基于dsp的tcr無(wú)功補(bǔ)償裝置控制器硬件電路設(shè)計(jì)

1、<p>　　攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　基于DSP的PWM波形發(fā)生器設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué)生學(xué)號(hào)： 200320520075 </p><p>　　院（系） 電氣信息工程學(xué)院 </p><p>　　年級(jí)專業(yè)：

2、 03級(jí)電子信息工程</p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p><b>　　二〇〇七年六月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　PWM波形發(fā)生器在20世紀(jì)70年代有了飛速的發(fā)展,20世紀(jì)80年代,PWM波形發(fā)生器已

3、應(yīng)用到各個(gè)工程技術(shù)領(lǐng)域，例如在工業(yè)控制中可以用它來(lái)控制各種電機(jī)、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。</p><p>　　本文首先對(duì)PWM波形發(fā)生器的基本原理和目前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r做了簡(jiǎn)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(duì)DSP的相關(guān)知識(shí)做了全面介紹，最后針對(duì)目前波形發(fā)生器的發(fā)展?fàn)顩r和實(shí)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(jì)方法。</p

4、><p>　　論文完成了基本的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件算法設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)方面，基于DSP芯片的相關(guān)特點(diǎn)，采用了DSP的LF2407芯片來(lái)完成本課題的硬件電路設(shè)計(jì)。軟件算法方面，根據(jù)要求采用了匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并給出了相關(guān)的源程序以及調(diào)試過(guò)程，最后對(duì)本設(shè)計(jì)的可行性和性能誤差進(jìn)行了分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞 波形發(fā)生器，LF2407芯片，PWM，DSP</p><p&g

5、t;<b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The pulse-width modulation (PWM) profile generator had the rapid development in the 20th century, in 1980s, The PWM profile generator has applied each project area of

6、 technology, For example, it can be used to control each kind of electrical machinery in the industry, the electric power, electronic installation, the inversion and so on, no matter in military or in the civil system, i

7、t has all played the positive role.</p><p>　　This article first has made the simple introduction to the PWM profile generator basic principle and the present domestic and foreign development condition, then

8、introduced based on the digital signal processing (DSP) application system development flow, and has made the comprehensive introduction to the DSP related knowledge, finally aimed at present in the development condition

9、 and the practical life application proposed based on the DSP PWM profile generator design method.</p><p>　　This paper has completed the basic hardware circuit design and the software arithmetic design. The

10、hardware design aspect, according to the DSP chip related characteristic, this paper adopted the LF2407 of DSP chip to achieve the hardware circuit design. The software algorithm aspect, according to request, it adopted

11、the assembly language to carry on the programming, and has produced the related source program as well as the debugging process, finally has carried on the analysis to this design f</p><p>　　Key words profil

12、e generator, LF2407 chip, pulse-width modulation (PWM) digital signal processing(DSP)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要...Ⅰ</b></p><p>　　ABSTRACTⅡ</

13、p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.2 課題背景1</p><p>　　1.2.1 PWM波形發(fā)生器簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.2.2 PWM波形發(fā)生器的研究發(fā)展?fàn)顩r2</p&

14、gt;<p>　　1.2.3 課題的研究目的和意義3</p><p>　　1.2.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容3</p><p>　　2 DSP開發(fā)流程4</p><p>　　2.1 DSP簡(jiǎn)介4</p><p>　　2.2 DSP開發(fā)方案的設(shè)計(jì)與選擇5</p><p>　　2.2.1 DSP系統(tǒng)的功

15、能需求分析5</p><p>　　2.2.2 DSP算法的驗(yàn)證與模擬6</p><p>　　2.2.3 DSP開發(fā)工具的選擇6</p><p>　　2.2.4 DSP系統(tǒng)調(diào)試7</p><p>　　2.3 DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)流程7</p><p>　　2.4 DSP處理器軟、硬件開發(fā)工具簡(jiǎn)介9</p&

16、gt;<p>　　3 PWM波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法12</p><p>　　3.1 常見的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介12</p><p>　　3.1.1 等脈寬PWM法12</p><p>　　3.1.2 隨機(jī)PWM12</p><p>　　3.1.3 非線性控制PWM13</p><p>　　3.1.4 等面

17、積法13</p><p>　　3.1.5 硬件調(diào)制法13</p><p>　　3.1.6 空間電壓矢量控制PWM13</p><p>　　3.1.7 矢量控制PWM14</p><p>　　3.1.8 單元脈寬調(diào)制法14</p><p>　　3.2 本文所采用的設(shè)計(jì)方法15</p><p

18、>　　4 PWM波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1 PWM波形發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)17</p><p>　　4.1.1 PWM波形產(chǎn)生原理17</p><p>　　4.1.2 TMS320LF2407的介紹17</p><p>　　4.1.3 系統(tǒng)硬件組成18</p><p>　　4.2 P

19、WM波形產(chǎn)生器的DSP電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　5 PWM波形發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)22</p><p>　　5.1 主程序流程圖22</p><p>　　5.2 PWM波形產(chǎn)生器的DSP程序設(shè)計(jì)22</p><p>　　5.2.1 采用通用定時(shí)器GPT1產(chǎn)生PWM波形23</p><p>　　5.2.2

20、程序說(shuō)明及仿真結(jié)果30</p><p>　　5.2.3 總結(jié)33</p><p><b>　　結(jié)論34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p>　　附錄A：系統(tǒng)總電路圖………………………………………………………………………..36</p>&l

21、t;p>　　附錄B：DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程…………………………………………………………...37</p><p><b>　　致 謝….38</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　

22、DSP（即數(shù)字信號(hào)處理器）自20世紀(jì)90年代后半期開始,逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。DSP是將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào),并進(jìn)行高速處理的專用處理器,從算法上說(shuō),它具有乘法和加法兩種特殊運(yùn)算功能。它主要針對(duì)代表連續(xù)信號(hào)的數(shù)字進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算,以得到相應(yīng)的處理結(jié)果。這種數(shù)學(xué)運(yùn)算是以快速傅里葉變換(FFT)為基礎(chǔ),對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)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,Mot

