DSP在嵌入式阀门控制器中的应用

刘佳昕，刘 军

（1.西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 611756；2.西安航天动力研究所 陕西 西安 710100）

阀门控制器用于实现电磁阀、减压阀、比例阀等多种阀门的状态控制和测量，在阀门的控制过程中控制器不仅完成阀门状态的控制，同时还采集阀门工作的状态（如工作电压、电流）信息，以及被控状态信息（如控制回路中的压力、温度和流量等）。对于不同的阀门控制需求不同，控制形式主要包括开关控制、开度控制和PWM频率控制。阀门控制器同时具有串行通讯功能，通过串行通讯将测试数据上传到上位机，进行显示和存储，同时可通过接收上位机的开关量指令或串行通讯指令实现控制启停、和阀门选择等。

阀门控制器设计采用了DSP处理器为核心的嵌入式系统设计方案。

1 DSP芯片TMS320F2812简介

嵌入式系统是软件和硬件的综合体，其以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积功耗等严格要求的专用计算机系统。一般而言，嵌入式系统的构架可分为4个部分：处理器、存储器、输入、输出（I/O）和软件[1]。

嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。

数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称 DSP）是微电子学、数字信号处理、计算机技术综合研究的成果。DSP实际上就是一种单片机，集成高速乘法器，具有多组内部总线，已广泛用于嵌入式系统。

TMS320F2812是TI公司推出的基于TMS320C2xx内核的32位定点DSP芯片，具有精度高、速度快、集成度高等特点，为不同的控制领域提供了高性能的解决方案。归纳起来，TMS320F2812具有以下特点[2]：

1）采用静态CMOS技术，主频达150MHz；

2）高性能32位CPU;

3）片内集成了 128kB的 Flash存储器，4kB的引导ROM，数字运算表以及2kB的TOP ROM。

4）16通道高性能12位ADC，包含两个采样保持电路，可实现双通道信号同步采样；

5）具有两个与F240xA兼容的事件管理器；

6）串行通讯外设包括SPI接口、两个UART接口模块、增强的eCAN2.0B接口模块和多通道缓冲串口。

7）具有128位密码保护机制。

2 处理器系统设计

根据阀门控制器功能需求，设计上采用了基于TMS320F2812的嵌入式处理器系统设计方案[3，6-7]。

因为阀门为感性负载，其驱动信号为大电流开关信号，极易对周围电路造成干扰，因此处理器系统总体上采用隔离设计，即要求输入输出电路、通讯电路、处理器电源采用隔离设计。

2.1 处理器及外围电路

处理器及外围电路模块由DSP处理器、外部存储器、A/D转换电路、D/I及D/O接口电路、通讯接口电路、电源电路及相应的保护电路组成，是控制器的主控单元和控制的执行单元，完成模拟量和开关量的输入输出、数据通讯、任务控制和状态控制。完成任务调度、控制、测量、数据处理，并将测试结果上传给上位机。

2.2 主要功能

处理器系统实现以下功能：

1）上电后可进行自检，对存储器状态、A/D状态、D/I及D/O状态进行检查，并向上位机上传自检信息；

2）接收并识别上位机控制指令，控制相应的阀门工作；

3）实时采集电磁阀工作电压、电流信号和压力传感器、温度传感器信号，并上传；

4)具有串行通讯功能，满足CAN2.0B标准。

2.3 设计实现

DSP处理器硬件系统包括最小硬件系统和外围接口电路两个部分，其中DSP最小硬件系统包括复位、时钟、电源及存贮器接口电路等[3]。外围接口电路主要包括通讯电路、I/O接口电路、A/D输入电路等。电路设计分析如下。

2.3.1 DSP最小系统电路

DSP最小系统电路[6-7]包括存储器扩展电路、复位电路、电源电路等，是处理器系统的核心。

2.3.1.1 复位电路

DSP复位电路参如图1所示。利用电容电压按指数规律上升或下降的特性产生复位脉冲，复位脉冲宽度取决于RC值。为保证DSP位，复位脉宽应不低于100 ms。二极管V1起保护作用，并在掉电时加速电容储能的释放，确保可靠复位。

