基于DSP的PWM波

1、基于DSP的PWM波形發(fā)生器設(shè)計學生姓名： 學生學號： 專 業(yè)： 二一五年十月攀枝花學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 摘 要PWM波形發(fā)生器在20世紀70年代有了飛速的發(fā)展,20世紀80年代,PWM波形發(fā)生器已應(yīng)用到各個工程技術(shù)領(lǐng)域，例如在工業(yè)控制中可以用它來控制各種電機、電力電子設(shè)備、逆變器等,它不管在軍用還是在民用系統(tǒng)中都發(fā)揮了積極的作用。本文首先對PWM波形發(fā)生器的基本原理和目前國內(nèi)外的發(fā)展狀況做了簡單介紹，然后介紹了基于DSP的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程，并對DSP的相關(guān)知識做了全面介紹，最后針對目前波形發(fā)生器的發(fā)展狀況和實際生活中的應(yīng)用，提出了基于DSP的PWM波形發(fā)生器的設(shè)計方法。論文完成

2、了基本的硬件電路設(shè)計和軟件算法設(shè)計。硬件設(shè)計方面，基于DSP芯片的相關(guān)特點，采用了DSP的LF2407芯片來完成本課題的硬件電路設(shè)計。軟件算法方面，根據(jù)要求采用了匯編語言進行程序設(shè)計，并給出了相關(guān)的源程序以及調(diào)試過程，最后對本設(shè)計的可行性和性能誤差進行了分析。關(guān)鍵詞 波形發(fā)生器，LF2407芯片，PWM，DSP目 錄摘 要.1 緒論11.1 引言11.2 課題背景1 1.2.1課題的研究目的和意義31.2.2 本文的主要研究內(nèi)容32 DSP開發(fā)流程42.1 DSP簡介42.2 DSP開發(fā)方案的設(shè)計與選擇52.3 DSP系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)流程72.4 DSP處理器軟、硬件開發(fā)工具簡介93 PWM波形發(fā)

3、生器的設(shè)計方法123.1 常見的設(shè)計方法簡介123.2 本文所采用的設(shè)計方法154 PWM波形發(fā)生器的硬件設(shè)計174.1 PWM波形發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)174.1.1 PWM波形產(chǎn)生原理174.1.2 TMS320LF2407的介紹174.1.3 系統(tǒng)硬件組成184.2 PWM波形產(chǎn)生器的DSP電路設(shè)計205 PWM波形發(fā)生器的軟件設(shè)計225.1 主程序流程圖225.2 PWM波形產(chǎn)生器的DSP程序設(shè)計22參考文獻33 1 緒論1.1 引言DSP（即數(shù)字信號處理器）自20世紀90年代后半期開始,逐漸成為人們關(guān)注的焦點。DSP是將模擬信號變換為數(shù)字信號,并進行高速處理的專用處理器,從算法上說,它具有乘

4、法和加法兩種特殊運算功能。它主要針對代表連續(xù)信號的數(shù)字進行數(shù)學運算,以得到相應(yīng)的處理結(jié)果。這種數(shù)學運算是以快速傅里葉變換(FFT)為基礎(chǔ),對數(shù)字信號進行實時處理。目前常見的DSP芯片有TI的TMS320系列,ADI公司的ADSP2100系列,Lucent的16000系列,Motorola公司的DSP 56602和56603系列等。用DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字信號處理具有很強的通用性和靈活性,因為DSP芯片體積小,運算速度極快,精度高,接口方便,特別適合處理復雜的數(shù)字信號處理算法。DSP將是未來集成電路中發(fā)展最快的電子產(chǎn)品,并成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素,它將徹底變革人們的工作、學習和生活方式。本文所

5、闡述的是PWM波形發(fā)生器所產(chǎn)生的PWM波形在工業(yè)控制中的應(yīng)用。1.2 課題背景隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，DSP（數(shù)字信號處理器）將越來越廣泛的運用在我們的日常生活中，尤其是在通信領(lǐng)域，DSP更是一種不可缺少的工具。而DSP在工業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用，其中基于DSP的PWM波形發(fā)生器在工業(yè)控制中尤為常見，可以用它來控制各種電機、電力電子設(shè)備、逆變器等。1.2.1課題的研究目的和意義各種波形發(fā)生器已廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中，無論是民用還是軍用，它的出現(xiàn)都各給人們帶來了方便。其中PWM波形發(fā)生器的應(yīng)用更為廣泛，據(jù)日本電氣協(xié)會1992年發(fā)表的一項關(guān)于PWM波形發(fā)生器的調(diào)查報告表明，到2001年,PWM

6、波形發(fā)生器的需求平均年增長率為12.7%，其中通信領(lǐng)域的需求增長率超過15%，全球PWM波形發(fā)生器市場規(guī)模從92年的82億增加到99年的166億美元，平均年增長率為10%，到03年全球開關(guān)電源規(guī)模超過288億美元。因此，普及PWM波形發(fā)生器的應(yīng)用，己經(jīng)成為電力電子技術(shù)中的一個重大課題。同時，為了保證通信領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域的安全經(jīng)濟運行，目前許多工業(yè)國家和組織都開始了對PWM波形發(fā)生器的深入研究，我國從20世紀以來就開始了對PWM波形發(fā)生器的研究，目前，我國在這方面的發(fā)展已經(jīng)取到了許多重大突破?？傊?，對PWM波形發(fā)生器的工程應(yīng)用研究還有待繼續(xù)深入。1.2.2 本文的主要研究內(nèi)容本文在進行大量有關(guān)

