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1 引 言 在工業控制領域，為了實現采集和控制功能，經常會使用到A／D，D／A模塊。在實際使用中A／D，D／A模塊和主機之間通信方式可以有很多選擇。比如RS 232，RS 422，網絡等接口方式。在該設計中A／D，D／A模塊通過CPCI總線與主機通信，通過A／D接口采集數據，經過伺服控制軟件處理，輸出模擬量驅動執行機構。 從而實現一個閉環的控制。另外通過對DSP軟件的修改，該模塊還可以單獨實現A／D或者D／A功能。 該設計中A／D，D／A模塊具備以下功能： (1)提供2路16位A／D，輸入信號范圍±5 V，精度要求小于士16 LSB； (2)提供2路16位D／A，輸出信號范圍±5 V，精度要求小于土8 LSB，受系統復位控制； (3)使用TI公司DSP(TMS320VC33)作為板載處理器，該DSP主要實現管理A／D和D／A、運行控制算法、與主機通信功能，并受系統復位控制； (4)DSP與主機采用雙口RAM(IDT7133)實現數據交換功能。 2 設計原理 如圖1硬件結構框圖所示，該模塊采用TI公司高性能CPU器件TMS320VC33為核心。模塊通過PCI9052芯片與CPCI總線連接，PCI9052的本地總線的信號連接到雙口RAM的一端。雙口RAM的另一端通過電平緩沖器連接DSP。 DSP核心電路包括DSP芯片TMS320VC33、數據RAM CY7C1041VC33、程序FLASH芯片SST39VF800A組成；DSP的地址、數據、控制總線通過電平緩沖器件連接雙口RAM、A／D芯片、D／A芯片、CPLD。DSP通過雙口RAM芯片與主控計算機進行數據交換；A／D芯片的初始化以及讀寫操作也由DSP負責完成；DSP控制D／A芯片輸出模擬信號；CPLD內部主要實現組合邏輯功能，將DSP輸入的控制信號譯碼，然后輸出給雙口RAM以及A／D，D／A等功能芯片使用。 雙口RAM芯片是實現智能板的重要組成，由于DSP與主控計算機的地址空間資源是分別進行獨立分配的，無法直接進行互相訪問，在兩者之間需要一個數據緩沖，雙口RAM的特點使其可以滿足這個要求。 3 實現方法 3．1 主要原器件選擇 在該設計中采用成熟技術，選用常用、可靠的控制芯片，結合一些常用的外圍電路和專用電路實現全部的功能。即選擇PC19052作為接口芯片，利用該芯片實現PCI總線從接口邏輯。 選擇TMS320VC33作為板載處理芯片，該芯片是TI公司推出的專門用于實現浮點運算的高性能DSP，數據處理能力強，并且包含豐富的外圍電路擴展接口。 為了實現模塊上的電平轉換功能，選擇應用比較廣泛SN74ALVC164245DL作為電平轉換緩沖芯片。 3．2 PCI9052與雙口RAM硬件接口實現 如圖3所示PCI9052與雙口RAM連接的本地總線信號包括地址、數據、控制信號3個部分。地址總線寬度為12位，數據總線寬度為16位，因此尋址空間為2 KB的16 b地址空間。控制信號包括讀寫控制信號和外設準備完成信號，當雙口RAM將外設準備完成信號拉低后，主機就可以通過輸出讀寫控制信號對雙口RAM進行讀寫的操作。 3．3 DSP設計核心電路設計 DSP是整個設計核心，DSP核心電路由DSP芯片、FLASH和RAM三個部分組成。DSP通過雙口RAM與處理計算機交換數據。 如圖3所示，DSP核心電路設計如下所述。DSP的電源包括核心工作電壓1．8 V與I／O電壓3．3 V兩種，分別由板上電源模塊提供。時鐘信號由外接晶振提供。復位信號由CPLD提供，由于DSP的I／O電壓為3．3 V，在與I／O電平標準為+5 V的信號連接時需要進行3．