(fù)位值。
2 Am29F010B的在系統(tǒng)編程技術(shù)
2.1 Am29F010B的基本編程操作
對(duì)FLASH的基本操作主要有讀、字節(jié)編程、復(fù)位、扇區(qū)擦除、片擦除等。Am29F010B閃爍存儲(chǔ)器的讀操作與普通的存儲(chǔ)器操作相同，它不需要特定的時(shí)序，在電路上電或內(nèi)部編程等操作后可自動(dòng)進(jìn)入讀數(shù)據(jù)狀態(tài)。而擦除和寫(xiě)操作相對(duì)復(fù)雜一些，它不能簡(jiǎn)單的直接寫(xiě)入，同時(shí)，out文件不能load到FLASH中，且CCS和CSource Debugger中的load命令均不能對(duì)flash寫(xiě)入，而需要專(zhuān)門(mén)的程序才能寫(xiě)入一系列Flash Memory的命令寄存器中，然后調(diào)用嵌入式算法的內(nèi)部程序來(lái)完成相應(yīng)的命令。Am29F010B編程的一般步驟是復(fù)位、擦除、字節(jié)編程等。
（1）復(fù)位操作
復(fù)位命令用以取消擦除或?qū)懭氩僮鞫勾鎯?chǔ)器復(fù)位。復(fù)位操作不影響各單元的數(shù)據(jù)。在編程、擦除或正常操作出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)都要使用復(fù)位命令。向FLASH存儲(chǔ)器的任意一個(gè)地址寫(xiě)入0F0H均可使其復(fù)位并進(jìn)入讀數(shù)據(jù)狀態(tài)。
（2）擦除操作
擦除操作的具體軟件命令序列如表1所列。該操作包括按扇區(qū)擦除和整片擦除兩種方式。二者均為6總線周期操作。使用片擦除操作則可一次清除FLASH芯片內(nèi)的所有數(shù)據(jù)。扇區(qū)擦除操作則用于清除某一個(gè)扇區(qū)的所有數(shù)據(jù)，這在僅需要改動(dòng)少量數(shù)據(jù)而不是整片數(shù)據(jù)時(shí)特別方便。
（3）字節(jié)編程操作
該操作是一個(gè)4總線周期指令，可將任意數(shù)據(jù)寫(xiě)入Am29F010B獨(dú)立使用的編程，只能寫(xiě)入8位寬的數(shù)據(jù)，而本開(kāi)發(fā)系統(tǒng)每次可寫(xiě)入32位寬數(shù)據(jù)。具體軟件命令序列如表1所列。
2.2 Am29F010B的編程注意事項(xiàng)及操作技巧
在對(duì)Am29F010B進(jìn)行編程操作時(shí)，三條關(guān)鍵控制檢測(cè)線OE、CE和WE都必須處于正確狀態(tài)，當(dāng)CE或WE不是低電平或OE不是高電平時(shí)，編程操作將被禁止。
由于在32位浮點(diǎn)芯片TMS320C32進(jìn)行硬件連接時(shí)，采用的是4片數(shù)據(jù)寬度為8位的Flash來(lái)作為一片數(shù)據(jù)寬度為32位的Flash使用，所以在實(shí)際的總線操作過(guò)程中，向?qū)?yīng)地址寫(xiě)入的數(shù)據(jù)應(yīng)為8位16進(jìn)制數(shù)據(jù)。例如芯片復(fù)位操作時(shí)，寫(xiě)入某一地址的數(shù)據(jù)應(yīng)該是0xF0F0F0，而不應(yīng)是單片時(shí)寫(xiě)入的0xF0。其軟件命令序列可同時(shí)參見(jiàn)表1。
表1 Am29F010B編程命令序列表
| 命令序列 | Flash復(fù)位 | 扇區(qū)擦除 | 整片擦除 | Flash燒錄 | |
| 總線寫(xiě)周期1 | 地址 | 5555H | 5555H | 5555H | 5555H |
| 數(shù)據(jù) | 0AAAAAAAAH | 0AAAAAAAAH | 0AAAAAAAAH | 0AAAAAAAAH | |
| 總線寫(xiě)周期2 | 地址 | 2AAAH | 2AAAH | 2AAAH | 2AAAH |
| 數(shù)據(jù) | 55555555H | 55555555H | 55555555H | 55555555H | |
| 總線寫(xiě)周期3 | 地址 | xxxx | 5555H | 5555H | 5555H |
| 數(shù)據(jù) | 0F0F0F0F0H | 80808080H | 80808080H | 0A0A0A0A0H | |
| 總線寫(xiě)周期4 | 地址 | 5555H | 5555H | ||
| 數(shù)據(jù) | 0AAAAAAAAH | 0AAAAAAAAH | |||
| 總線寫(xiě)周期5 | 地址 | 2AAAH | 2AAAH | ||
| 數(shù)據(jù) | 55555555H | 55555555H | |||
| 總線官周期6 | 地址 | SA | 5555H | ||
| 數(shù)據(jù) | 30303030H | 10101010H | |||
在Am29F010B擦除及編程操作中使用檢測(cè)機(jī)制可確保操作的正確性和有效性。其核心代碼如下：
flash_rase：
……
check_rase:LDI *AR0,R0
NOP
NOP
XOR *AR2,R0
BNZ check_rase
……
RETS
flash_prog:
……
check_prog:LDI * -AR1,R0
NOP
NOP
XOR *-AR1,R0
BNZ check_prog
……
RETS
在將數(shù)據(jù)或程序燒寫(xiě)到Am29F010B時(shí)，應(yīng)先單步執(zhí)行燒寫(xiě)程序，同時(shí)應(yīng)觀察燒寫(xiě)程序執(zhí)行過(guò)程中有無(wú)異常。筆者曾遇到過(guò)的FLASH的操作指令代碼執(zhí)行后變成.word XXH的情形，后來(lái)經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于芯片Am29F010B的地址線引腳再現(xiàn)虛焊所致；另一方面，還要觀察在仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境的存儲(chǔ)區(qū)查看窗口，以觀察FLASH內(nèi)相應(yīng)單元內(nèi)容的變化有否異常。
圖4 Am29F010B與TM320C32的硬件接口電路原理圖
3 結(jié)束語(yǔ)
本文討論的方法在軟、硬件上均已得到實(shí)現(xiàn)，對(duì)高性能Flash存儲(chǔ)器芯片Am29F010B和高速DSP處理器TMS320C32優(yōu)點(diǎn)的充分利用，使得在硬件和軟件上保證了裝置的先進(jìn)性和高可靠性；目前，該裝置已成功用于WSM2000電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)裝置系統(tǒng)中，而且效果理想。
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