基于DSP的数字开关电路设计

万义星

摘要DSP芯片的价格不断下降和其开发工具日臻成熟,DSP处理器开始取代单片机作为控制系统的数据处理核心。设计中从系统本身和性价比双重角度出发,选用TMS320LF2407A和ADS7864配合来完成数据的采集任务。

关键词DSP;微处理器;数字电路

中图分类号TN86文献标识码A文章编号1673-9671-(2009)112-0018-01

1DSP的介绍

DSP(digital signal processor)是一种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号,转换为0或1的数字信号,再对数字信号进行修改、删除、强化,并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性,而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序,远远超过通用微处理器,是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度,是最值得称道的两大特色。

DSP芯片,也称数字信号处理器,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特点:

1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。

2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据。

3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。

4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。

5)快速的中断处理和硬件I/O支持。

6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

7)可以并行执行多个操作。

8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

当然,与通用微处理器相比,DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

2DSP开关电路的设计

2.1DSP芯片电路组成

DSP芯片TMS320LF2407A外部硬件电路主要由输入调节电路、A/D转换电路、开关量输入/输出电路、DSP调试接口电路等部分组成。

TMS320LF2407A是由美国德州仪器公司(TI)推出的高速、高性价比、低功耗的16位定点DSP,它具有处理性能好、外设集成度更高、程序存储器更大等优点,在控制领域使用范围较广。

TMS320LF2407A其片内有高达32K字的Flash存储器,为多种用途的产品提供了经济的可编程方案,同时多达40个通用、双向的数字I/O口(GPIO)也是选用TMS320LF2407A作为CPU的一个重要原因,通过配置这些数字I/O端口输入或输出来直接与外部进行信息交换,可以大大省去扩展I/O口的元器件。以本设计系统为例,开入开出量在经过光电隔离后可直接接到DSP芯片的I/O端口,这种设计既兼顾了经济性又提高了装置的可靠性。TMS320LF2407A外部硬件电路主要由输入调节电路、A/D转换电路、开关量输入/输出电路、DSP调试接口电路等部分组成。其硬件结构框图如图1所示。JTAG是Joint Test Action Group的简称,又称JTAG接口,可通过它将程序写入TMS320LF2407A的片内Flash,可方便对系统的调试和升级。JTAG接口需要在开发板上引出双排的14脚插针。这里需要注意的是,DSP的EMU0和EMU1脚需要用电阻上拉,其值为10kΩ。

2.2开关量输入电路

开入量输入回路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点投入,外部装置闭锁重合闸触点投入,距离保护接点投入,零序总投入等回路。本设计中设有18路开入量,下面以一组开入量X1为例,开入量由端子排接入本装置开入回路中,经由保护电路和光耦,最终把数据传至数据缓冲器,经由数据缓冲器与DSP相连,DSP进行相应的计算和判断。

在正常工作情况下,压敏电阻呈现高阻状态,仅有微安数量级的漏电流,相当于开路;当回路中出现过电压时,压敏电阻阻值迅速降低,电流急剧上升,相当于过电压部分被短路。利用压敏电阻的上述特性来吸收各种干扰过电压,保证整个装置的安全。设计中的光电耦合器采用北京数字英才科技有限公司的OPTOIS01,开入量经OPTOIS01光电隔离后就可直接接入保护DSP相应的通用I/O口,这样一来,带有电磁干扰的外部接线回路与微机电路部分之间没有直接电的联系,因此夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲不能进入微机电路部分,从而达到抑制共模干扰的目的。同时采用OPTOIS01进行光电隔离还有一个作用就是,OPTOIS01的输入与输出回路之间有很高的耐压值,对装置能起到很好的安全保障作用。

2.3开关输出电路

开关输出电路主要由保护的跳闸出口插件、信号插件、逻辑插件、告警插件等组成。本系统共设有18路开出量,其中1路预留,用户可根据自己的需要使用。开出量由DSP计算和判断后再经74LS273数据/地址锁存器开出至控制门74HC11,经由逻辑判断之后,数据输入达林顿管ULN2003,ULN2003是一个电流驱动器件,能够提高继电器的励磁电流,从而有利于提高系统的驱动带载能力。

3小结

本章节完成了对DSP外部主要电路的设计工作。通过ADS7864与TMS320LF2407A的配合使用,进一步完善了110kV线路保护系统,减小了FFT算法中数据窗较长对系统快速性带来的影响。同时,对输入调节电路、开关量输入/输出电路、DSP调试接口电路进行了设计。