23、orola公司的DSP 56602和56603系列等。用DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理具有很強(qiáng)的通用性和靈活性,因?yàn)镈SP芯片體積小,運(yùn)算速度極快,精度高,接口方便,特別適合處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。DSP將是未來(lái)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(xué)習(xí)和生活方式。本文所闡述的是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。</p><p><b&g

24、t;　　1.2 課題背景</b></p><p>　　隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）將越來(lái)越廣泛的運(yùn)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(lái)控制各種電機(jī)、電力電子設(shè)備、逆變器等。</p><p>　　1.2.1 PWM波形發(fā)生器簡(jiǎn)介

25、</p><p>　　PWM（Pulse-Width Modulation）——脈寬調(diào)制,是一種開關(guān)式穩(wěn)壓電源應(yīng)用，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。</p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了多種PWM技術(shù),其中包括:相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，PWM碼是一種脈寬調(diào)制碼,它的組成為9MS高電平和4MS低電

26、平引導(dǎo)脈沖，16位系統(tǒng)識(shí)別碼，8位數(shù)據(jù)正碼和8位數(shù)據(jù)反碼。一個(gè)PWM碼的0是由一個(gè)0.58ms的低電平和一個(gè)0.58ms的高電平組成，1是由一個(gè)0.58ms的低電平和一個(gè)1.58ms的高電平組成。解碼原理是這樣的：首先通過(guò)延時(shí)來(lái)丟開引導(dǎo)碼，然后通過(guò)解碼丟掉16位系統(tǒng)識(shí)別碼，最后解系統(tǒng)正碼和反碼。解開后將正碼取反看是否與反碼相同，如果相同，即解開保存其值。解碼0或1是這樣的：在低電平的時(shí)候等待，直到為高了后，用一個(gè)0.882ms的延時(shí)去量

27、，量完后，如果為低了,證明前面是一個(gè)0.58ms低電平和一個(gè)0.58ms高電平地組成，即保存一個(gè)0，如果為高，則證明是由一個(gè)0.58ms</p><p>　　低電平和一個(gè)1.58ms高電平組成,即保存一個(gè)1,為1則再調(diào)一個(gè)延時(shí)，讓它延到低電平。等待到高電平后重復(fù)上述過(guò)程解碼。遙控器解碼程序介紹：通過(guò)上述的解碼原理，利用單片機(jī)的中斷口來(lái)測(cè)PWM碼的寬度，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)配備的遙控，單片機(jī)解碼將在數(shù)碼管上顯示。實(shí)際應(yīng)用例如

28、紅外遙控。圖1-1是PWM波形發(fā)生器的原理結(jié)構(gòu)框圖,主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與擴(kuò)展、定時(shí)器中斷和與控制器通信三個(gè)部分。脈沖信號(hào)在定時(shí)器中斷中從數(shù)據(jù)總線經(jīng)由鎖存和驅(qū)動(dòng)輸出至脈沖分配部分。</p><p>　　圖1-1 PWM波形發(fā)生器原理框圖</p><p>　　1.2.2 PWM波形發(fā)生器的研究發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　PWM波形發(fā)生器所產(chǎn)生的PWM波形在工業(yè)控制中有

29、著廣泛的應(yīng)用，可以用它來(lái)控制各種電機(jī)、電力電子設(shè)備、逆變器等，用途非常廣泛，可以說(shuō)很多控制最終都是由程序計(jì)算出的PWM波形來(lái)控制的。同時(shí)它也是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。這三種PWM輸出編碼的分別是強(qiáng)度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模擬信號(hào)值。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控

30、制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。</p><p>　　基于DSP的脈寬調(diào)制(PWM)波形發(fā)生器設(shè)計(jì)在20世紀(jì)70年代有了飛速的發(fā)展，20世紀(jì)80年代，基于DSP的PWM波形發(fā)生器已應(yīng)用到各個(gè)工程技術(shù)領(lǐng)域，不管在軍用還是在民用系統(tǒng)中都發(fā)揮了積極的作用。當(dāng)前全世界使用最多的DSP是TI公司的TMS320系列DSP器件，由于近10年電子工業(yè)的

31、飛速發(fā)展，基于DSP的PWM波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為工程實(shí)用技術(shù)，目前，國(guó)外眾多廠商涉足我國(guó)DSP產(chǎn)品市場(chǎng)，TI、MOTOROLA、LUCENT、ZSP、NEC等跨國(guó)公司都不</p><p>　　同程度地和國(guó)內(nèi)有關(guān)企業(yè)及政府機(jī)構(gòu)建立了聯(lián)系，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。在國(guó)內(nèi)，基于DSP的PWM波形發(fā)生器的應(yīng)用已有了相當(dāng)好的基礎(chǔ)，并有10多家集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)從事基于DSP的PWM波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用，但

32、在DSP芯片的研發(fā)上除了某些大學(xué)、科研院所做過(guò)預(yù)研性的課題外，目前DSP芯片市場(chǎng)并沒(méi)有國(guó)內(nèi)廠商自己生產(chǎn)DSP器件，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)完全由國(guó)外廠商占領(lǐng)。</p><p>　　從應(yīng)用范圍看，基于DSP的PWM波形發(fā)生器的市場(chǎng)前景廣闊隨著DSP芯片的品種和技術(shù)檔次不斷提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化方向發(fā)展，脈寬調(diào)制(PWM)波形發(fā)生器日益用于人們的生活，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，我國(guó)在這方面的研發(fā)將蓬勃發(fā)展。</p