7、PWM波形發(fā)生器的文獻研究和資料分析的基礎(chǔ)上，主要完成以下工作：（1）首先閱讀了大量關(guān)于PWM波形發(fā)生器的文章，對該系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)有了一定的了解。通過對各種PWM波形發(fā)生器的工作原理進行比較詳細的分析，建立了PWM波形發(fā)生器的數(shù)學模型，為后面的分析提供了理論基礎(chǔ)。（2）并對DSP的相關(guān)概念和DSP芯片的發(fā)展與應(yīng)用做了簡單的介紹。（3）采用DSP的LF2407芯片的通用定時器，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件電路。（4）基于軟件實現(xiàn)方案，利用匯編和C語言的混合編程，編寫了其實現(xiàn)程序，完成了對PWM波形發(fā)生器的數(shù)字控制。12 DSP開發(fā)流程2.1 DSP簡介DSP（digital signal processo

8、r）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器件，其主機應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有以下主要特點：（1）在一個指令周期內(nèi)可

9、完成一次乘法和一次加法；（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；（3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；（4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持；（6）具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；（7）可以并行執(zhí)行多個操作；（8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。2.2 DSP開發(fā)方案的設(shè)計與選擇十多年前，DSP以其高速、低功耗和高集成度在軍事、航天等領(lǐng)域大顯身手，隨著半導體工藝的進步和工業(yè)民用領(lǐng)域的大量采用，近幾年來，DSP價格大幅下調(diào)，而性能卻不斷提高，以不可阻擋的趨勢進入通信、工業(yè)控制和消費領(lǐng)

10、域，DSP正日漸成為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的重要基石。從DSP應(yīng)用范圍看，DSP可分為通用DSP和專用DSP兩種。其中專用DSP往往是實現(xiàn)信號處理的某些專項功能，實現(xiàn)方式則往往是通用DSP的掩模版本,生產(chǎn)通用DSP的主要廠家有TI公司，AD公司,Motorola, Lucent，其中TI公司著名的TMS320系列占據(jù)了國際市場接近一半的市場份額。當我們確定了采用DSP方案以后，首先要做的就是DSP系統(tǒng)的功能需求分析，根據(jù)需求選擇合適的DSP芯片和相應(yīng)的開發(fā)、仿真工具。2.2.1 DSP系統(tǒng)的功能需求分析在確定了某個具體應(yīng)用以后，我們要做的第一件事就是構(gòu)造出一個DSP系統(tǒng)功能框圖（圖略）。DSP系統(tǒng)設(shè)計中

11、要考慮如下幾個重要方面：(1)DSP系統(tǒng)處理的模擬帶寬。根據(jù)這個帶寬，選擇合適的A/D采樣率，A/D采樣頻率必須服從采樣定理。語音信號一般為幾kHz到幾十kHz，圖像信號則可達幾MHz；(2)實時性要求。系統(tǒng)設(shè)計中實時性與非實時性對系統(tǒng)要求的差異非常之大；(3)算法的復雜度。為了獲得較好的系統(tǒng)處理性能，往往要采用復雜算法，而算法越復雜，對DSP處理器的要求也就越多。有時需要在算法的復雜度和處理速度之間進行折衷；4(4)DSP系統(tǒng)處理精度要求。一般而言，在高精度要求中往往采用專業(yè)浮點DSP，其它場合采用定點DSP就足夠了。在實際應(yīng)用中采用塊浮點方法能有效提高定點DSP的處理精度；(5)成本要求。

12、在軍事和航天用途中，為了高性能、高可靠性和留有發(fā)展余地，往往盡量采用高性能DSP處理器，甚至不計成本。而在工業(yè)和消費領(lǐng)域中，為了保持最終產(chǎn)品在市場上的競爭力，往往要尋找性能、價格比最好的產(chǎn)品；(6)可靠性要求。DSP處理系統(tǒng)所有器件的選擇，必須考慮產(chǎn)品的最后應(yīng)用場合，原則上是星載系統(tǒng)采用宇航級，軍事應(yīng)用采用軍品，工業(yè)場合選用工業(yè)級器件，民用選用商品級即可。最后所選用的器件要考慮是否對應(yīng)級別；(7)方便開發(fā)和使用。為了方便開發(fā)仿真，DSP系統(tǒng)設(shè)計師最好選用帶JTAG硬件仿真接口的DSP芯片，既能方便開發(fā)，又便于此后生產(chǎn)中的測試；2.2.2 DSP算法的驗證與模擬一個實際的DSP處理系統(tǒng)必然要使用

