第8-10章DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

第10章DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計10.12407DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計10.2基于DSP的數(shù)字運(yùn)動控制系統(tǒng)10.3快速傅里葉變換與FIR數(shù)字濾波器

110.12407DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計2407DSP系統(tǒng)

一個典型的2407DSP應(yīng)用系統(tǒng)2電源電路復(fù)位電路時鐘電路JTAG電路存儲器擴(kuò)展電平轉(zhuǎn)換CAN接口電路RS232/485接口電路指示燈電路，A/D,D/A電路運(yùn)算放大器電路、功率驅(qū)動電路鍵盤與顯示電路DSP應(yīng)用系統(tǒng)基本電路31.電源電路

2407DSP系統(tǒng)需要3.3V電源，片內(nèi)外設(shè)電源VDDIO為。2407DSP的Flash編程電壓VCCP為5V，ADC有時需要獨(dú)立的模擬電源。采用TPS7333Q的DSP電源電路

42.時鐘電路

2812DSP的時鐘電路有內(nèi)部振蕩器方式和外部振蕩器方式，即無源晶振和有源晶振方式。有源晶振驅(qū)動能力較強(qiáng)，頻率范圍很寬，在1Hz~400MHz之間。無源晶體價格便宜，但是它的驅(qū)動能力較差，一般不能提供給多個器件共享，且頻率范圍較窄，一般在10kHz~60MHz之間。2812DSP時鐘電路

53.復(fù)位電路

2407DSP為低電平復(fù)位。通常的復(fù)位電路設(shè)計有RC電路法和專用芯片法。

RC復(fù)位電路

6MAX811復(fù)位電路

74.JTAG接口對DSP的仿真調(diào)試需要通過仿真器進(jìn)行，仿真器通過DSP芯片提供的掃描仿真(JTAG)引腳實(shí)現(xiàn)仿真功能。DSP仿真頭采用14根信號線，符合JTAGIEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)。JTAG接口85.存儲器擴(kuò)展

2407DSP片內(nèi)有32KW的Flash存儲器、544W的DARAM和2KW的SARAM。用戶程序可以燒寫入32KW的Flash存儲器，但在開發(fā)調(diào)試過程中，程序需要不斷修改，反復(fù)寫入Flash存儲器顯得不方便?？梢詫⒈徽{(diào)試的程序放入片內(nèi)2KW的SARAM。由于DSP越來越多地采用C語言編程，程序占用存儲器較大，所以往往擴(kuò)展片外RAM存儲器用于程序調(diào)試。在開發(fā)階段，將程序放入RAM存儲器（稱為仿真RAM），可以方便地進(jìn)行單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)及連續(xù)執(zhí)行等調(diào)試操作。當(dāng)然，擴(kuò)展的片外RAM也可以用作數(shù)據(jù)存儲器。

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2407DSP的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器與I/O地址空間都各有64KW。其外部擴(kuò)展有關(guān)的引腳為(1)16根外部地址總線A15~A0。(2)16根外部數(shù)據(jù)總線D15~D0。(3)微處理器/微計算機(jī)方式選擇信號MP/nMC。該引腳為高電平時，為微處理器方式，復(fù)位后，從外部存儲器的0000H地址開始執(zhí)行程序；低電平時為微計算機(jī)方式，復(fù)位后，從內(nèi)部存儲器的0000H地址開始執(zhí)行程序。(4)外部數(shù)據(jù)存儲器訪問選通信號nSTRB。低電平有效。

(5)外部數(shù)據(jù)存儲器空間選通信號nDS。低電平有效。(6)外部程序存儲器空間選通信號nPS。低電平有效。(7)外部I/O空間選通信號nIS。低電平有效。(8)低電平有效的寫選通信號nWE。(9)低電平有效的讀選通信號nRD。10DSP存儲器擴(kuò)展