33、><p>　　1.2.3 課題的研究目的和意義</p><p>　　各種波形發(fā)生器已廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中，無(wú)論是民用還是軍用，它的出現(xiàn)都各給人們帶來(lái)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(huì)1992年發(fā)表的一項(xiàng)關(guān)于PWM波形發(fā)生器的調(diào)查報(bào)告表明，到2001年,PWM波形發(fā)生器的需求平均年增長(zhǎng)率為12.7%，其中通信領(lǐng)域的需求增長(zhǎng)率超過(guò)15%，全球PWM波形發(fā)生器市場(chǎng)規(guī)模從

34、92年的82億增加到99年的166億美元，平均年增長(zhǎng)率為10%，到03年全球開關(guān)電源規(guī)模超過(guò)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(gè)重大課題。同時(shí)，為了保證通信領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，目前許多工業(yè)國(guó)家和組織都開始了對(duì)PWM波形發(fā)生器的深入研究，我國(guó)從20世紀(jì)以來(lái)就開始了對(duì)PWM波形發(fā)生器的研究，目前，我國(guó)在這方面的發(fā)展已經(jīng)取到了許多重大突破。總之，對(duì)PWM波形發(fā)生器的工程應(yīng)用研究還有待繼續(xù)深

35、入。</p><p>　　1.2.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本文在進(jìn)行大量有關(guān)PWM波形發(fā)生器的文獻(xiàn)研究和資料分析的基礎(chǔ)上，主要完成以下工作：</p><p>　?。?）首先閱讀了大量關(guān)于PWM波形發(fā)生器的文章，對(duì)該系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)有了一定的了解。通過(guò)對(duì)各種PWM波形發(fā)生器的工作原理進(jìn)行比較詳細(xì)的分析，建立了PWM波形發(fā)生器的數(shù)學(xué)模型，為后面的分析

36、提供了理論基礎(chǔ)。</p><p>　　（2）并對(duì)DSP的相關(guān)概念和DSP芯片的發(fā)展與應(yīng)用做了簡(jiǎn)單的介紹。</p><p>　?。?）采用DSP的LF2407芯片的通用定時(shí)器，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路。</p><p>　?。?）基于軟件實(shí)現(xiàn)方案，利用匯編和C語(yǔ)言的混合編程，編寫了其實(shí)現(xiàn)程序，完成了對(duì)PWM波形發(fā)生器的數(shù)字控制。</p><p>　

37、　2 DSP開發(fā)流程</p><p><b>　　2.1 DSP簡(jiǎn)介</b></p><p>　?、貲SP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?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

38、編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。</p><p>　　DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器件，其主機(jī)應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有以下主要特點(diǎn)：</p><

39、p>　?。?）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；</p><p>　　（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；</p><p>　　（3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；</p><p>　?。?）具有低開銷或無(wú)開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；</p><p>　　（5）快速的中斷處理和硬件I/

40、O支持；</p><p>　　（6）具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；</p><p>　?。?）可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；</p><p>　?。?）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。</p><p>　?、贒SP市場(chǎng)拓展縱橫談：在經(jīng)歷整整二十年的市場(chǎng)拓展之后，DSP所樹立的高速處理器地位不僅不可動(dòng)搖，而且業(yè)已成為數(shù)字

41、信息時(shí)代的核心引擎。與此同時(shí)，DSP的市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展。根據(jù)Forward Concepts分析家的預(yù)測(cè)，今年全球DSP銷量將達(dá)到$82億美元，比去年增加約三分之一。而對(duì)于2004年和2005年的預(yù)測(cè)值，則分別是$108億元和$140億元，并預(yù)言未來(lái)幾年DSP都將以每年超過(guò)30%的速度成長(zhǎng)。根據(jù)CCID權(quán)威的分析，中國(guó)DSP市場(chǎng)今年可達(dá)到120億元人民幣，比去年增長(zhǎng)約40%，未來(lái)的增長(zhǎng)將可能超過(guò)全球的平均速度。對(duì)于DSP市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)，

42、許多人充滿著濃厚的興趣。本文將結(jié)合DSP縱向的發(fā)展歷程和橫向的拓展方向進(jìn)行探討，以便探討DSP市場(chǎng)拓展的特點(diǎn)。</p><p>　?、跠SP商品化歷程：八十年代前后，陸續(xù)有公司設(shè)計(jì)出適合于DSP處理技術(shù)的處理器，于是DSP開始成為一種高性能處理器的名稱。TI在1982年發(fā)表一款DSP處理器名為TMS32010，其出色的性能和特性倍受業(yè)界的關(guān)注，當(dāng)然新興的</p><p>　　DSP業(yè)務(wù)的確

43、承擔(dān)著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，究竟向哪里拓展是生死攸關(guān)的問(wèn)題。</p><p>　　進(jìn)入九十年代，有多家公司躋身于DSP領(lǐng)域與TI進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。TI首家提供可定制DSP，稱作CDSP。CDSP基于內(nèi)核DSP的設(shè)計(jì)可使DSP具有更高的系統(tǒng)集成度，大加速了產(chǎn)品的上市時(shí)間。同時(shí)TI瞄準(zhǔn)DSP電子市場(chǎng)上成長(zhǎng)速度最快的領(lǐng)域，適時(shí)地提供各種面向未來(lái)發(fā)展的解決方案。到九十年代中期，這種可編程的DSP器件已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信、海量存儲(chǔ)、語(yǔ)音

44、處理、汽車電子、消費(fèi)類音頻和視頻產(chǎn)品等等，其中最為輝煌的成就是在數(shù)字蜂窩電話中的成功。德州儀器通過(guò)不斷革新，推陳出新，DSP業(yè)務(wù)也一躍成為TI的最大的業(yè)務(wù)，并始終處于全球DSP市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。雖然這個(gè)階段DSP每MIPS的價(jià)格已降到10美分到1美元的范圍，但DSP所帶動(dòng)的市場(chǎng)規(guī)模巨大。</p><p>　　2.2 DSP開發(fā)方案的設(shè)計(jì)與選擇</p><p>　　十多年前，DSP以其高速、低