13、各種算法，要求DSP系統(tǒng)設(shè)計者在選擇某種算法前就精通各種算法的細節(jié)是不現(xiàn)實的。DSP處理系統(tǒng)所選用的算法無非是各種通用算法的組合和改進。革命性的算法不是DSP設(shè)計師的任務(wù)，DSP系統(tǒng)設(shè)計師應(yīng)盡量選用成熟可靠、經(jīng)過時間考驗的算法，而支持各種通用算法的DSP模擬軟件市場上已有不少。我們對其中的一些優(yōu)秀產(chǎn)品作簡單介紹：(1)SPW工作站：cadence公司產(chǎn)品，含有大量的算法庫，對通信系統(tǒng)設(shè)計尤其適合。(2)Matlab工具包：該軟件在國內(nèi)高校中已經(jīng)開始流行，該軟件矢量矩陣處理功能很強，最新版本中信號處理功能大大加強。(3)Dalisp軟件：優(yōu)秀的信號處理軟件包，網(wǎng)上有免費的高校版讀者，可自行下載使

14、用。在用如上的工具模擬挑選出了合適的算法組合以后，設(shè)計師就可應(yīng)用高級語言在PC機上進行實際編程驗證，設(shè)計出DSP的軟件處理流程，并給出最終可實現(xiàn)的軟件需求分析。2.2.3 DSP開發(fā)工具的選擇在選定了DSP器件型號后，則應(yīng)進行DSP開發(fā)工具的選擇，DSP必備的開發(fā)工具有如下幾種：（1）ASM/LINK；匯編/鏈接器；（2）JTAG硬件仿真器，可全透明地訪問DSP的所有資源而不占用用戶任何資源；（3）Debugger調(diào)試器；其他選件還有：C編譯器、實時操作系統(tǒng)和算法庫。下面以TMs320cZxx/c24x系列為例，介紹國內(nèi)外DSP開發(fā)系統(tǒng)簡況。6匯編/鏈接器：該軟件由TI公司的產(chǎn)品提供，型號為T

15、MD32485002。JTAG硬件仿真器：TI公司型號為XDS510，TI公司正式認證的國內(nèi)第三方合作伙伴也能提供JTAG硬件仿真器。但用戶選擇國內(nèi)產(chǎn)品時，應(yīng)注意有的仿真器無法與TI公司的XDS510兼容，而北京聞亭等公司的產(chǎn)品卻能與XDS510兼容得非常好。兼容意味著用戶的很多投資可得到保護。Debugger調(diào)試軟件：與XDS510配合使用，通過該軟件能訪問用戶DSP系統(tǒng)的所有資源。最新的調(diào)試軟件應(yīng)該基于Win95平臺，能夠圖形化，有效地顯示存儲器的波形和頻譜。另外，將C編譯、匯編/鏈接調(diào)試集成在一起的集成調(diào)試環(huán)境是新一代調(diào)試軟件的必備功能。2.2.4 DSP系統(tǒng)調(diào)試在選擇了合適的DSP開發(fā)

16、工具后，設(shè)計師就會做具體的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計應(yīng)注意如下要點：認真處理好復位和時鐘信號。在DSP電路中，對所有的輸入信號必須有明確的處理，不能懸浮和置之不理。模擬電路和數(shù)字電路獨立布線，最后單點連接電源和地。軟件設(shè)計則應(yīng)嚴格按照軟件工程的方法進行管理。一個實際的DSP系統(tǒng)的調(diào)試總要經(jīng)過多次反復，需要設(shè)計者和調(diào)試者有足夠的耐心，堅強的意志和九死一生的精神。做一個現(xiàn)代設(shè)計師非常辛苦，必須不斷的糾正自己所犯下的各種設(shè)計錯誤。只有當系統(tǒng)可靠地運行并得到市場和社會承認后，才能松一口氣，美美的睡上一覺，然后又充滿信心地開始下一輪的設(shè)計。2.3 DSP系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)流程在設(shè)計需求規(guī)范，確定設(shè)計目標時，

17、其實要解決二個方面的問題：即信號處理方面和非信號處理方面的問題。信號處理的問題包括：輸入、輸出結(jié)果特性的分析，DSP算法的確定，以及按要求對確定的性能指標在通用機上用高級語言編程仿真。非信號處理問題包括：應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備的可靠性指標，設(shè)備的可維護性，功耗、體積重量、成本、性能價格比等項目。算法研究與仿真這是DSP實際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中重要的一步。系統(tǒng)性能指標能否實現(xiàn)，以及何種算法和結(jié)構(gòu)能夠滿足需求，這些都是在這一步考慮的。這種仿真是在通用機上用高級語言編程實現(xiàn)的，編程時最好能模仿DSP處理器形式運行，以達到更好的真實性。在DSP芯片選擇中通常有以下幾條注意事項：（1）精度：表數(shù)格式（定點或浮點），通

18、常可以用定點器件解決的問題，盡量用定點器件，因為它經(jīng)濟、速度快、成本低，功耗小。但是在編程時要關(guān)注信號的動態(tài)范圍，在代碼中增加限制信號動態(tài)范圍的定標運算。（2）字長的選擇：一般浮點DSP芯片都用32位的數(shù)據(jù)字，大多數(shù)定點DSP芯片是16位數(shù)據(jù)字。而MOTOROLA公司定點芯片用24位數(shù)據(jù)字，以便在定點和浮點精度之間取得折中。字長大小是影響成本的重要因素，它影響芯片的大小、引腳數(shù)以及存儲器的大小，設(shè)計時在滿足性能指標的條件下，盡可能選用最小的數(shù)據(jù)字。 （3）存儲器安排：包括存儲器的大小，片內(nèi)存儲器的數(shù)量，總線尋址空間等。片內(nèi)存儲器的大小決定了芯片運行速度和成本，例如TI公司同一系列的DSP芯片，

