第8章DSP應用系統(tǒng)設計

第8章DSP應用系統(tǒng)設計8.12812DSP系統(tǒng)硬件設計8.2基于DSP的數(shù)字運動控制系統(tǒng)8.3快速傅里葉變換與FIR數(shù)字濾波器

1/31/20231山東大學控制學院張東亮8.12812DSP系統(tǒng)硬件設計2812DSP系統(tǒng)

一個典型的2812DSP應用系統(tǒng)1/31/20232山東大學控制學院張東亮單片系統(tǒng)SingleChipSolution

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

281xDSP最小系統(tǒng)的電源、時鐘、JTAG電路1/31/20234山東大學控制學院張東亮電源電路復位電路時鐘電路JTAG電路存儲器擴展電平轉換CAN接口電路RS232/485接口電路指示燈電路，A/D,D/A電路運算放大器電路、功率驅動電路鍵盤與顯示電路DSP應用系統(tǒng)基本電路1/31/20235山東大學控制學院張東亮1.電源電路

2812DSP系統(tǒng)至少需要兩組電源供電，內核電源VDD為1.8V(或1.9V)，片內外設電源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，有時需要獨立的模擬電源。采用TPS767D318芯片的DSP電源電路

1/31/20236山東大學控制學院張東亮2.時鐘電路

2812DSP的時鐘電路有內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。有源晶振驅動能力較強，頻率范圍很寬，在1Hz~400MHz之間。無源晶體價格便宜，但是它的驅動能力較差，一般不能提供給多個器件共享，且頻率范圍較窄，一般在10kHz~60MHz之間。2812DSP時鐘電路

1/31/20237山東大學控制學院張東亮3.復位電路

2812DSP為低電平復位。通常的復位電路設計有RC電路法和專用芯片法。

RC復位電路

1/31/20238山東大學控制學院張東亮MAX811復位電路

1/31/20239山東大學控制學院張東亮4.JTAG接口對DSP的仿真調試需要通過仿真器進行，仿真器通過DSP芯片提供的掃描仿真(JTAG)引腳實現(xiàn)仿真功能。DSP仿真頭采用14根信號線，符合JTAGIEEE1149.1標準。JTAG接口1/31/202310山東大學控制學院張東亮5.存儲器擴展

2812DSP片內有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(Boot)ROM。用戶程序可以燒寫入128K字的Flash存儲器，但在開發(fā)調試過程中，程序需要不斷修改，反復寫入Flash存儲器顯得不方便?？梢詫⒈徽{試的程序放入片內18K字RAM。18K字片內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，所以往往擴展片外RAM存儲器用于程序調試。在開發(fā)階段，將程序放入RAM存儲器（稱為仿真RAM），可以方便地進行單步執(zhí)行、設置斷點及連續(xù)執(zhí)行等調試操作。1/31/202311山東大學控制學院張東亮外部存儲器及I/O擴展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:復位引腳。

XMP/MC:微處理器/微計算機選擇信號。

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山東大學控制學院張東亮DSP存儲器擴展

1/31/202313山東大學控制學院張東亮8.2基于DSP的數(shù)字運動控制系統(tǒng)基于DSP的數(shù)字運動控制系統(tǒng)是一種典型DSP應用系統(tǒng)，是C2000系列DSP的主要應用領域之一。運動控制系統(tǒng)通常由電機、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驅動信號,將電源轉換為電機所需的電壓和電流，由電動機直接或通過減速齒輪等驅動機械負載。其中的電機可以是永磁同步電機、無刷直流電機、交流異步電機等。以永磁同步電機為控制對象的數(shù)字交流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床、機器人等運動控制領域獲得了廣泛應用。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山東大學控制學院張東亮1/31/202315山東大學控制學院張東亮1.永磁同步電機矢量控制原理三相A,B,C到兩相α,β坐標系統(tǒng)變換兩相靜止坐標變換到轉子旋轉坐標變換即d,q變換