45、功耗和高集成度在軍事、航天等領(lǐng)域大顯身手，隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步和工業(yè)民用領(lǐng)域的大量采用，近幾年來(lái)，DSP價(jià)格大幅下調(diào)，而性能卻不斷提高，以不可阻擋的趨勢(shì)進(jìn)入通信、工業(yè)控制和消費(fèi)領(lǐng)域，DSP正日漸成為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的重要基石。</p><p>　　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(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的某些專項(xiàng)功能，實(shí)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

46、TI公司，AD公司,Motorola, Lucent，其中TI公司著名的TMS320系列占據(jù)了國(guó)際市場(chǎng)接近一半的市場(chǎng)份額。當(dāng)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。</p><p>　　2.2.1 DSP系統(tǒng)的功能需求分析</p><p>　　在確定了某個(gè)具體應(yīng)用以后，我們要做的第一件事就是構(gòu)造出一個(gè)DSP系

47、統(tǒng)功能框圖（圖略）。DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要考慮如下幾個(gè)重要方面：</p><p>　　(1)DSP系統(tǒng)處理的模擬帶寬。根據(jù)這個(gè)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(yǔ)音信號(hào)一般為幾kHz到幾十kHz，圖像信號(hào)則可達(dá)幾MHz；</p><p>　　(2)實(shí)時(shí)性要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)性與非實(shí)時(shí)性對(duì)系統(tǒng)要求的差異非常之大；</p><p>　　(3)算法

48、的復(fù)雜度。為了獲得較好的系統(tǒng)處理性能，往往要采用復(fù)雜算法，而算法越復(fù)雜，對(duì)DSP處理器的要求也就越多。有時(shí)需要在算法的復(fù)雜度和處理速度之間進(jìn)行折衷；</p><p>　　(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(diǎn)DSP，其它場(chǎng)合采用定點(diǎn)DSP就足夠了。在實(shí)際應(yīng)用中采用塊浮點(diǎn)方法能有效提高定點(diǎn)DSP的處理精度；</p><p>　　(5)成本要求。在軍事和航天用途

49、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(jì)成本。而在工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域中，為了保持最終產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，往往要尋找性能、價(jià)格比最好的產(chǎn)品；</p><p>　　(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(chǎng)合，原則上是星載系統(tǒng)采用宇航級(jí)，軍事應(yīng)用采用軍品，工業(yè)場(chǎng)合選用工業(yè)級(jí)器件，民用選用商品級(jí)即可。最后所選用的器件要考慮是否對(duì)應(yīng)級(jí)別；</p&g

50、t;<p>　　(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(jì)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(cè)試；</p><p>　　2.2.2 DSP算法的驗(yàn)證與模擬</p><p>　　一個(gè)實(shí)際的DSP處理系統(tǒng)必然要使用各種算法，要求DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在選擇某種算法前就精通各種算法的細(xì)節(jié)是不現(xiàn)實(shí)的。DSP處理系統(tǒng)所選用的算法無(wú)非是各

51、種通用算法的組合和改進(jìn)。革命性的算法不是DSP設(shè)計(jì)師的任務(wù)，DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)師應(yīng)盡量選用成熟可靠、經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗(yàn)的算法，而支持各種通用算法的DSP模擬軟件市場(chǎng)上已有不少。我們對(duì)其中的一些優(yōu)秀產(chǎn)品作簡(jiǎn)單介紹：</p><p>　　(1)SPW工作站：cadence公司產(chǎn)品，含有大量的算法庫(kù)，對(duì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其適合。</p><p>　　(2)Matlab工具包：該軟件在國(guó)內(nèi)高校中已經(jīng)開始流行，該

52、軟件矢量矩陣處理功能很強(qiáng)，最新版本中信號(hào)處理功能大大加強(qiáng)。</p><p>　　(3)Dalisp軟件：優(yōu)秀的信號(hào)處理軟件包，網(wǎng)上有免費(fèi)的高校版讀者，可自行下載使用。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(jì)師就可應(yīng)用高級(jí)語(yǔ)言在PC機(jī)上進(jìn)行實(shí)際編程驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出DSP的軟件處理流程，并給出最終可實(shí)現(xiàn)的軟件需求分析。</p><p>　　2.2.3 DSP開發(fā)工具的選擇</p&g

53、t;<p>　　在選定了DSP器件型號(hào)后，則應(yīng)進(jìn)行DSP開發(fā)工具的選擇，DSP必備的開發(fā)工具有如下幾種：</p><p>　　（1）ASM/LINK；匯編/鏈接器；</p><p>　?。?）JTAG硬件仿真器，可全透明地訪問(wèn)DSP的所有資源而不占用用戶任何資源；</p><p>　?。?）Debugger調(diào)試器；</p><p&g

54、t;　　其他選件還有：C編譯器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和算法庫(kù)。</p><p>　　下面以TMs320cZxx/c24x系列為例，介紹國(guó)內(nèi)外DSP開發(fā)系統(tǒng)簡(jiǎn)況。</p><p>　?、賲R編/鏈接器：該軟件由TI公司的產(chǎn)品提供，型號(hào)為TMD32485002。②JTAG硬件仿真器：TI公司型號(hào)為XDS510，TI公司正式認(rèn)證的國(guó)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(guó)內(nèi)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)注意有

55、的仿真器無(wú)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(hù)。</p><p>　?、跠ebugger調(diào)試軟件：與XDS510配合使用，通過(guò)該軟件能訪問(wèn)用戶DSP系統(tǒng)的所有資源。</p><p>　　最新的調(diào)試軟件應(yīng)該基于Win95平臺(tái)，能夠圖形化，有效地顯示存儲(chǔ)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

56、集成調(diào)試環(huán)境是新一代調(diào)試軟件的必備功能。</p><p>　　2.2.4 DSP系統(tǒng)調(diào)試</p><p>　　在選擇了合適的DSP開發(fā)工具后，設(shè)計(jì)師就會(huì)做具體的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)應(yīng)注意如下要點(diǎn)：</p><p>　?、僬J(rèn)真處理好復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　?、谠贒SP電路中，對(duì)所有的輸入信號(hào)必須有明確的處理，不能懸浮和置之不