19、不同種類芯片存儲器的配置等硬件資源各不相同。2.4 DSP處理器的軟、硬件開發(fā)工具簡介隨著DSP處理器的功能不斷強化和系統(tǒng)開發(fā)周期不斷縮短，設(shè)計和調(diào)試DSP系統(tǒng)越來越依賴于DSP開發(fā)系統(tǒng)和開發(fā)工具，圖2-2為DSP處理器開發(fā)流程圖。雖然廠家不同，但提供的開發(fā)調(diào)試工具大致類同，一般有下列幾種：（1）C語言編譯器(C Compiler)一般廠家為了開發(fā)DSP系統(tǒng)方便、減小編寫匯編程序的難度，都提供了高級語言設(shè)計方法：一般是C語言。開發(fā)系統(tǒng)針對DSP庫函數(shù)、頭文件及編寫的C 程序，自動生成對應(yīng)的匯編語言，這一步稱為C編譯。C編譯器通常符合ANSI C標準，可以對編寫的程序進行不同等級的優(yōu)化，以產(chǎn)生高

20、效的匯編代碼；C編譯器還具有對存儲器的配置、分配及部分鏈接功能，并具有靈活的匯編語言接口等多種功能。C編程方法易學易用，但編譯出的匯編程序比手工匯編程序長得多，因而效率一般只有20%40%。為了克服C編譯器低效率，在提供標準C庫函數(shù)同時，開發(fā)系統(tǒng)也提供了許多針對DSP運算的高效庫函數(shù)，例如FFT、FIR、IIR、相關(guān)、矩陣運算等，它們都是手工匯編的。10C源程序匯編源文件C編譯器庫文件匯編器鏈接器可執(zhí)行代碼碼結(jié)構(gòu)文件開發(fā)板/實驗板硬件仿真器軟件模擬器目標板測試/調(diào)試板產(chǎn)EPROM碼 圖2-2 DSP開發(fā)工具及開發(fā)流程圖（2）帶有高級語言調(diào)用/返回接口一般為了得到高效編程，在系統(tǒng)軟件開發(fā)中，關(guān)鍵

21、的DSP運算程序都是自行手工用匯編語言編寫，按照規(guī)定的接口約定，由C程序進行調(diào)用，這樣極大提高編程效率。（3）匯編器（Assembler）將匯編語言原文件轉(zhuǎn)變?yōu)榛诠媚繕宋募袷降臋C器語言目標文件。（4）鏈接器（Linker）它是將主程序、庫函數(shù)和子程序以及由匯編器產(chǎn)生的目標文件鏈接在一起，產(chǎn)生一個可執(zhí)行的模塊，形成DSP目標代碼。（5）軟件模擬器（Simulator）它是脫離硬件的純軟件仿真工具。將程序代碼加載后，在一個窗口工作環(huán)境中，可以模擬DSP的運行程序，同時對程序進行單步執(zhí)行、設(shè)置斷點，對寄存器/存儲器進行觀察、修改，統(tǒng)計某段程序的執(zhí)行時間等。通常在程序編寫完以后，都會在軟件仿真器

22、上進行調(diào)試，以初步確定程序的可運行性。軟件仿真器的主要欠缺是對外部接口的仿真不夠完善。（6）硬件仿真器（Emulator）在線仿真工具，它用JTAG接口電纜把DSP硬件目標系統(tǒng)和裝有仿真軟件/仿真卡的PC接口板連接起來，用PC平臺對實際硬件目標系統(tǒng)進行調(diào)試，能真實地仿真程序在實際硬件環(huán)境下的功能。DSP開發(fā)系統(tǒng)，這是由廠家提供的一個包含DSP、存儲器、常用接口電路的通用電路板和相應(yīng)軟件的軟/硬件系統(tǒng)。通常有兩種形式，一種是電路板卡的形式，插入計算機中；另一種是通過計算機的串口或并口連接到計算機。這些都是通過計算機的控制端口來控制DSP的運行，并且有簡單的DSK（DSP starter Kit）

23、入門套件，和較為復雜的EVM（Evaluation Module）評估模塊等。這些都有助于初學者熟悉和使用DSP處理器的應(yīng)用，也可以作為程序的初步運行對象，方便調(diào)試。隨著DSP應(yīng)用范圍的擴大、處理能力的加強以及DSP更新速度的加快，DSP處理系統(tǒng)越來越復雜，對設(shè)計者來說難度也越來越大，為此有的廠家已產(chǎn)生出一定標準，依據(jù)標準來設(shè)計生產(chǎn)電路板級DSP處理模塊，同時為這種標準模塊提供豐富的軟件開發(fā)系統(tǒng)和算法庫。其中典型的如TMS320C4X和SDSP2106X，它們可以通過通信口和全局總線插座，將若干個模塊安裝在母板上，方便地組成多處理器系統(tǒng)。這種模塊化設(shè)計降低了硬件設(shè)計難度，減少了硬件設(shè)計時間，有

