尹維春

摘 要：結(jié)合《DSP原理及應(yīng)用》課程在電氣工程的應(yīng)用背景，充分考慮了電子產(chǎn)品特別是DSP芯片的更新?lián)Q代的加快，原有的實(shí)驗(yàn)裝置中采用的DSP逐漸退出實(shí)際應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中反映出實(shí)驗(yàn)箱集成度過(guò)高不便于學(xué)生使用和實(shí)驗(yàn)室維護(hù)的情況，設(shè)計(jì)采用TMS320F28027為控制核心板和具有DSP應(yīng)用特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并將實(shí)驗(yàn)裝置模塊化電路設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，從而提高實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的同時(shí)也大大降低了實(shí)驗(yàn)裝置的破損率。

關(guān)鍵詞：DSP TMS320F28027 功能模塊化

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0012-02

《DSP原理及應(yīng)用》是一門理工類院校普遍開展的高級(jí)電子技術(shù)應(yīng)用課程，原因在于DSP（Digital Signal Processor）技術(shù)應(yīng)用在電子信息、綠色能源、自動(dòng)控制、智能儀器和信息家電等高科技領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)DSP應(yīng)用領(lǐng)域中占有份額最大的DSP芯片廠家的是德州儀器（TI），大致分為C2000、C5000和C6000三個(gè)系列DSP。C2000系列DSP用于工業(yè)控制檢測(cè)和監(jiān)控，C5000系列更多應(yīng)用于語(yǔ)音處理，C6000應(yīng)用于圖像處理。文中提出的DSP是C2000系列面向具有能源電力應(yīng)用背景的DSP[1]?！禗SP原理及應(yīng)用》這門課程開設(shè)的對(duì)象一般是本科專業(yè)三年級(jí)或者研究生，具備了完善的模擬電子技術(shù)、電路、數(shù)字電子技術(shù)和單片機(jī)等課程基本理論能夠?qū)W習(xí)和掌握更加高級(jí)的電子技術(shù)。該文提出的功能模塊化的實(shí)驗(yàn)裝置主要針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的功能、使用以及實(shí)驗(yàn)室維護(hù)等方面的不足，面對(duì)電子產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代能夠使DSP教學(xué)緊跟DSP實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)使實(shí)驗(yàn)裝置更便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和維護(hù)，也便于學(xué)生的學(xué)習(xí)和使用。

1 傳統(tǒng)箱柜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足

通常實(shí)驗(yàn)箱由一塊實(shí)驗(yàn)板構(gòu)成，或者DSP最小系統(tǒng)板加上功能實(shí)驗(yàn)?zāi)K總板構(gòu)成，例如圖1所示現(xiàn)有DSP實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)，就是由TMS320LF2407A最小系統(tǒng)板和外圍電路模塊總板構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)箱的所有模塊包括電源模塊、信號(hào)產(chǎn)生電路、AD調(diào)理電路、顯示電路、CAN總線電路、D/A轉(zhuǎn)換模塊以及指示燈和按鍵等電路都在一塊實(shí)驗(yàn)板上，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊易于整理，這樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是現(xiàn)在商品化實(shí)驗(yàn)教具的主要形式。但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中經(jīng)常會(huì)遇到這樣的問(wèn)題，就是具體電路分析不清晰，實(shí)驗(yàn)箱統(tǒng)一上電，那么各個(gè)模塊都是處于待機(jī)狀態(tài)的，各個(gè)模塊直接就存在著信號(hào)混雜的現(xiàn)象。雖然在電路總板上也畫出了相應(yīng)電路的區(qū)域，但講解具體電路時(shí)，學(xué)生面對(duì)一個(gè)整體電路板，看不到實(shí)際連線無(wú)法準(zhǔn)確分析具體功能模塊電路。

如圖2所示的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)箱的功能結(jié)構(gòu)圖。

2 DSP芯片的選擇

《DSP原理及應(yīng)用》課程開設(shè)的目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用高級(jí)電子技術(shù)進(jìn)行工業(yè)控制的能力，C2000系列DSP具有TMS320C2000系列DSP具有的數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理器能力和嵌入式控制功能，基于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的C28xCPU的32位微控制器，CPU擁有一個(gè)功率信號(hào)處理引擎，能夠處理嚴(yán)苛的閉環(huán)任務(wù)，從而讓設(shè)計(jì)人員能夠改善系統(tǒng)效率、可靠性和靈活性。非常適用于電機(jī)控制、數(shù)字電源、太陽(yáng)能、照明領(lǐng)域、逆變器、風(fēng)力發(fā)電等綠色能源應(yīng)用領(lǐng)域也將得到廣泛應(yīng)用[2]。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，TI已經(jīng)開始把C2000系列DSP列為高性能MCU，但工業(yè)應(yīng)用依然把C2000系列控制器視為DSP，主要包括PiccoloTM系列的F2802x/3x/5x/6x/7x等、DelfinoTM系列的F2833x/F2837x等以及定點(diǎn)F280x/1x等DSP。做為基礎(chǔ)理論教學(xué)應(yīng)用，采用Piccolo系列DSP既可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備又能出色完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，使學(xué)生能更方便的學(xué)習(xí)而把實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)延伸至實(shí)驗(yàn)室外，使實(shí)驗(yàn)器材口袋化。文中設(shè)計(jì)采用Piccolo F28027為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。