57、理。</p><p>　?、勰M電路和數(shù)字電路獨(dú)立布線，最后單點(diǎn)連接電源和地。軟件設(shè)計(jì)則應(yīng)嚴(yán)格按照軟件工程的方法進(jìn)行管理。一個(gè)實(shí)際的DSP系統(tǒng)的調(diào)試總要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)，需要設(shè)計(jì)者和調(diào)試者有足夠的耐心，堅(jiān)強(qiáng)的意志和九死一生的精神。做一個(gè)現(xiàn)代設(shè)計(jì)師非常辛苦，必須不斷的糾正自己所犯下的各種設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。只有當(dāng)系統(tǒng)可靠地運(yùn)行并得到市場(chǎng)和社會(huì)承認(rèn)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(jì)。</p&g

58、t;<p>　　2.3 DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)流程</p><p>　　在設(shè)計(jì)需求規(guī)范，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，其實(shí)要解決二個(gè)方面的問(wèn)題：即信號(hào)處理方面和非信號(hào)處理方面的問(wèn)題。信號(hào)處理的問(wèn)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(duì)確定的性能指標(biāo)在通用機(jī)上用高級(jí)語(yǔ)言編程仿真。非信號(hào)處理問(wèn)題包括：應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備的可靠性指標(biāo)，設(shè)備的可維護(hù)性，功耗、體積重量、成本、性能價(jià)格比等項(xiàng)目。算法研究與仿真

59、這是DSP實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的一步。系統(tǒng)性能指標(biāo)能否實(shí)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(jī)上用高級(jí)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的，編程時(shí)最好能模仿DSP處理器形式運(yùn)行，以達(dá)到更好的真實(shí)性。</p><p>　　在DSP芯片選擇中通常有以下幾條注意事項(xiàng)：</p><p>　?。?）精度：表數(shù)格式（定點(diǎn)或浮點(diǎn)），通?？梢杂枚c(diǎn)器件解決的問(wèn)題，盡量用定點(diǎn)器件，因?yàn)樗?/p>

60、經(jīng)濟(jì)、速度快、成本低，功耗小。但是在編程時(shí)要關(guān)注信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，在代碼中增加限制信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的定標(biāo)運(yùn)算。</p><p>　?。?）字長(zhǎng)的選擇：一般浮點(diǎn)DSP芯片都用32位的數(shù)據(jù)字，大多數(shù)定點(diǎn)DSP芯片是16位數(shù)據(jù)字。而MOTOROLA公司定點(diǎn)芯片用24位數(shù)據(jù)字，以便在定點(diǎn)和浮點(diǎn)精度之間取得折中。字長(zhǎng)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(chǔ)器的大小，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足性能指標(biāo)的條件下，盡可能選用最小的

61、數(shù)據(jù)字。 </p><p>　?。?）存儲(chǔ)器安排：包括存儲(chǔ)器的大小，片內(nèi)存儲(chǔ)器的數(shù)量，總線尋址空間等。片內(nèi)存儲(chǔ)器的大小決定了芯片運(yùn)行速度和成本，例如TI公司同一系列的DSP芯片，不同種類芯片存儲(chǔ)器的配置等硬件資源各不相同。</p><p>　?。?）開發(fā)工具：在DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，開發(fā)工具是必不可少的，一個(gè)復(fù)雜的DSP系統(tǒng)，必須有功能強(qiáng)大的開發(fā)工具支持。開發(fā)工具包括軟件和硬件兩部分。軟件開發(fā)

62、工具主要包括：C編譯器、匯編器、鏈接器、程序庫(kù)、軟件仿真器等，在確定DSP算法后，編寫的程序代碼通過(guò)軟件仿真器進(jìn)行仿真運(yùn)行，來(lái)確定必要的性能指標(biāo)。硬件開發(fā)工具包括在線硬件仿真器和系統(tǒng)開發(fā)板。在線硬件仿真器通常是JTAG周邊掃描接口板，可以對(duì)設(shè)計(jì)的硬件進(jìn)行在線調(diào)試；在硬件系統(tǒng)完成之前，不同功能的開發(fā)板上實(shí)時(shí)運(yùn)行設(shè)計(jì)的DSP軟件，可以提高開發(fā)效率。甚至在有的數(shù)量小的產(chǎn)品中，直接將開發(fā)板當(dāng)作最終產(chǎn)品。</p><p>

63、　?。?）功耗與電源管理：在一些手提便攜式的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，供電電源的節(jié)省是很重要的問(wèn)題，因而目前DSP生產(chǎn)廠商越來(lái)越重視這方面。它通常包括供電電壓的選擇和電源的管理功能。供電電壓一般取得比較低，實(shí)施芯片的低電壓供電，通常有3.3V，2.5V，1.8V，0.9V等，在同樣的時(shí)鐘頻率下，它們的功耗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5V供電電壓的芯片。加強(qiáng)了對(duì)電源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式節(jié)省功率消耗。例如TI公司提供了詳細(xì)的、功能隨指令類型和處理器配

64、置而改變的應(yīng)用說(shuō)明。</p><p>　?。?）成本和廠家的銷售后服務(wù)：特別要注意DSP芯片的生產(chǎn)和主推產(chǎn)品，以便以低的成本實(shí)施來(lái)要求產(chǎn)品。但低價(jià)位的芯片必然是功能較少、片內(nèi)存儲(chǔ)器少、性能上差一些的，這就帶給編程一定的困難。</p><p>　?。?）支持多處理器：近來(lái)各類軟件在無(wú)線電產(chǎn)品及雷達(dá)中的應(yīng)用中，都需要能處理高數(shù)據(jù)率、大運(yùn)算量的應(yīng)用系統(tǒng)。單一的處理器系統(tǒng)已難以承擔(dān)這類復(fù)雜任務(wù)，因