24、利于更高效的開發(fā)DSP系統(tǒng)。 3 PWM波形發(fā)生器的設(shè)計方法3.1 常見的設(shè)計方法簡介采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導體開關(guān)器件的導通和關(guān)斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，

25、PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點，到目前為止主要有以下8類方法。 3.1.2硬件調(diào)制法硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。其實現(xiàn)方法簡單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來

26、確定它們的交點，在交點時刻對開關(guān)器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復雜，難以實現(xiàn)精確的控制。 4 PWM波形發(fā)生器的硬件設(shè)計4.1 PWM波形發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)4.1.1 PWM波形產(chǎn)生原理一般的采樣型SPWM法分自然采樣法和規(guī)則采樣法，自然采樣法是將基準正弦波與一個載波三角波相比較，由兩者的交點決定開關(guān)模式的方法。由于自然采樣法得到的數(shù)學模型需要解超越方程，因而并不適合微控制器進行實時控制，又因為實踐檢驗對稱波形比非對稱波形在三相電的相電流中引起的諧波失真小，所以我們使用對稱規(guī)則采樣法作為本系統(tǒng)的數(shù)學模型。 這里說明一下使用TI公司的DSP芯片TMS320LF240

27、7（以下簡稱2407）來產(chǎn)生PWM信號的原理：由于產(chǎn)生一個PWM信號需要有一個適合的定時器來重復產(chǎn)生一個與PWM周期相同的計數(shù)周期，并用一個比較寄存器來保持調(diào)制值，因此，比較寄存器的值應(yīng)不斷與定時寄存器的值相比較，這樣，當兩個值相匹配時，就會在響應(yīng)的輸出上產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換（從低到高或從高到低），從而產(chǎn)生輸出脈沖，輸出的開啟（或關(guān)閉）時間與被調(diào)制的數(shù)值成正比，因此，改變調(diào)制數(shù)值，相關(guān)引腳上輸出的脈沖信號的寬度也將隨之改變。通過TMS320LF2407的事件管理器模塊可以產(chǎn)生一定占空比的PWM脈沖信號，而使用其中的通用定時器、全比較單元和單比較單元則均可發(fā)出PWM脈沖，由DSP的PWM口可輸出一系列等

28、幅不等寬的PWM波形信號，這些信號再經(jīng)過外圍一系列調(diào)理電路的變換之后，便可以得到所需要的三相交流正弦波信號了。事實上，在硬件上，DSP有兩個設(shè)計一樣的事件管理模塊（EVA/EVB），每一個事件管理模塊都有6個PWM輸出口，故可輸出兩組三相SPWM波，一般均可滿足通常的設(shè)計需要。 4.1.2 TMS320LF2407的介紹TMS320LF2407是德州儀器公司（TI）推出的16位定點DSP。如圖4-1所示。它除了具有TMS320系列DSP的基本功能外，還具有以下一些特點：（1）用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減少了控制器的功耗。（2）內(nèi)有高達32K×16位的Flas

29、h程序存儲器，高達2.5K×16位的數(shù)據(jù)/程序RAM，544×16位雙端口RAM（DARAM），2K×16位的單口RAM（SARAM）。（3）2個事件管理模塊EVA和EAB，事件管理模塊適用于控制交流感應(yīng)電機、無刷直流電機、開關(guān)磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。（4）可擴展的外部存儲器總共192K×16位，其中程序存儲器空間、數(shù)據(jù)存17儲器空間、I/O尋址空間各為64K×16位。（5）內(nèi)有看門狗定時器（WDT）、10位ADC轉(zhuǎn)換器、控制器區(qū)域網(wǎng)模塊CAN2.0B、串行通信接口模塊(SCI)、16位串行外部設(shè)備接口模塊(SPI)、基于鎖相環(huán)的

30、時鐘發(fā)生器。（6）5個外部中斷（兩個電機驅(qū)動保護、復位和兩個可屏蔽中斷）；3種低功耗電源管理模式，能獨立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。此外，該芯片有多達41個可單獨編程或復用的通用I/O腳（GPIO），用戶可根據(jù)自己的需求進行軟件設(shè)置，使之在應(yīng)用中具有極大的靈活性。概括來說，TMS320LF2407具有極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)方式。（1）控制器部分本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320LF2407 DSP處理器，該器件具有外設(shè)集成度高，程序存儲器容量大，A/D轉(zhuǎn)換精度高，運算速度快，I/O口資源豐富等特點，芯片內(nèi)部集成有32KB的FLASH程序存儲器、2KB的

31、數(shù)據(jù)/程序RAM，兩個事件管理器模塊（EVE和EVB）、16通道A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時器模塊、16位的串行外設(shè)接口（SPI）模塊、40個可單獨編程或復用的通用輸入輸出引腳（GPIO）以及5個外部中斷和系統(tǒng)監(jiān)視模塊。段驅(qū)動器2×SN74LS07四位LED位驅(qū)動器74LS06DSP微控制器TMS320LF2407PGE獨立式四鍵功能鍵盤電源（自帶復位功能）Clock Circuit緩沖及電平轉(zhuǎn)換電路輸出PWM波圖4-2 PWM波形發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)框圖TMS320LF2407芯片中的事件管理模塊（EV）是一個非常重要的組成部分。SPWM波形的產(chǎn)生和輸出就是由這一部分完成的，它由兩個完全相同