id=iα

cosθ+iβ

sinθiq=-iα

sinθ+iβ

cosθ

1/31/202316山東大學控制學院張東亮d、q坐標電壓方程即Park方程為ud=Raid

+

pψd

–ωψq

uq=Raiq+pψq

+ωψd

電磁轉矩方程為Te=3/2pn(ψdiq-ψqid)=3/2pn[ψf

iq+(Ld-Lq)id

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

1/31/202319山東大學控制學院張東亮1/31/202320山東大學控制學院張東亮SVPWM開關順序1/31/202321山東大學控制學院張東亮4.伺服控制系統(tǒng)結構與硬件設計1/31/202322山東大學控制學院張東亮5.軟件設計數(shù)字伺服系統(tǒng)DSP控制軟件結構

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

1/31/202326山東大學控制學院張東亮鍵盤和顯示電路D/A轉換電路1/31/202327山東大學控制學院張東亮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)的快速實現(xiàn)方法。

快速傅里葉變換的基本原理非周期連續(xù)時間信號x(t)的傅里葉變換為1/31/202328山東大學控制學院張東亮序列x(n)的離散傅里葉變換快速傅里葉變換一個N點的DFT可以分解為兩個N/2點的DFT，每個N/2點的DFT又可以分解為兩個N/4點的DFT…。當N為2的整數(shù)次冪時,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DFT運算。1/31/202329山東大學控制學院張東亮例，時間抽取的FFT算法DSPC語言實現(xiàn)實例。FFT運算函數(shù)與主函數(shù)為#include"math.h" //數(shù)學函數(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為蝶形運算的級數(shù)1/31/202330山東大學控制學院張東亮voidFFT(float

Xr[N],float

Xi[N]) //時間抽取法FFT程序，要求采樣點數(shù)N為2的整數(shù)冪次方{ //Xr[],Xi[]分別為輸入序列的實部和虛部intS,B; //S為旋轉因子的冪數(shù),B為蝶形運算輸入數(shù)據(jù)的距離，//也即各級旋轉因子的個數(shù)intm,j,k;floatX,Y;finv(N,Xr,Xi); //倒序運算函數(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++) //每級需要進行B種蝶形運算{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山東大學控制學院張東亮//每種蝶形運算在某一級中需要進行N/pow(2,m)次

{ //蝶形運算展開，結果的實部和虛部

//分別存儲在原實部和虛部位置

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]);//計算功率普

}}

1/31/202332山東大學控制學院張東亮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山東大學控制學院張東亮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山東大學控制學院張東亮FFT函數(shù)包含的函數(shù)finv(N,Xr,Xi)為倒序運算，函數(shù)代碼如下。//倒序運算函數(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1，最高位變0，依次往下//從當前倒序值可求下一倒序值voidfinv(intN1,float*xr,float*xi)//倒序運算函數(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為各個權值；N2為最高位的權值floatT; //臨時變量TN2=N1/2; //最高位加1相當于十進制加上最高位的權N1/2n=N2; //第一個倒序值for(m=1;m<=N1-2;m++) //第0個和最后一個不倒序{1/31/202335山東大學控制學院張東亮if(m<n) //為了避免再次調換，只需對m<n的部分調換順序{T=xr[m];xr[m]=xr[n];xr[n]=T;T=xi[m];xi[m]=xi[n];xi[n]=T;}k=N2; //最高位權值while(n>=k){n=n-k; //次高位位1，繼續(xù)上下進位，滿2置0k=(int)(k/2+0.5); //向下權值依次比上級減半}n=n+k; //得到下一倒序值}}1/31/202336山東大學控制學院張東亮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(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)法設計FIR濾波器，可以實現(xiàn)線性相位的數(shù)字濾波器。1.FIR數(shù)字濾波器的設計方法設FIR數(shù)字濾波器的單位沖擊響應為h(n)，則傳遞函數(shù)H(z)為1/31/202337山東大學控制學院張東亮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h1(n)可以根據(jù)給定的理想頻率響應求得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山東大學控