65、而采用多個(gè)處理器并行工作。這種情況下，各處理器之間連接和通訊功能是必須要作為主要因素予以考慮的。近年新推出的DSP芯片系列都改善了這方面性能，注意增加專門的接口或DMA通道，來(lái)支持多處理器的DSP運(yùn)行。</p><p>　　圖2-1 基于DSP芯片的DSP實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)流程圖</p><p>　　2.4 DSP處理器的軟、硬件開發(fā)工具簡(jiǎn)介</p><p>　　

66、隨著DSP處理器的功能不斷強(qiáng)化和系統(tǒng)開發(fā)周期不斷縮短，設(shè)計(jì)和調(diào)試DSP系統(tǒng)越來(lái)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：</p><p>　?。?）C語(yǔ)言編譯器(C Compiler)</p><p>　　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(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)方法：一般是C語(yǔ)言。開發(fā)

67、系統(tǒng)針對(duì)DSP庫(kù)函數(shù)、頭文件及編寫的C 程序，自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的匯編語(yǔ)言，這一步稱為C編譯。C編譯器通常符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)編寫的程序進(jìn)行不同等級(jí)的優(yōu)化，以產(chǎn)生高效的匯編代碼；C編譯器還具有對(duì)存儲(chǔ)器的配置、分配及部分鏈接功能，并具有靈活的匯編語(yǔ)言接口等多種功能。C編程方法易學(xué)易用，但編譯出的匯編程序比手工匯編程序長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)函數(shù)同時(shí)，開發(fā)系統(tǒng)也提供了許多針對(duì)DSP運(yùn)算

68、的高效庫(kù)函數(shù)，例如FFT、FIR、IIR、相關(guān)、矩陣運(yùn)算等，它們都是手工匯編的。</p><p>　　圖2-2 DSP開發(fā)工具及開發(fā)流程圖</p><p>　?。?）帶有高級(jí)語(yǔ)言調(diào)用/返回接口</p><p>　　一般為了得到高效編程，在系統(tǒng)軟件開發(fā)中，關(guān)鍵的DSP運(yùn)算程序都是自行手工用匯編語(yǔ)言編寫，按照規(guī)定的接口約定，由C程序進(jìn)行調(diào)用，這樣極大提高編程效率。&l

69、t;/p><p>　?。?）匯編器（Assembler）</p><p>　　將匯編語(yǔ)言原文件轉(zhuǎn)變?yōu)榛诠媚繕?biāo)文件格式的機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)文件。</p><p>　?。?）鏈接器（Linker）</p><p>　　它是將主程序、庫(kù)函數(shù)和子程序以及由匯編器產(chǎn)生的目標(biāo)文件鏈接在一起，產(chǎn)生一個(gè)可執(zhí)行的模塊，形成DSP目標(biāo)代碼。</p>&l

70、t;p>　　（5）軟件模擬器（Simulator）</p><p>　　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(gè)窗口工作環(huán)境中，可以模擬DSP的運(yùn)行程序，同時(shí)對(duì)程序進(jìn)行單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)，對(duì)寄存器/存儲(chǔ)器進(jìn)行觀察、修改，統(tǒng)計(jì)某段程序的執(zhí)行時(shí)間等。通常在程序編寫完以后，都會(huì)在軟件仿真器上進(jìn)行調(diào)試，以初步確定程序的可運(yùn)行性。軟件仿真器的主要欠缺是對(duì)外部接口的仿真不夠完善。</p>&

71、lt;p>　　（6）硬件仿真器（Emulator）</p><p>　　在線仿真工具，它用JTAG接口電纜把DSP硬件目標(biāo)系統(tǒng)和裝有仿真軟件/仿真卡的PC接口板連接起來(lái)，用PC平臺(tái)對(duì)實(shí)際硬件目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，能真實(shí)地仿真程序在實(shí)際硬件環(huán)境下的功能。</p><p>　　DSP開發(fā)系統(tǒng)，這是由廠家提供的一個(gè)包含DSP、存儲(chǔ)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

72、形式，一種是電路板卡的形式，插入計(jì)算機(jī)中；另一種是通過(guò)計(jì)算機(jī)的串口或并口連接到計(jì)算機(jī)。這些都是通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制端口來(lái)控制DSP的運(yùn)行，并且有簡(jiǎn)單的DSK（DSP starter Kit）入門套件，和較為復(fù)雜的EVM（Evaluation Module）評(píng)估模塊等。這些都有助于初學(xué)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(yùn)行對(duì)象，方便調(diào)試。</p><p>　　隨著DSP應(yīng)用范圍的擴(kuò)大、處理能力的加強(qiáng)以

73、及DSP更新速度的加快，DSP處理系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)難度也越來(lái)越大，為此有的廠家已產(chǎn)生出一定標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)電路板級(jí)DSP處理模塊，同時(shí)為這種標(biāo)準(zhǔn)模塊提供豐富的軟件開發(fā)系統(tǒng)和算法庫(kù)。其中典型的如TMS320C4X和SDSP2106X，它們可以通過(guò)通信口和全局總線插座，將若干個(gè)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(jì)降低了硬件設(shè)計(jì)難度，減少了硬件設(shè)計(jì)時(shí)間，有利于更高效的開發(fā)DSP系統(tǒng)。</p>

74、<p>　　目前各DSP芯片生產(chǎn)廠家已經(jīng)把以上列出的各開發(fā)工具集成在一起，構(gòu)成集成開發(fā)環(huán)境。例如TI公司的CCS IDE（Code Composer Studio Integrated Dev-elopment Environment）可以提供環(huán)境配置、源程序編輯、編譯連接、程序調(diào)試、跟蹤分析等各個(gè)環(huán)節(jié)，以加速軟件開發(fā)進(jìn)程，提高工作效率。它把編譯、匯編、鏈接等工具集成在一起，用一條命令即可完成全部的匯編工作。另外把軟、硬件