32、的模塊（EVA和EVB）組成，每個模塊都含有2個通用定時器、3個比較器、6至8個PWM發(fā)生器、3個捕獲單元和2個正交脈沖編碼電路（QEP）。由于TMS320LF2407有544字的雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SARAM）；而本系統(tǒng)的程序僅有幾Kb,且所用RAM也不多，因此不用考慮存儲器的擴展問題，而對于TMS320LF2407的I/O擴展問題，由于TMS320LF2407器件有多達40個通用、雙向的數(shù)字I/O（GPIO）引腳，且其中大多數(shù)的基本功能和一般I/O復用的引腳，而實際上，本系統(tǒng)只需要17路I/O信號，這樣，就可以為系統(tǒng)剩余50%多的I/O資源，因此可以說該方案既不算

33、浪費系統(tǒng)資源，也為系統(tǒng)今后的升級留有余地。（2）輸出D/A通道部分本系統(tǒng)的輸出通道部分主要負責實現(xiàn)波形的輸出，此通道的入口為TMS320LF2407的PWM8口，可輸出SPWM等幅脈沖波形，出口為系統(tǒng)的輸出端，這樣，經(jīng)過一系列的中間環(huán)節(jié)，便可將PWM脈沖波轉(zhuǎn)化為交流正弦波形，從而實現(xiàn)正弦波的輸出。 圖4-2中的緩沖電路的作用是對PWM口輸出的數(shù)字量進行緩沖，并將電壓拉高到5V左右，以供后級模擬電路濾波使用。這一部分電路由兩個芯片組成。一片用三態(tài)緩沖器，由于PWM口的輸出為3.3V的TTL電平，這樣，在設(shè)計時就應(yīng)當選用輸入具有5V的TTL輸入，CMOS輸出電平的轉(zhuǎn)換芯片（如TI公司的74HCT0

34、4）；另一片則可選用TOSHIBA公司出品的光電耦合器6N137；輸出端連接的519V精密穩(wěn)壓電源可選用BURR-BROWN公司生產(chǎn)的REF02型精密穩(wěn)壓電源，以輸出標準的5V電壓。系統(tǒng)中減法電路的主要作用是把0-10V直流脈動信號轉(zhuǎn)換成-5+5V的正弦交流信號，并使其電壓增益為1。設(shè)計時可利用差分式電路來實現(xiàn)其功能,為了簡化電路，可以選用較為常用的AD公司的AD524，并將AD524接成電壓跟隨器的形式，同時適當?shù)倪x取電阻以滿足要求，此外，為了使產(chǎn)生的正弦波信號具有2-5mA的驅(qū)動能力，可選用AD624來構(gòu)成末級的信號放大電路。AD624是高精度低噪聲放大器，若外接一只增益電阻，即可得到1-

35、1000之間的任意增益值，其誤差小于1%。由于AD624的建立時間只有15s，所以它非常適宜在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用。 （3）驅(qū)動器設(shè)計 位驅(qū)動器電路由兩片集成電路組成，即由位驅(qū)動的CMOS芯片和將TTL電平轉(zhuǎn)換成CMOS電平的電平轉(zhuǎn)換芯片組成，電平轉(zhuǎn)換芯片可以和輸出通道的電平轉(zhuǎn)換芯片共用一片74HCT244（本部分使用4路，輸出通道使用3路），其主要作用是對DSP輸出的3.3V TTL電平與5V CMOS電平進行匹配，從而帶動具有CMOS電平的位驅(qū)動器，根據(jù)動態(tài)掃描顯示的要求，位驅(qū)動器需要選用每路輸出吸收電流都要大于200mA的芯片，因此，本設(shè)計選用了TI公司的74LS06來做LED的大電流

36、驅(qū)動器件。 （4）鍵盤設(shè)計 本系統(tǒng)選用四個獨立式按鍵，分別接入PF3-PF6口，并使用四個220上拉電阻接VCC。所謂獨立式，就是將每一個獨立鍵按一對一地直接接到I/O輸入線上，而在讀鍵值時，直接讀I/O口，每一個鍵的狀態(tài)通過讀入鍵值的一位（二進制位）來反應(yīng)，所以這種方式也稱為一維直讀方式，這種方式的查鍵軟件比較簡單，但占用I/O線較多，一般在鍵的數(shù)量較少時采用，不過，由于DSP芯片有足夠的I/O接口可供使用，因而可大大方便設(shè)計，設(shè)計時可以充分利用這一特點來連接硬件，至于按鍵的削抖動措施，則可在軟件中完成。4.2 PWM波形發(fā)生器的DSP電路設(shè)計基于LF2407的采用通用定時器GPT1產(chǎn)生PW

