利用PSD3XX與ADMC401接口設(shè)計(jì)的無(wú)功發(fā)生器系統(tǒng)方案

隨著微機(jī)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及控制系統(tǒng)復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性要求的不斷提高,很多控制系統(tǒng)都對(duì)高速、多功能、大容量控制器的被控對(duì)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(hào)的接收和發(fā)送等諸多功能,這樣,一般的單片機(jī)系統(tǒng)很難滿足要求.因此,如何設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、合理的高性能控制系統(tǒng)已成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.

1 PSD芯片說(shuō)明

對(duì)于一個(gè)單片機(jī)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(huì)使整個(gè)控制電路過于龐雜,從而給設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)很大的困難,同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性.而美國(guó)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(jī)所需的多個(gè)外圍芯片集成在一個(gè)芯片內(nèi),從而大大地簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì),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(gè)相同大小的區(qū),每個(gè)區(qū)都有相應(yīng)的選擇信號(hào),通過 PSD中PLD譯碼部分可產(chǎn)生相應(yīng)的選擇信號(hào).還有一些主要的功能部件,如多個(gè)單獨(dú)可配置I/O端口、兩個(gè)可編程陣列(PAD A和PAD B)、16k位靜態(tài)RAM等.對(duì)于較大的系統(tǒng),還可以通過水平級(jí)聯(lián)(以增加總線寬度為特點(diǎn))或垂直級(jí)聯(lián)(以增加子系統(tǒng)深度為特點(diǎn))等方式并配置多個(gè) PSD3XX來(lái)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(chǔ)存空間和功能單元極大地方便了單片機(jī)的嵌入式設(shè)計(jì),同時(shí)地為用戶提供了更為簡(jiǎn)單靈活的解決方案.圖2是常規(guī)的單片機(jī)系統(tǒng)和由PSD組成的系統(tǒng)進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)比較的示意圖,可見運(yùn)用PSD后,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到極大簡(jiǎn)化.

圖2 常規(guī)單片機(jī)系統(tǒng)和由PSD組成的兩片系統(tǒng)比較圖

2 ADMC401芯片說(shuō)明

對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),數(shù)字信號(hào)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(gè)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(gè)26MIPS定點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)元器件的控制.另外,它還包含三個(gè)計(jì)算單元、兩個(gè)數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個(gè)程序定序器,其中計(jì)算單元包含一個(gè)算術(shù)邏輯單元ALU、一個(gè)乘法/累加器?MAC 和一個(gè)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(gè)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(chǔ)存器RAM、2k×24位的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM、 1k×16位的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、一個(gè)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(duì)輸入實(shí)現(xiàn)雙通道同時(shí)采樣)、一個(gè)三相16位中心對(duì)稱的 PWM發(fā)生器(能以最小開銷產(chǎn)生高精度的PWM信號(hào))、一個(gè)增量編碼器接口單元、2個(gè)可調(diào)頻的輔助PWM輸出、12條I/O數(shù)字信號(hào)線、一個(gè)雙通道事件捕獲系統(tǒng)一個(gè)16位看門狗定時(shí)器和2個(gè)16位內(nèi)部定時(shí)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(shí)增添了重要的外存儲(chǔ)器和外設(shè)擴(kuò)展能力,因而可擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量,并使得DSP內(nèi)核能夠?qū)ぶ返?4k×24 位的外部程序存儲(chǔ)器和13k×16 位的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,從而為其與PSD接口提供方便.

