摘 要：由于目前高性能DSP系統(tǒng)在降低功耗的同時(shí)必須考慮其外圍器件的電源特性，所以對(duì)DSP系統(tǒng)電路提供電源時(shí)必須要考慮到DSP兩種電壓的供電特性。介紹一種基于DSP的導(dǎo)引頭伺服平臺(tái)控制器電路的電源設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)給出采用高效率的電壓轉(zhuǎn)換芯片為DSP提供核電壓、I/O接口電壓的應(yīng)用電路；并設(shè)計(jì)電源監(jiān)控與復(fù)位電路，以確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠和高效。測(cè)試表明該電源系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和通用性，可以應(yīng)用于一般的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電源；伺服控制器；DSP；電源監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TJ765.3，TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1804104

Design of Power Supply for Servo Platform Controller of Seeker Based on DSP

DENG Zhiping，ZHANG Yongke，PENG Xiaole

(Institute 209 of China Ordnance Industry，Chengdu，610041，China)

Abstract：Besides lowing the power consumption of DSP chip，considering the voltage characteristics of external circuits are also important，so two types of voltage of DSP chip in designing power supply for high performance DSP system are considered.In this paper，a design solution of power supply for servo stabilized platform controller of seeker based on DSP is presented.A scheme of circuitry with efficient LowDropout Voltage Regulator which supplies power for kernel voltage and I/O voltage of DSP is given in detail.Further more，the circuitry of power monitor and control is given which can guarantee the power supply system to be stabilized，reliable and efficient.Experiments show that the power supply system has high practicability and universal property，it can be used in general digital servo control system.

Keywords：power supply；servo controller；DSP；power monitor and control

成像導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定平臺(tái)是保證導(dǎo)引頭視軸穩(wěn)定的主要裝置，用于隔離載體的振動(dòng)，并克服載體姿態(tài)變化對(duì)跟蹤系統(tǒng)的影響，同時(shí)要在控制指令的驅(qū)動(dòng)下完成對(duì)目標(biāo)的捕獲和跟蹤^［1］。導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定平臺(tái)必須具有較好的隔離度和足夠高的跟蹤精度以及跟蹤速度。導(dǎo)引頭在搜索、捕獲、跟蹤等不同階段對(duì)其伺服控制系統(tǒng)提出不同的控制算法要求，而且導(dǎo)引頭還要求在較寬的溫度范圍內(nèi)工作。數(shù)字伺服控制系統(tǒng)可以方便靈活地對(duì)控制算法進(jìn)行改變，使用數(shù)字伺服控制系統(tǒng)能很好地滿足對(duì)導(dǎo)引頭控制的要求^［1］。這里選用DSP作為伺服控制器的處理器。

導(dǎo)引頭伺服平臺(tái)控制系統(tǒng)屬于高精度控制、測(cè)量以及運(yùn)算于一體的脫機(jī)控制系統(tǒng)，其工作頻率高，數(shù)據(jù)吞吐大、功耗也相對(duì)較高，因此電路供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。所以設(shè)計(jì)高效率、高性能的供電系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義^［2］。其中，伺服控制器系統(tǒng)DSP的電源設(shè)計(jì)是很關(guān)鍵的部分。為了提高導(dǎo)引頭的跟蹤精度，改善伺服平臺(tái)的伺服控制穩(wěn)定性，而且現(xiàn)在很多先進(jìn)算法的應(yīng)用，例如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制、非線性控制算法等，與傳統(tǒng)PID控制相比，這些算法對(duì)處理器的運(yùn)算能力都提出了更高的要求。

通過對(duì)導(dǎo)引頭伺服平臺(tái)數(shù)字控制器進(jìn)行需求分析，以及對(duì)硬件性能方面的比較之后，本系統(tǒng)電路的處理器選用TI公司的TMS320F2812。這是一款用于數(shù)字控制處理領(lǐng)域的高性能數(shù)字信號(hào)處理器，最高工作頻率可達(dá)150 MHz，是目前廣泛用于電機(jī)控制領(lǐng)域的32位定點(diǎn)DSP芯片。乘法運(yùn)算是CPU運(yùn)算中最費(fèi)時(shí)的一種運(yùn)算，在處理乘法運(yùn)算方面，F(xiàn)2812的CPU集成了一個(gè)16×16位的硬件乘法器，能夠很方便地進(jìn)行16×16位和32×32位的乘法運(yùn)算。F2812具有數(shù)字信號(hào)處理能力、強(qiáng)大的事件管理能力以及嵌入式控制功能。導(dǎo)引頭伺服控制器的硬件組成框圖如圖1所示。