37、M波形的電路原理如圖4-3所示。從圖4-3中可以看出，在DSPLF2407的16引腳（T1PWM/T1CMP/IOPB4）輸出一個PWM波，其載波由通用定時器的周期寄存器控制，其有效的PWM脈寬由通用定時器的比較寄存器控制。LF2407的地Vss(CPU核的地)和Vsso(I/O端口和緩沖器的地)要正確接地，這是保證DSP正常工作的前提。DSP的時鐘由石英晶體提拱，一定要保證DSP時鐘的正確性，它是輸出PWM波的前提。 圖4-3 采用通用定時器GPT1產(chǎn)生PWM波形的電路基于LF2407的采用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生PWM波形的電路如圖4-4所示。圖4-4 采用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生PWM波形的電路 從圖4

38、-4中可以看出，DSP LF2407的脈寬調(diào)制電路的輸出端（PWM7PWM12）一共產(chǎn)生了3組（6個）PWM波，它是由通用定時器GPT3控制的，在每一對PWM波輸出中都可采用死區(qū)控制，并且其極性也是受控制的，在線調(diào)節(jié)十分方便。在DSP的CPU和通用定時器初始化后，在沒有CPU管理的情況下，LF2407的脈寬調(diào)制電路的輸出端將輸出實時正確的波形。5 PWM波形發(fā)生器的軟件設(shè)計5.1主程序流程圖脈沖發(fā)生器的核心元件是一片TMS320C32的數(shù)字信號處理器。脈沖發(fā)生就是通過對這個器件的編程來實現(xiàn)的。在軟件中,首先初始化DSP,擴展脈沖波形數(shù)據(jù)，再由擴展后得到的數(shù)據(jù)生成地址表。發(fā)脈沖時,根據(jù)控制器所給

39、的調(diào)制比m 查詢地址表,得到對應(yīng)于特定m 的脈沖加載角度和狀態(tài)字節(jié)的地址,最后在中斷服程序中計算加載時間并輸出脈沖狀態(tài),主程序流程如圖5-1所示。DSP初始化調(diào)入脈沖數(shù)據(jù)并擴展,生成地址表接收第一個m和f,輸出第一個脈沖狀態(tài)字節(jié)定時器中斷和全局中斷使能,啟動定時器循環(huán)接收新的m和f,等待中斷,以輸出脈沖序列開始圖5-1 主程序流程圖5.2 PWM波形發(fā)生器的DSP程序設(shè)計采用DSP的LF2407芯片的事件管理器的脈寬調(diào)制電路來產(chǎn)生PWM波形,DSP LF2407的兩個事件管理器可以產(chǎn)生多達6對(即12個)PWM波形輸出,并且這些輸出的極性均可在線控制,還帶有可編程的死區(qū)控制寄存器,能夠滿足大多

40、數(shù)電機控制和電力電子的應(yīng)用系統(tǒng).它在通用定時器的比較匹配時也能產(chǎn)生非對稱和對稱的PWM波的輸出。該方法也不占用CPU的資源。22以下程序代碼是用通用定時器（GPT1）產(chǎn)生PWM波形發(fā)生器的主程序和系統(tǒng)初始化程序，在程序代碼后都添加了詳細的解釋說明。請注意產(chǎn)生PWM波時事件管理模塊中各個寄存器的配置方法和配置順序，特別是定時器的寄存器的配置順序不能顛倒，否則將無法產(chǎn)生程序所需要的PWM波形。 采用通用定時器（GPT1）產(chǎn)生可在線調(diào)整的PWM脈沖波 本程序的文件名：GPT1_pwm_generate.asm .title “GPT1_pwm_generate.asm”.include “if240

41、7_regs.h”.include “pwm_generate_vec.asm”.def _cy_begin.dataInput_Carrier .word 00hInput_PWM .word 00h .text_cy_begin: NOP CALL system_init CALL GPT1_PWM_initcy_WAIT: NOP NOP24 B cy_WAITSystem_init: SETC INTM CLRC OVM CLRC SXM CLRC CNF LDP #DP_PF1 SPLK #081FEH,SCSR1 SPLK #0E8h, WDCR LDP #0 SPLK #0002

42、h,IMR SPLK #0FFFFh,IFR RETGPT1_PWM_init: LDP #DP_PF2 LACL MCRA OR #1000H SACL MCRA LDP #DP_EVA SPLK #0FFFFH,EVAIFRA SPLK #0FFFFH,EVAIFRB SPLK#0FFFFH,EVAIFRC SPLK #0042H,GPTCONA SPLK #0, T1CNT SPLK#375, T1PR SPLK#187, T1CMPR SPLK#0100H, EVAIMRA SPLK#0000H, EVAIMRBSPLK#0000H, EVAIMRCSPLK#0C46H, T1CON

43、CLRC INTM RETGISR2: LDP #DP_PF1 LACC PIVR, 1 ADD #PVECTORS BACCTICINT_ISR: LDP #6 LACL Input_Carrier LDP #DP_EVA SACL T1PR26 LDP #6 LACL Input_PWM LDP #DP_EVA SACL T1CMPR CLRC INTM RET PHANTOM: LDP #DP_PF1 SPLK #05555h, WDKEY SPLK #0AAAAh, WDKEY RET .end以下程序代碼是采用LF2407的脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生PWM波形的主程序和系統(tǒng)初始化程序。該程序在