圖3 單片數(shù)字信號(hào)處理(DSP)器ADMC401功能框圖

3 ADMC401與PSD311的接口設(shè)計(jì)

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(jì)兩片式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成為可能.對(duì)于8051,80196和 68HC11等微控制器來(lái)說(shuō),與PSD相配合是極為方便的.同樣,對(duì)于提供了外擴(kuò)程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的ADMC401來(lái)說(shuō),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(jià)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(lái)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(chǔ)器”的專用外部存儲(chǔ)空間將允許芯片和字節(jié)寬度的EPROM相連, 并在上電時(shí)通過存儲(chǔ)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(huì)產(chǎn)生不同的引導(dǎo)模式.另外,ADME401芯片還有一個(gè)專門的低電平有效信號(hào)BMS(Boot Memory Select,引導(dǎo)存儲(chǔ)器選擇),可用于簡(jiǎn)化引導(dǎo)存儲(chǔ)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(jì).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(jiǎn)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(hào)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(hào),而由ADMC401生成低有效讀和寫選通脈沖,它們通常與對(duì)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(lái)選通PSD311的EPROM和RAM.[!--empirenews.page--]

ADMC401有2k×24位的內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間.在采用EPROM引導(dǎo)程序模式時(shí)(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(chǔ)空間.當(dāng)然,應(yīng)用程序可能大于ADMC401內(nèi)部的程序存儲(chǔ)空間.但是,無(wú)需擔(dān)心,程序如果執(zhí)行到后面的代碼,ADMC401會(huì)自動(dòng)重新引導(dǎo).引導(dǎo)程序存儲(chǔ)器由八頁(yè)組成,每頁(yè)8k字節(jié).一頁(yè)中除了第一個(gè)字節(jié)外,每隔三個(gè)字節(jié)有一個(gè)空字節(jié),第一個(gè)字節(jié)是該頁(yè)的長(zhǎng)度,在兩個(gè)相鄰空字節(jié)中,每組三個(gè)字節(jié)包含一個(gè)要裝入DSP 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的24位指令,也就是說(shuō),2k×24位的內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間需要8k×8位的外部存儲(chǔ)空間.在ADMC401的開發(fā)工具中,有一個(gè)程序存儲(chǔ)器 PROM的分配器實(shí)用程序“SPL21.exe”可為用戶程序計(jì)算正確的頁(yè)長(zhǎng)度,并且根據(jù)適當(dāng)?shù)膮f(xié)議為用戶程序的字節(jié)進(jìn)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(diǎn)查詢.

需要注意的是,ADMC401的匯編語(yǔ)言調(diào)試源程序在用匯編語(yǔ)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(jìn)行編譯連接?以便最終生成一個(gè)“.exe”文件.這個(gè)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(duì)PSD的邏輯電路、I/O通道以及存儲(chǔ)空間分配進(jìn)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(wú)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(gè)重要的基礎(chǔ)部件.該部件與其它的無(wú)功補(bǔ)償裝置相比,雖然SVG裝置的成本要高一些,但其靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性、優(yōu)越的補(bǔ)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(jì)算(如濾波計(jì)算、瞬時(shí)無(wú)功計(jì)算)和各種控制手段(如矢量控制、PI控制)以及諸多信號(hào)的采集和發(fā)送.因此,系統(tǒng)對(duì)控制器的運(yùn)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(gè)主要部分:第一部分是由ADMC401和PSD311構(gòu)成的檢測(cè)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(gè)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(jī)推出的R系列IPM模塊7MBP100RA- 120 ,它將過去的IGBT單元、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等結(jié)合在一個(gè)模塊之中,從而極大地提高了實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)難度、縮小了裝置體積.電流的檢測(cè)則利用KT100-P型電流傳感器來(lái)完成,電壓的檢測(cè)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(dòng)的MGLS- 12032A液晶模塊.以上各部件的功能均可通過對(duì)ADMC401數(shù)字信號(hào)處理芯片進(jìn)行軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn).

5 結(jié)束語(yǔ)

通過將ADMC401和PSD311相結(jié)合,可真正實(shí)現(xiàn)只用兩個(gè)芯片組成一個(gè)功能強(qiáng)大的低成本最小單片機(jī)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(chǎng)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(kuò)展空間.使用時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況充分地利用其資源,以便完成更加復(fù)雜的任務(wù).