1 本系統(tǒng)的電源要求

在進(jìn)行電路系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須要將整個(gè)系統(tǒng)的其他部分確定，而且器件型號(hào)均選好，獲得所需的功率、電流、電壓大小等信息，從而決定電源系統(tǒng)所選用的器件，并采用合適的方案實(shí)現(xiàn)。

圖1 導(dǎo)引頭伺服平臺(tái)控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖伺服平臺(tái)控制器電路中用到的電源有+15 V，-15 V，+10 V，-10 V，5 V，3.3 V，2.5 V，1.8 V。在電路中，DSP選用的是TI公司的TMS320F2812，CPLD選用的是 XILINX公司的XC95144XLTQ144。DSP需要1.8 V和3.3 V電壓，CPLD需要3.3 V電壓供電，通信模塊和外部存儲(chǔ)器等芯片需要3.3 V電壓供電；A/D需要2.5 V的基準(zhǔn)電壓；D/A需要專門的參考電壓電路給其提供+Vref，-Vref。+15 V，-15 V，5 V電壓直接由穩(wěn)壓電源提供。

F2812的I/O接口電壓是3.3 V，但其他外圍電路有5 V和3.3 V的器件，因此在DSP系統(tǒng)中，經(jīng)常有5 V和3.3 V電壓與DSP的混接問題。在這種情況下，應(yīng)注意：

（1） DSP輸出給5 V的電路（如D/A），無需加任何緩沖電路，可以直接連接；

（2） DSP輸入5 V的信號(hào)（如A/D），必須要將5 V信號(hào)變換成3.3 V的信號(hào)；

（3） 仿真器的JTAG口的信號(hào)也必須為3.3 V，否則有可能損壞DSP。

F2812需要2種電源，即核電壓和I/O接口電壓，核電壓是1.8 V（或1.9 V），I/O接口電壓是3.3 V。在電路上電和掉電時(shí)必須考慮它們的配合問題：在上電時(shí)，要保證I/O先于核電壓，最起碼兩者同時(shí)上電；同樣，在關(guān)閉電源時(shí)，保證內(nèi)核先于I/O，最起碼兩者同時(shí)掉電。

為了保證DSP芯片在電源未達(dá)到要求的電平時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生不受控制的狀態(tài)，所以有必要在系統(tǒng)中加入電源監(jiān)控和復(fù)位電路。由該電路確保DSP芯片在系統(tǒng)加電的過程中始終處于復(fù)位狀態(tài)，直到核電壓和I/O電壓達(dá)到所要求的電平。同時(shí)，一旦電源的電壓降到門限值以下，強(qiáng)制芯片進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定地工作。

2 數(shù)字電源設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中存在模擬電路和數(shù)字電路供電，模擬和數(shù)字電路要獨(dú)立分開供電。這里數(shù)字電路電源部分主要有DSP的核電壓和I/O接口供電，CPLD的供電。電路中，3.3 V和1.8 V的電壓分別由電源芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，3.3 V的電壓由TPS7333Q提供，1.8 V的電壓由TPS7301QD提供。

DSP穩(wěn)定工作狀態(tài)下，最大工作電流為300 mA，CPLD上電時(shí)最大電流為250 mA，另外還有通信模塊、存儲(chǔ)模塊等電路的器件需要+3.3 V電源。TPS7333Q和TPS7301QD的各自輸出調(diào)整電路最大都能提供500 mA的電流，在此系統(tǒng)中，由這2片電源芯片提供的最大電流峰值是夠用的。