75、開發(fā)工具集成在其中，使程序的編寫、匯編、程序的軟/硬件仿真和調(diào)試等開發(fā)工作在統(tǒng)一的環(huán)境中進(jìn)行，給開發(fā)工作帶來(lái)極大的方便。</p><p>　　2.5 DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程</p><p>　　DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如附錄B所示,設(shè)計(jì)過(guò)程共分為以下幾個(gè)階段:</p><p>　　系統(tǒng)功能需求分析階段：步驟（1）。</p><p>　　系統(tǒng)

76、方案設(shè)計(jì)階段：包括算法方案設(shè)計(jì)（步驟（5），（6），（7），（8）），硬件方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)評(píng)估。</p><p>　　目的實(shí)施階段：包括項(xiàng)目預(yù)算（步驟（14），（15），（16）），硬件設(shè)計(jì)（步驟（17）），軟件設(shè)計(jì)（步驟（18）），和系統(tǒng)調(diào)試（步驟（19），（20）。</p><p>　　項(xiàng)目驗(yàn)收階段：步驟（21），（22），（23）。</p><p>　　其中系統(tǒng)

77、設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的七層結(jié)構(gòu)貫穿與DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的始終。</p><p>　　3 PWM波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法</p><p>　　3.1 常見的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介</p><p>　　采樣控制理論中有一個(gè)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(shí)，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(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到

78、一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)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。</p><p>　　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(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，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(dòng)

79、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(diǎn)，到目前為止主要有以下8類方法。 </p><p>　　3.1.1等脈寬PWM法</p><p>　　VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse

80、 Amplitude Modulation)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓。等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的，是PWM法中最為簡(jiǎn)單的一種。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。相對(duì)于PAM法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)，但同時(shí)也存在輸出電壓中

81、除基波外，還包含較大的諧波分量。</p><p>　　3.1.2隨機(jī)PWM</p><p>　　在上世紀(jì)70年代開始至上世紀(jì)80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般不超過(guò)5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均

82、勻的)，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱耍词乖贗GBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價(jià)值；另一方面則說(shuō)明了消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機(jī)PWM</p><p>　　技術(shù)正是提供了一個(gè)分析、解決這種問(wèn)題的全新思路。</p><p>　　3.1.3非線性控制PWM &

83、lt;/p><p>　　單周控制法又稱積分復(fù)位控制(Integration Reset Control，簡(jiǎn)稱IRC)，是一種新型非線性控制技術(shù)，其基本思想是控制開關(guān)占空比，在每個(gè)周期使開關(guān)變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。該技術(shù)同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性，通過(guò)復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時(shí)鐘組成，其中控制器可以是RS觸發(fā)器，此中K可以是任何物

84、理開關(guān)，也可是其它可轉(zhuǎn)化為開關(guān)變量形式的抽象信號(hào)。 </p><p>　　單周控制在控制電路中不需要誤差綜合,它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，使前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期。雖然硬件電路較復(fù)雜，但其克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足，適用于各種脈寬調(diào)制軟開關(guān)逆變器，具有反應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，此外，單周控制還能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、減小畸變和抑制電源干擾，是一種很有前途的控制方法。 </p&g

85、t;<p><b>　　3.1.4等面積法</b></p><p>　　該方案實(shí)際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過(guò)查表的方式生成PWM信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形

86、很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。</p><p>　　3.1.5硬件調(diào)制法</p><p>　　硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)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(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電

87、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(lái)確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。</p><p>　　3.1.6空間電壓矢量控制PWM</p><p>　　空間電壓矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，用逆變器不同

88、的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān)，形成PWM波形。此法從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體，</p><p>　　以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制，使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)(正弦磁通)。 </p><p>　　具體方法又分為磁通開環(huán)式和磁通閉環(huán)式。磁通開環(huán)法用兩個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量，若采樣時(shí)間足夠小，可合成任

89、意電壓矢量。此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時(shí)提高15%，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環(huán)式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度。在比較估算磁通和給定磁通后，根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個(gè)電壓矢量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足，解決了電機(jī)低速時(shí)，定子電阻影響大的問(wèn)題，減小了電機(jī)的脈動(dòng)和噪音。但由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本性的改善。</p><p>　　3.1.7矢量控制PWM</p&

90、gt;<p>　　矢量控制也稱磁場(chǎng)定向控制，其原理是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia，Ib及Ic，通過(guò)三相/二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1及Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1及It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速

91、度、磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。 </p><p>　　但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。此外，它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)

92、用場(chǎng)合帶來(lái)不便。 </p><p>　　3.1.8單元脈寬調(diào)制法</p><p>　　因?yàn)槿鄬?duì)稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=0的關(guān)系，所以某一線電壓任何時(shí)刻都等于另外兩個(gè)線電壓負(fù)值之和?，F(xiàn)在把一個(gè)周期等分為6個(gè)區(qū)間，每區(qū)間60°，對(duì)于某一線電壓例如Uuv，半個(gè)周期兩邊60°區(qū)間用Uuv本身表示，中間60°區(qū)間用-(Uvw+Uwu)表示，當(dāng)將Uvw和Uwu

93、作同樣處理時(shí)，就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊60°區(qū)間的兩種波形形狀，并且有正有負(fù)。把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號(hào)，載波仍用三角波，并把各區(qū)間的曲線用直線近似(實(shí)踐表明，這樣做引起的誤差不大，完全可行)，就可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對(duì)稱，且規(guī)律性很強(qiáng)，負(fù)半周是正半周相應(yīng)脈沖列的反相，因此，只要半個(gè)周期兩邊60°區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定，線電壓的調(diào)制脈沖波形</p><p&g

94、t;　　就唯一地確定了。這個(gè)脈沖并不是開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式，就可以確定開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)了。 </p><p>　　該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開關(guān)損耗和加寬線性控制區(qū)，同時(shí)還能帶來(lái)用微機(jī)控制的方便，但該方法只適用于異步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用范圍較小。</p><p>　　3.2 本文所采用的設(shè)計(jì)方法</p><p>　　

