第8章DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第8章DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.12812DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)8.2基于DSP的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)8.3快速傅里葉變換與FIR數(shù)字濾波器

1/31/20231山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮8.12812DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2812DSP系統(tǒng)

一個(gè)典型的2812DSP應(yīng)用系統(tǒng)1/31/20232山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮單片系統(tǒng)SingleChipSolution

F2812/2810DSP最小系統(tǒng)1/31/20233山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮

281xDSP最小系統(tǒng)的電源、時(shí)鐘、JTAG電路1/31/20234山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮電源電路復(fù)位電路時(shí)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(dòng)電路鍵盤與顯示電路DSP應(yīng)用系統(tǒng)基本電路1/31/20235山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮1.電源電路

2812DSP系統(tǒng)至少需要兩組電源供電，內(nèi)核電源VDD為1.8V(或1.9V)，片內(nèi)外設(shè)電源VDDIO為3.3V。2812DSP的Flash編程電壓VDD3VFL、ADC模擬電路電源VDDA1、VDDA2也為3.3V，有時(shí)需要獨(dú)立的模擬電源。采用TPS767D318芯片的DSP電源電路

1/31/20236山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮2.時(shí)鐘電路

2812DSP的時(shí)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(dòng)能力較強(qiáng)，頻率范圍很寬，在1Hz~400MHz之間。無源晶體價(jià)格便宜，但是它的驅(qū)動(dòng)能力較差，一般不能提供給多個(gè)器件共享，且頻率范圍較窄，一般在10kHz~60MHz之間。2812DSP時(shí)鐘電路

1/31/20237山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮3.復(fù)位電路

2812DSP為低電平復(fù)位。通常的復(fù)位電路設(shè)計(jì)有RC電路法和專用芯片法。

RC復(fù)位電路

1/31/20238山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮MAX811復(fù)位電路

1/31/20239山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮4.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1/31/202310山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮5.存儲器擴(kuò)展

2812DSP片內(nèi)有4M字(Word,W)存儲器地址空間，有128K字的Flash存儲器、1K字的OTP型ROM、18K字RAM、4K字的引導(dǎo)(Boot)ROM。用戶程序可以燒寫入128K字的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)18K字RAM。18K字片內(nèi)RAM包括1KW的M0、1KW的M1、4KW的L0、4KW的L1和8KW的H0。但由于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。1/31/202311山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮外部存儲器及I/O擴(kuò)展XINTFZone0/1,Zone2,Zone6/7,1M+32K字。

數(shù)據(jù)線

XD0-XD15。

地址線

XA0-XA18地址譯碼：138，PAL,GAL,CPLD。

控制信號線

/XRS:復(fù)位引腳。

XMP/MC:微處理器/微計(jì)算機(jī)選擇信號。

XR/W:讀/寫選擇信號。

/XRD:讀使能信號。

/XWE:寫使能信號。

XREADY:準(zhǔn)備好信號。

X1/XCLKIN:振蕩器輸入信號。

X2:振蕩器輸出信號。1/31/202312山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮DSP存儲器擴(kuò)展

1/31/202313山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮8.2基于DSP的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基于DSP的數(shù)字運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)信號,將電源轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的電壓和電流，由電動(dòng)機(jī)直接或通過減速齒輪等驅(qū)動(dòng)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(dòng)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)。1/31/202314山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮1/31/202315山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮1.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

1/31/202316山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮d、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]1/31/202317山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮2.永磁同步電機(jī)數(shù)字伺服系統(tǒng)控制原理1/31/202318山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮3.永磁同步電機(jī)空間矢量PWM控制三相逆變器主回路

1/31/202319山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮1/31/202320山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮SVPWM開關(guān)順序1/31/202321山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮4.伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)1/31/202322山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮5.軟件設(shè)計(jì)數(shù)字伺服系統(tǒng)DSP控制軟件結(jié)構(gòu)

1/31/202323山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮1/31/202324山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮1/31/202325山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮數(shù)字伺服系統(tǒng)電流與速度響應(yīng)曲線

1/31/202326山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮鍵盤和顯示電路D/A轉(zhuǎn)換電路1/31/202327山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮8.3快速傅里葉變換與FIR數(shù)字濾波器8.3.1快速傅里葉變換傅里葉變換是一種將時(shí)域信號變換為頻域信號的積分變換形式。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(shí)間信號x(t)的傅里葉變換為1/31/202328山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮序列x(n)的離散傅里葉變換快速傅里葉變換一個(gè)N點(diǎn)的DFT可以分解為兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT，每個(gè)N/2點(diǎn)的DFT又可以分解為兩個(gè)N/4點(diǎn)的DFT…。當(dāng)N為2的整數(shù)次冪時(shí),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。1/31/202329山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮例，時(shí)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)1/31/202330山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮voidFFT(float

Xr[N],float

Xi[N]) //時(shí)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(gè)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))1/31/202331山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮//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(jì)算功率普

}}

1/31/202332山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮main(){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); }1/31/202333山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮voidInitForFFT() //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)}}1/31/202334山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮FFT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(gè)權(quán)值；N2為最高位的權(quán)值floatT; //臨時(shí)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(gè)倒序值for(m=1;m<=N1-2;m++) //第0個(gè)和最后一個(gè)不倒序{1/31/202335山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮if(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}}1/31/202336山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮8.3.2FIR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(jì)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(jì)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1/31/202337山東大學(xué)控制學(xué)院張東亮FIR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)。1/31/202338山東大學(xué)控