3～5 V之間的電平轉換。中斷信號同樣通過電平轉換器件連接到CPLD。地址和數據總線根據實際設計的需要連接功能器件。JTAG接口連接到模塊的一個標準的雙列14腳直插連接器上。Page0～3信號通過電平轉換器件連接到CPLD。 3．4 電源設計 系統電源包括+5 V．3．3 V，1．8 V，+15 V，-15 V。 DSP芯片核心電壓為1．8 V，I／O電壓為3．3 V，所以需要該板提供3．3 V和1．8 V兩個電壓源。D／A芯片需要提供+15 V，-15 V兩種電源。+5 V電源是由系統提供，其他的電源均由+5 V電源轉換獲得。 對于線性穩壓來說，其特點是電路結構簡單，所需元件數量少，輸入／輸出壓差可以很大，但其致命弱點就是效率低，功耗高。DC-DC電路的特點是效率高，升降壓靈活，缺點是干擾和紋波較大。 對比凌特公司、國家半導體公司、德州儀器公司等的同類型電壓轉換芯片，選取德州儀器公司的TPS73HD318模塊作為3．3 V和1．8 V電壓轉換芯片。選用RECOM公：REC3-0515DRW完成+5 V和+15 V，-15 V之間電壓轉換。他們具有90％以上的轉換效率、簡單的外圍電路、更小的封裝、2．5％以下的紋波電壓等特點。 3．5 復位設計 如圖4所示，復位的輸入包括兩個部分：MAX1232輸出的RESETA和電源芯片TPS73HD318輸出的RESETB。MAX1232的輸入為手動復位信號輸入和看門狗喂狗信號輸入。手動復位信號來自復位按鈕，喂狗信號來自CPLD。復位輸出2個信號分別給DSP，D／A使用。 3．6 電平轉換設計 由于DSP的接口電平為3．3 V，CPLD和PC19052接口電平為5 V，為了將兩部分兼容起來，需要使用電平轉換緩沖芯片。如圖5所示該器件有兩個供電電源、兩個方向控制端、兩個使能端。通過連接不同的電壓源可以為器件的信號引腳提供不同的電平。 3．7 A／D，D／A設計 A／D和D／A芯片通過電平緩沖期間與DSP的地址數據總線連接，由DSP芯片負責A／D和D／A的初始化以及讀寫控制。 4 CPLD邏輯設計 CPLD片內邏輯實現描述框圖見圖6。在CPLD內部主要實現了三個的功能，與DSP總線的邏輯接口、內部的寄存器、控制邏輯。 與DSP總線的接口邏輯實現與DSP邏輯接口，使DSP對CPLD的內部寄存器可以進行訪問。狀態寄存器為只讀寄存器，用來讀取中斷狀態、與雙口RAM進行通信的標志位等信息；控制寄存器為只寫寄存器，用來控制中斷屏蔽、修改通信的標志位。組合邏輯主要用來進行地址譯碼、讀寫譯碼。 5 DSP軟件設計 DSP軟件開發主要是在TI提供的集成開發環境CCS下，充分利用實時操作系統DSP／BIOS的強大功能，結合自己特定的處理算法．快速構筑一個滿足需求的高效率的軟件系統。在設計中，對DSP的初始化是必須的，該設計主要應用于實時控制系統中，其電路的主要功能是用于采集、運算、輸出。程序流程圖如圖7所示，上電后存儲在FLASH內的程序開始運行，DSP開始依次初始化RAM存儲器、CPLD內部寄存器、A／D寄存器、D／A寄存器。初始化完成后開始讀取A／D輸入，由于A／D轉換速度比讀取的速度慢，在讀取過程中需要查詢A／D轉換狀態，等待A／D芯片輸出轉換完成信號。將讀取的數據寫入雙口RAM的指定位置，并刷新雙口RAM和CPLD內部的標志位，通知主機讀取數據。對A／D數據進行運算，根據運算結果控制D／A輸出，等待查詢D／A轉換完成之后，程序再次跳轉至讀取A／D。 6 結 語 將該設計用于某一伺服控制系統，實現了系統功能，同時對系統的穩定性和可靠性給予了足夠的關注。經長時間考核，本系統運行穩定可靠。 |