95、（1）基于DSP的脈寬調(diào)制(PWM)波形發(fā)生器所產(chǎn)生的PWM波形在工業(yè)控制中有著廣泛的應(yīng)用，可以用它來(lái)控制各種電機(jī)、電力電子設(shè)備、逆變器等，用途非常廣泛，可以說(shuō)很多控制最終都是由程序計(jì)算出的PWM波形來(lái)控制的。同時(shí)它也是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。這三種PWM輸出編碼的分別是強(qiáng)度為滿度值的10%

96、、50%和90%的三種不同模擬信號(hào)值。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。</p><p>　　（2）在DSP中實(shí)現(xiàn)連續(xù)的PWM波形可采取以下研究手段來(lái)實(shí)現(xiàn)：采用DSP的LF2407芯片的通用定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形。LF2407芯片有兩個(gè)事件管理器（EVA和EVB），每個(gè)事件管理器又有兩個(gè)通用定時(shí)器（E

97、VA的是TIMER1和TIMER2，EVB的是TIMER3， TIMER4，）每個(gè)通用定時(shí)器都能獨(dú)立地提供一個(gè)PWM波輸出通道，所以利用LF2407的通用定時(shí)器最多可以提供4PWM波輸出。</p><p>　　在通用定時(shí)器中可以選擇連續(xù)增計(jì)數(shù)模式或者連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式來(lái)產(chǎn)生PWM波輸出。用連續(xù)增計(jì)數(shù)模式時(shí)，可以產(chǎn)生邊沿觸發(fā)的非對(duì)稱的PWM波；用連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式時(shí)，可以產(chǎn)生一個(gè)載波周期內(nèi)兩次觸發(fā)的對(duì)稱的PWM波。

98、當(dāng)通用定時(shí)器產(chǎn)生比較匹配時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)，并使得PWM波輸出引腳的電平發(fā)生跳變，如果要產(chǎn)生PWM波形的占空比變化，只需要在線計(jì)算出相對(duì)于占空比寬度的值，并加載到通用定時(shí)器的比較寄程器中即可。</p><p>　　采用該方法輸出的PWM波不需要CPU參與工作，節(jié)省了系統(tǒng)資源，但是它的缺點(diǎn)是不能輸出一對(duì)極性相反的PWM脈沖，并且在死區(qū)控制上有一定的難度，不適合在電力電子的橋式逆變器中使用，只適用與產(chǎn)生一些常用的波形

99、，如正弦波、三角波等。</p><p>　　（3）可行性分析:1.該項(xiàng)目起點(diǎn)高,技術(shù)比較成熟。2.該項(xiàng)目可廣泛用于工業(yè)控制中。3.市場(chǎng)巨大的需求。隨著DSP技術(shù)的高速發(fā)展，基于DSP的脈寬調(diào)制(PWM)波形發(fā)生器的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，基于DSP的脈寬調(diào)制(PWM)波形發(fā)生器的種</p><p>　　類也越來(lái)越多，它與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。</p><p>

100、　　4 PWM波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 PWM波形發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　4.1.1 PWM波形產(chǎn)生原理</p><p>　　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(zhǔn)正弦波與一個(gè)載波三角波相比較，由兩者的交點(diǎn)決定開關(guān)模式的方法。由于自然采樣法得到的數(shù)學(xué)模型需要解超越方程，因而并不適合微控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制

101、，又因?yàn)閷?shí)踐檢驗(yàn)對(duì)稱波形比非對(duì)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(duì)稱規(guī)則采樣法作為本系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 </p><p>　　這里說(shuō)明一下使用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407（以下簡(jiǎn)稱2407）來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)的原理：由于產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)需要有一個(gè)適合的定時(shí)器來(lái)重復(fù)產(chǎn)生一個(gè)與PWM周期相同的計(jì)數(shù)周期，并用一個(gè)比較寄存器來(lái)保持調(diào)制值，因此，比較寄存器的值應(yīng)不斷與定時(shí)寄存器的值相比較，

102、這樣，當(dāng)兩個(gè)值相匹配時(shí)，就會(huì)在響應(yīng)的輸出上產(chǎn)生一個(gè)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(shí)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(hào)的寬度也將隨之改變。</p><p>　　通過(guò)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(hào)，而使用其中的通用定時(shí)器、全比較單元和單比較單元?jiǎng)t均可發(fā)出PWM脈沖，由DSP的PWM口可輸出一系列等幅不等寬

103、的PWM波形信號(hào)，這些信號(hào)再經(jīng)過(guò)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(hào)了。事實(shí)上，在硬件上，DSP有兩個(gè)設(shè)計(jì)一樣的事件管理模塊（EVA/EVB），每一個(gè)事件管理模塊都有6個(gè)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(jì)需要。 </p><p>　　4.1.2 TMS320LF2407的介紹</p><p>　　TMS320LF2407是德州儀器

104、公司（TI）推出的16位定點(diǎn)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(diǎn)：</p><p>　?。?）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。</p><p>　?。?）內(nèi)有高達(dá)32K×16位的Flash程序存儲(chǔ)器，高達(dá)2.5K×16位的數(shù)據(jù)/程序RAM，544×16位雙端口RAM（D

105、ARAM），2K×16位的單口RAM（SARAM）。</p><p>　?。?）2個(gè)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(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級(jí)電機(jī)和逆變器。</p><p>　?。?）可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共192K×16位，其中程序存儲(chǔ)器空間、數(shù)據(jù)存</p><p>　　儲(chǔ)器空間、I/O尋址空間各為

106、64K×16位。</p><p>　?。?）內(nèi)有看門狗定時(shí)器（WDT）、10位ADC轉(zhuǎn)換器、控制器區(qū)域網(wǎng)模塊CAN2.0B、</p><p>　　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)的時(shí)鐘發(fā)生器。</p><p>　?。?）5個(gè)外部中斷（兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷）；3種低功耗電源管理模式，能獨(dú)立地將外設(shè)