44、DSP的輸出端（PWM7PWM12）一共產(chǎn)生了3組（6個）PWM波，它是由通用定時器GPT3控制的，在每一對PWM波輸出中都可采用死區(qū)控制，并且其極性也是受控制的，程序如下： 采用脈寬調(diào)制電路來產(chǎn)生可在線調(diào)整的并帶死區(qū)控制的PWM脈沖波本程序的文件名：PWM_pwm_generate.asm .title “PWM_pwm_generate.asm” .include “If2407_regs.h” .include “pwm_ generate_vec.asm” .def _cy_beginInput_Carrier .word 00hInput_PWM_7_8 .word 00hInput

45、_PWM_9_10 .word 00hInput_PWM_11_12 .word 00hInput_DeadBand .word 00h .text_cy_begin NOP CALL system_init CALL PWM_PWM_initcy_WAIT: NOP NOP B cy_WAITSystem_init: SETC INTM CLRC OVM CLRC SXM CLRC CNF LDP #DP_PF127 SPLK #081FEh, SCSR1 SPLK #0E8h, WDC R LDP # 0 SPLK #0002h, IMR SPLK #0FFFFh, IFR RETPWM_

46、PWM_init: LDP #DP_PF2 LACL MCRC OR #007Eh SACL MCRC LDP #DP_EVB SPLK #0FFFFh, EVBIFRA SPLK #0FFFFh, EVBIFRB SPLK #0FFFFh, EVBIFRC SPLK#0666h, ACTRB SPLK #0F94h, DBTCONB SPLK #1200, CMPR4 SPLK #750, CMPR5 SPLK#300, CMPR6SPLK #1499, T3PRSPLK #0A600h, COMCONBSPLK #0, T3CNTSPLK #41h, GPTCONBSPLK#0080h,

47、EVBIMRASPLK#0000h, EVBIMRBSPLK#0000h, EVBIMRCSPLK#144Eh, T3CONCLRC INTMRETGISR2: LDP #DP_PF1 LACC PIVR, 1 ADD #PVECTORS BACCT3GB_ISR: LDP #6 LACL Input_Carrier LDP #DP_EVB SACL T3PR LDP #6 LACL Input_PWM_7_8 LDP #DP_EVB SACL CMPR4 LDP #6 LACL Input_PWM_9_10 LDP #DP_EVB SACL CMPR5 LDP #6LACL Input_PW

48、M_11_12 LDP #DP_EVB SACL CMPR6 CLRC INTM RETPHABNTOM: LDP#DP_PF1 SPLK#05555h, WDKEY SPLK#0AAAAh, WDKEY RET .end以下程序代碼是本實例程序的系統(tǒng)配置命令文件，該文件實現(xiàn)對程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間的分配，從該配置文件中可以看到本實例的存儲器空間和配置方法。 -stack 40MEMORYPAGE0: VECS: origin=0000h, length=0040h PVECS: origin=0044h, length=0100h PM: origin=0150h, length=7EB

49、0hPAGE1: BLOCK_B2: origin=0060h, length=0020h BLOCK_B0: origin=0200h, length=0100h BLOCK_B1: origin=0300h, length=0100h SARM:origin=0800h, length=0800h EX_DM: origin=8000h, length=8000hSECTIONS28 .vectors: >VECS PAGE 0 .pvecs: >PVECS PAGE0 .text: >PM PAGE0 .data : >BLOCK_B1 PAGE15.2.2程序說

50、明及仿真結(jié)果（1）對于一個實際的DSP系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的中斷管理是不可缺少的，因為目前任何DSP實時系統(tǒng)都有中斷，中斷是DSP系統(tǒng)和外部世界發(fā)生實時聯(lián)系的一個重要手段。作為TI公司的C2000系列DSP，它是偏向于控制的DSP芯片，因此它的中斷管理更豐富和先進，讀者理解起來也比較困難。LF2407支持6個一級可屏蔽中斷，采用集中化的中斷擴展設(shè)計來滿足大量的外設(shè)中斷請求，所以每一級中斷又有多個中斷源，例如一級中斷INT2包含的中斷源有比較器1、2、3、4、5、6中斷，定時器1、3的周期、比較、下溢、上溢中斷等。為了正確地響應(yīng)外設(shè)中斷，應(yīng)該分兩步來完成中斷服務(wù)子程序。在本例的程序GPT1_pwm_g

51、enerate.asm中，采用通用定時器1的比較器中斷來產(chǎn)生PWM波，當CPU響應(yīng)該中斷時，首先轉(zhuǎn)移到一級中斷INT2中，也即GISR2處執(zhí)行，在一級中斷INT2中讀取外設(shè)中斷向量寄存器（PIVR）的值，它是個偏移量，再加上中斷子向量的首地址，程序就可以轉(zhuǎn)移到二級中斷子向量T1CINT_ISR(定時器1比較中斷)子程序中，執(zhí)行相應(yīng)的操作后即完成了一次中斷調(diào)用。（2）LF2407通過外設(shè)中斷擴展控制器（PIE）來實現(xiàn)集中化的中斷擴展管理，這可以實現(xiàn)在占用及少資源情況下，大大擴展可用的中斷源。因此在實際的DSP程序中，中斷向量表和中斷子向量表程序是不可缺少的，讀者在自行編程序時一定要在主程序中用.include匯編偽指令把本實例介紹的向量表文件pwm_generate_vec.asm包括進來。（3