2.1 PiccoloTM 系列DSP的特點(diǎn)

PiccoloTM DSP具有低成本、高集成度32位微控制器，采用最新的架構(gòu)技術(shù)和增強(qiáng)型外設(shè)，能夠承擔(dān)通常相同成本應(yīng)用難以承擔(dān)的32位實(shí)時(shí)控制功能的優(yōu)勢(shì)。如圖1所示實(shí)驗(yàn)箱中的DSP芯片為TMS320F2407A已經(jīng)不再生產(chǎn)，但它的功能和性能完全可以由Piccolo F28027替代，而1.85美元的價(jià)格會(huì)大大拉低整個(gè)應(yīng)用電路的成本。

Piccolo F28027具有以下主要性能[3]。

（1）60M高性能32位CPU（TMS320C2

8xTM）；

（2）3.3V供電，集成上電復(fù)位掉電保護(hù)；

（3）3個(gè)32位CPU定時(shí)器；

（4）12位A/D轉(zhuǎn)換器件；

（5）增強(qiáng)的控制外設(shè)：8個(gè)PWM輸出端口，4個(gè)高分辨率脈寬調(diào)制模塊（HRPWM）。

2.2 F28027控制板的設(shè)計(jì)

F28027 DSP控制板的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，TI提供了標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以通過(guò)Protel等課程設(shè)計(jì)來(lái)讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)和制作，更能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情?？刂瓢逶韴D如圖3所示，需要重點(diǎn)注意電源電路的電壓轉(zhuǎn)換，復(fù)位電路和JTAG電路中的器件參數(shù)。

圖4為焊接后的F28027電路板，和TI大學(xué)計(jì)劃的Launch Pad板相似，所不同的地方在于使用外接仿真器，實(shí)驗(yàn)室在應(yīng)用中使用XDS100V2仿真器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 具有典型特點(diǎn)功能模塊化的電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)新型DSP芯片的核心板、功能電路板最小系統(tǒng)的開放性設(shè)計(jì)和針對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的PCB的制作，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模塊化并分解為電路模塊做成獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)板卡，實(shí)驗(yàn)中選取核心板和該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的板卡采用連接母板進(jìn)行連接。

有源逆變技術(shù)目前使用最多的逆變電路是SPWM逆變電路，應(yīng)用等面積法和規(guī)則采樣法對(duì)SPWM逆變電路進(jìn)行數(shù)字化控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電路的控制，能夠體現(xiàn)DSP技術(shù)的優(yōu)越性[4]。

逆變電路開關(guān)管選用功率管IRF640，為了保證IRF640可靠關(guān)斷和開啟通常使用柵極驅(qū)動(dòng)電路。考慮到逆變電路多為橋式開關(guān)電路，設(shè)計(jì)中使用IR2110這樣集成芯片。DSP輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后接入主電路的HIN和LIN端口，做到電氣隔離，可以保護(hù)DSP。

驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。圖中開關(guān)管Q1和Q2選用IRF640，柵極電阻RG1和RG2可以使用50 Ω電阻。

4 結(jié)語(yǔ)

作為一門工程應(yīng)用性非常強(qiáng)的課程，如何能讓學(xué)生盡快掌握DSP技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)是每個(gè)教師思考的重點(diǎn)。通過(guò)綜合設(shè)計(jì)具有應(yīng)用特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目讓學(xué)生有興趣學(xué)習(xí)，并適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)逐步改善實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分解呆板的實(shí)驗(yàn)箱為靈活應(yīng)用的模塊化的功能電路，使實(shí)驗(yàn)應(yīng)用更豐富，也大大提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的可用性，減少了因?yàn)榫植侩娐返膿p壞而報(bào)廢整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱的情況，口袋化的實(shí)驗(yàn)裝置可以把學(xué)生的學(xué)習(xí)延伸至實(shí)驗(yàn)室外。

參考文獻(xiàn)

[1] 寧改娣，曾翔君，駱一萍.DSP控制器原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2] 徐科軍，陶維青，汪海寧.DSP及其電氣與自動(dòng)化工程應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[3] TMS320F28027，Piccolo Microcontrollers Data Manual[S].SPRS5231，Texas Instruments，2012.

[4] 林欣.功率電子技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.