1110.2基于DSP的數(shù)字運(yùn)動控制系統(tǒng)基于DSP的數(shù)字運(yùn)動控制系統(tǒng)是一種典型DSP應(yīng)用系統(tǒng)，是C2000系列DSP的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。運(yùn)動控制系統(tǒng)通常由電機(jī)、功率逆變器和數(shù)字控制系統(tǒng)等組成。數(shù)字控制系統(tǒng)為功率逆變器提供開關(guān)驅(qū)動信號,將電源轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的電壓和電流，由電動機(jī)直接或通過減速齒輪等驅(qū)動機(jī)械負(fù)載。其中的電機(jī)可以是永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)、交流異步電機(jī)等。以永磁同步電機(jī)為控制對象的數(shù)字交流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等運(yùn)動控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。交流伺服系統(tǒng)是電流、速度和位置三環(huán)控制系統(tǒng)。12131.永磁同步電機(jī)矢量控制原理三相A,B,C到兩相α,β坐標(biāo)系統(tǒng)變換兩相靜止坐標(biāo)變換到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換即d,q變換

id=iα

cosθ+iβ

sinθiq=-iα

sinθ+iβ

cosθ

14d、q坐標(biāo)電壓方程即Park方程為ud=Raid

+

pψd

–ωψq

uq=Raiq+pψq

+ωψd

電磁轉(zhuǎn)矩方程為Te=3/2pn(ψdiq-ψqid)=3/2pn[ψf

iq+(Ld-Lq)id

iq]152.永磁同步電機(jī)數(shù)字伺服系統(tǒng)控制原理163.永磁同步電機(jī)空間矢量PWM控制三相逆變器主回路

1718SVPWM開關(guān)順序194.伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計205.軟件設(shè)計數(shù)字伺服系統(tǒng)DSP控制軟件結(jié)構(gòu)

212223數(shù)字伺服系統(tǒng)電流與速度響應(yīng)曲線

2410.3快速傅里葉變換與FIR數(shù)字濾波器10.3.1快速傅里葉變換傅里葉變換是一種將時域信號變換為頻域信號的變換形式。在頻域分析中，信號的頻率及對應(yīng)的幅值、相位（統(tǒng)稱為頻譜）反映了系統(tǒng)的性能?？焖俑道锶~變換(FastFourierTransform,FFT)是離散傅里葉變換(DiscreteFourierTransform,DFT)的快速實(shí)現(xiàn)方法。

快速傅里葉變換的基本原理非周期連續(xù)時間信號x(t)的傅里葉變換為25序列x(n)的離散傅里葉變換快速傅里葉變換一個N點(diǎn)的DFT可以分解為兩個N/2點(diǎn)的DFT，每個N/2點(diǎn)的DFT又可以分解為兩個N/4點(diǎn)的DFT…。當(dāng)N為2的整數(shù)次冪時,由于每分解一次降低一次冪階，通過M次分解，最后全部成為一系列2點(diǎn)DFT運(yùn)算。26例，時間抽取的FFT算法DSPC語言實(shí)現(xiàn)實(shí)例。FFT運(yùn)算函數(shù)與主函數(shù)為#include"math.h" //數(shù)學(xué)函數(shù)頭文件#definePI3.1415926#defineN128 //采樣次數(shù)NvoidInitForFFT(); //FFT初始化函數(shù)voidMakeWave(); //波形發(fā)生函數(shù)voidfinv(intN1,float*xr,float*xi); //倒序運(yùn)算函數(shù)f(N1,Xr,Xi)，對輸入序列倒序intINPUT[N],DATA[N];floatfWaveR[N],fWaveI[N],w[N];floatsin_tab[N],cos_tab[N]; //正余弦函數(shù)表 intMum; //Mum為蝶形運(yùn)算的級數(shù)27voidFFT(float

Xr[N],float

Xi[N]) //時間抽取法FFT程序，要求采樣點(diǎn)數(shù)N為2的整數(shù)冪次方{ //Xr[],Xi[]分別為輸入序列的實(shí)部和虛部intS,B; //S為旋轉(zhuǎn)因子的冪數(shù),B為蝶形運(yùn)算輸入數(shù)據(jù)的距離，//也即各級旋轉(zhuǎn)因子的個數(shù)intm,j,k;floatX,Y;finv(N,Xr,Xi); //倒序運(yùn)算函數(shù)，對輸入序列倒序for(m=1;m<=Mum;m++){B=(int)(pow(2,m-1)+0.5); //B=2^(m-1)for(j=0;j<B;j++) //每級需要進(jìn)行B種蝶形運(yùn)算{S=j*(int)(pow(2,Mum-m)+0.5); //S=2^(Mum-1)for(k=j;k<=N-1;k+=(int)(pow(2,m)+0.5))28//每種蝶形運(yùn)算在某一級中需要進(jìn)行N/pow(2,m)次