2.1 1.8 V電壓電路

DSP的1.8 V核電壓電源由TPS7301Q提供，這是一款TI設(shè)計(jì)的專用于DSP的電源芯片，兩側(cè)引腳SO（Small Outline）封裝。由于TPS7301Q用來產(chǎn)生核電壓，在DSP進(jìn)行上電和掉電的過程中，核電壓和I/O電壓同時(shí)上電、掉電。如圖2所示是1.8 V電壓產(chǎn)生的電路連接圖。

圖2 1.8 V電壓產(chǎn)生電路在圖2中，R15和R16的作用是進(jìn)行電壓偏置，其關(guān)系式為R16=(V0Vref－1)×R15。因?yàn)門PS7301Q的Vref是1.182 V，若要產(chǎn)生1.8 V的電壓，即V0=1.8V，當(dāng)R15選定之后就可以根據(jù)公式R16=(V0Vref－1)×R15求出R16的值。為了獲得更好地輸入電壓且減少對(duì)其他電路的干擾，輸入端需要接等效串聯(lián)電阻的電解電容，同時(shí)在輸出端也要接電容進(jìn)行濾波。

2.2 3.3 V電壓電路

在電路中，3.3 V電壓為DSP的I/O，CPLD提供電壓。TPS7333Q和TPS7301QD各自能提供的最大輸出電流是500 mA，其提供的總電流量夠用。TPS7333Q為電路提供3.3 V直流電壓，其實(shí)現(xiàn)電路連接圖如圖3所示。

圖3 3.3 V電壓產(chǎn)生電路TPS7333Q的輸出電流是0~500 mA，輸出電壓波動(dòng)為3.23~3.37 V。當(dāng)輸出引腳OUT上的輸出電壓低于門限值時(shí)，RESET引腳將強(qiáng)行使其復(fù)位。TPS7333Q內(nèi)部的比較器隨時(shí)監(jiān)控輸出電壓值，當(dāng)輸出電壓<門限值時(shí)，RESET信號(hào)變成低電平（RESET低電平有效）；當(dāng)輸出電壓到達(dá)門限電壓后，經(jīng)過200 ms的延時(shí)之后，RESET信號(hào)變成高電平。

為了獲得更好地輸入電壓且減小對(duì)其他電路的干擾，5 V電壓輸入端必須并接電容進(jìn)行濾波。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，為了達(dá)到更好的性能，在輸出端也分別需要接小電容值的電容進(jìn)行濾波。無論電路是否有專門的地層和電源層，都必須在電源和地之間加一定的并且分布合理的電容，進(jìn)行濾波。濾波電路用于濾除輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容使負(fù)載電壓比較平滑，具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感使負(fù)載電流比較平滑，有平波作用。電感相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，能濾除高頻噪聲，電感的選擇主要決定于電源中高頻噪聲的成分。

2.3 電源監(jiān)控與復(fù)位電路

在DSP系統(tǒng)中，系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率較高，在運(yùn)行時(shí)極有可能出現(xiàn)干擾和被干擾現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)死機(jī)。為了克服這種情況，除了在軟件上做一些保護(hù)措施外，硬件上也必須做相應(yīng)的處理。硬件上最有效的保護(hù)措施就是采用具有監(jiān)視(Watchdog)功能的自動(dòng)復(fù)位電路。在DSP的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一個(gè)好的復(fù)位電路能有效提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

這里選取的復(fù)位芯片是MAX706。MAX706監(jiān)控芯片是Maxim公司生產(chǎn)的具有代表性的多功能微處理器監(jiān)控電路。MAX706具有上電自動(dòng)復(fù)位，當(dāng)電源電壓超過復(fù)位門限以后，復(fù)位低電平維持200 ms；具有人工復(fù)位輸入，復(fù)位按鍵彈起后，復(fù)位脈沖維持200 ms；獨(dú)立的看門狗電路，定時(shí)時(shí)間為1.6 s；確保在電源低至1.0 V時(shí)，復(fù)位輸出仍有效；MAX706為5.0 V電源供電，低電平復(fù)位輸出，復(fù)位門限為4.4 V。在系統(tǒng)上電、掉電、復(fù)位按鍵按下以及電源電壓降低的情況下，復(fù)位比較器能夠保證輸出準(zhǔn)確可靠的復(fù)位信號(hào)。

在調(diào)試整個(gè)DSP系統(tǒng)電路時(shí)，要用仿真器將DSP開發(fā)板（通過JTAG接口)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，這樣所編寫的程序才能寫入DSP開發(fā)板，以及在計(jì)算機(jī)上通過CCS調(diào)試DSP開發(fā)板。每次調(diào)試程序都必須經(jīng)過JTAG仿真器將程序裝載到開發(fā)板中，在裝載過程時(shí)間可能大于看門狗電路的復(fù)位時(shí)間(1.6 s)，這時(shí)候必須要保證看門狗不啟動(dòng)，否則會(huì)將DSP的復(fù)位引腳拉低，導(dǎo)致連接錯(cuò)誤、工作失常。為保證DSP系統(tǒng)調(diào)試與工作正常，在電路中做如下改進(jìn)，在MR與WDO之間加上1個(gè)跳針（J5），在每次加載程序時(shí)將跳針斷開，關(guān)閉看門狗功能；正常運(yùn)行時(shí)將跳針短路，即實(shí)現(xiàn)看門狗的功能，圖4是其實(shí)現(xiàn)電路。

圖4 監(jiān)測(cè)與復(fù)位電路3 參考電源設(shè)計(jì)

電路中需要為A/D和D/A提供參考電壓。AD7863需要2.5 V的參考電壓，DAC7724需要+10 V，-10 V的參考電壓。其實(shí)現(xiàn)電路為圖5所示。要保證A/D的轉(zhuǎn)換精度以及D/A輸出模擬信號(hào)的精度，必須要求參考電源和模擬電源盡量“干凈”，這對(duì)于保證整個(gè)系統(tǒng)的精度和可用性是至關(guān)重要的。因?yàn)橐话愕碾娮瓒加幸欢ǖ恼`差，所以必須在實(shí)際的電路中加入可調(diào)電阻來調(diào)整參考電壓的輸出值，這樣來保證精度。

圖5 A/D，D/A的參考電源電路同樣在REF01和OP27的供電電壓輸入端，+10 V，-10 V，2.5 V電壓的輸出端都要加濾波電路進(jìn)行濾波。電路中2.5 V的電壓是通過在+Vref輸出端設(shè)計(jì)一個(gè)偏置電壓電路，通過調(diào)整VR3來得到+2.5 V的電壓。

4 結(jié) 語

（1） 本文從總體上介紹基于DSP的導(dǎo)引頭伺服控制器電路系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)。重點(diǎn)是F2812 DSP雙電源解決方案，主要是從具體的電源要求，如最大輸出電流、輸出紋波電壓、電源效率、輸出電壓精度等方面進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。從測(cè)試的結(jié)果可以看出，本文中設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠滿足導(dǎo)引頭伺服控制器系統(tǒng)的需要，同時(shí)還可以移植到一般的伺服控制系統(tǒng)中使用。

（2） 在布線時(shí)，為DSP提供電源的兩個(gè)電源模塊盡可能靠近DSP，這樣可以減小線路阻抗、電感以及兩個(gè)輸出地之間的地線回路電流。這個(gè)地線回路電流會(huì)產(chǎn)生EMI干擾，而這種干擾會(huì)影響回路中的任何電路，為了盡可能地避免這個(gè)問題，電源管理模塊的地線必須與DSP的地線直接連接。在電路中，模擬地和數(shù)字地分開，但最后通過一電感相連。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王德奎.電視導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制器的數(shù)字化設(shè)計(jì)［J］.視頻技術(shù)應(yīng)用與工程，2005(3):9495.

［2］孫繼平，關(guān)永，張杰.經(jīng)濟(jì)實(shí)用的DSP電源解決方案［J］.電子元件與材料，2002(11):1113.

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作者簡(jiǎn)介 鄧志平 男，1983年出生，湖北監(jiān)利人，碩士研究生。研究方向?yàn)閷?dǎo)引頭伺服控制系統(tǒng)。

張永科 男，1963年出生，四川邛崍人，研究員。研究方向?yàn)槌上駥?dǎo)引頭、圖像處理。

彭曉樂 男，1964年出生，四川成都人，研究員高工。研究方向?yàn)槌上駥?dǎo)引頭、伺服控制系統(tǒng)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文