{ //蝶形運(yùn)算展開，結(jié)果的實(shí)部和虛部

//分別存儲在原實(shí)部和虛部位置

X=Xr[k+B]*cos_tab[S]+Xi[k+B]*sin_tab[S]; Y=Xi[k+B]*cos_tab[S]-Xr[k+B]*sin_tab[S];

Xr[k+B]=Xr[k]-X;

Xi[k+B]=Xi[k]-Y;

Xr[k]=Xr[k]+X;

Xi[k]=Xi[k]+Y; }}}for(m=0;m<N/2;m++) {

w[m]=sqrt(Xr[m]*Xr[m]+Xi[m]*Xi[m]);//計算功率普

}}

29main(){inti; InitForFFT(); //FFT初始化函數(shù)MakeWave(); //波形發(fā)生函數(shù)for(i=0;i<N;i++){fWaveR[i]=INPUT[i];fWaveI[i]=0.0;w[i]=0.0;}Mum=(int)(0.5+log(N)/log(2)); //Mum為蝶形運(yùn)算的級數(shù),N=2^MumFFT(fWaveR,fWaveI);for(i=0;i<N;i++)DATA[i]=w[i];while(1); }30voidInitForFFT() //FFT初始化函數(shù)，建立正余弦函數(shù)表{inti; for(i=0;i<N;i++){sin_tab[i]=sin(PI*2*i/N);cos_tab[i]=cos(PI*2*i/N);}}voidMakeWave() //波形發(fā)生函數(shù){inti; for(i=0;i<N;i++){INPUT[i]=sin(PI*2*i/N*3)*1024; //f=3Hz,正弦函數(shù)}}31FFT函數(shù)包含的函數(shù)finv(N,Xr,Xi)為倒序運(yùn)算，函數(shù)代碼如下。//倒序運(yùn)算函數(shù)finv(N1,Xr,Xi)，對輸入序列倒序//N1為序列長度;Xr[],Xi[]分別為輸入序列的實(shí)部和虛部//倒序原理：倒序數(shù)的加1是在最高位加1，//滿2向次高位進(jìn)1，最高位變0，依次往下//從當(dāng)前倒序值可求下一倒序值voidfinv(intN1,float*xr,float*xi)//倒序運(yùn)算函數(shù)f(N1,Xr,Xi)，對輸入序列倒序{intm,n,N2,k; //m為正序數(shù)；n為到序數(shù)；k為各個權(quán)值；N2為最高位的權(quán)值floatT; //臨時變量TN2=N1/2; //最高位加1相當(dāng)于十進(jìn)制加上最高位的權(quán)N1/2n=N2; //第一個倒序值for(m=1;m<=N1-2;m++) //第0個和最后一個不倒序{32if(m<n) //為了避免再次調(diào)換，只需對m<n的部分調(diào)換順序{T=xr[m];xr[m]=xr[n];xr[n]=T;T=xi[m];xi[m]=xi[n];xi[n]=T;}k=N2; //最高位權(quán)值while(n>=k){n=n-k; //次高位位1，繼續(xù)上下進(jìn)位，滿2置0k=(int)(k/2+0.5); //向下權(quán)值依次比上級減半}n=n+k; //得到下一倒序值}}3310.3.2FIR數(shù)字濾波器在數(shù)字信號處理中，數(shù)字濾波占有極其重要的地位。無限沖擊響應(yīng)(FiniteImpulseResponse,FIR)數(shù)字濾波器(DigitalFilter)是一種常用數(shù)字信號處理算法。利用窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器，可以實(shí)現(xiàn)線性相位的數(shù)字濾波器。1.FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法設(shè)FIR數(shù)字濾波器的單位沖擊響應(yīng)為h(n)，則傳遞函數(shù)H(z)為34FIR數(shù)字濾波器的系數(shù)h(n)w(n)為窗函數(shù)。理想單位沖擊響應(yīng)h1(n)可以根據(jù)給定的理想頻率響應(yīng)求得FIR數(shù)字濾波器的差分方程為式中，x(i)為輸入序列，y(i)為輸出序列,N為濾波器階數(shù)。35濾波器差分方程為y(i)=0.001x(i-2)-0.002x(i