2.3.1.2 存储器扩展电路

图1 复位电路Fig.1 Reset circuit

DSP内部包含128 kB的Flash存储器，可用于程序、数据存储要求；为满足调试及大数据要求，外扩64 kB非易失存贮器。

外扩64 kB非易失存贮器利用DSP自身的高速同步串行输入输出接口SPI实现，其中片选信号采用I/O口控制。设计电路如图2所示。

图2 存贮器电路Fig.2 Register circuit

2.3.1.3 处理器电源电路

处理器电源分两种，即I/O电源 （DVdd）和内核电源（CVdd），分别为+3.3 V和+1.8 V双电源，采用DC/DC变换器和线性电源芯片TPS70351、线性稳压器MSK5101实现。

处理器电源电路设计中着重考虑了以下几点：

1）使DSP芯片的I/O和其内核按序上电，即内核电源DVdd先加电（+3.3 V），I/O 电源 CVdd（+1.8 V）随后加电；

2）保证DVdd和CVdd间压降≯2 V；

3）DSP系统数字部分和模拟部分独立供电，单点共地。

DSP处理器电源电路如图3所示。

图3 DSP处理器电源电路Fig.3 DSP processor source

2.3.2 DSP处理器外围电路

DSP处理器外围电路主要包括端口保护电路、D/O、D/I接口电路、通讯电路等。

2.3.2.1 模拟量输入端口保护电路

DSP片内ADC输入电压范围是-0.3～3.6 V，信号超出范围将导致ADC模块损坏，甚至损坏处理器，因此须对A/D输入端口进行保护，电路参如图4所示。

图4 模拟输入保护电路Fig.4 Analog input protect circuit

RC滤波电路滤除信号上的尖峰干扰，V1，V2组成电压限幅电路。ADC输入保护电路必须与DSP芯片同PCB板放置。

2.3.2.2 D/O、D/I接口电路

数字接口电路主要实现信号的隔离和I/O口匹配，完成3.3 V逻辑电平与5 V逻辑电平的转换。信号隔离器件采用光电耦合器；电平转换器件采用LVCH系列缓冲驱动器。图5分别为D/I、D/O接口电路。

2.3.2.3 CAN通信接口电路

TMS320F2812片内集成了增强型CAN总线通讯接口，该接口最高支持1 Mbps的总线通讯速率，与CAN2.0B标准接口兼容。控制器CAN总线接口作为子节点设计，工作在正常模式下。接口芯片采用TJA1040T收发器芯片。在接口芯片与DSP接口间采用高速双向光耦实现信号隔离，以减小信号的失真、误码、实现信号传输中的阻抗匹配，确保数据可靠传输及系统工作的安全性。

CAN接口电路设计如图6，包括电源，隔离电路和接口电路。CAN信号光电隔离器采用ADI公司的两通道双向光电耦合器AduM1201，转换速率要求不低于10 M，兼顾信号隔离和高速通讯的要求。为确保数据的可靠传输，总线上增加了保护电路。

2.4 设计中应注意的其他问题

处理机系统为实现较高性能和可靠性，设计中还应注意以下几点：

图5 DI/O信号隔离电路Fig.5 DI/O isolate circuit

图6 通讯接口电路Fig.6 Typical CAN Transceiver Schematic

1）为提高DSP芯片ADC转换精度，建议采用精密外部基准代替芯片内部基准。基准芯片可采用ADR440BRZ[4-5]。

2）在采用外部基准的情况下，软件设计应保证在屏蔽内部基准的情况下，再接通外部基准。即内部基准和外部基准不能同时有效[5]。

3）ADC变换在输入信号范围两端 （及 0～100 mv，2.85～3.3 V）精度较低，应通过前端信号调理，尽量避免输入信号在范围边沿。

4）处理器系统需保证全面隔离。

3 结 论

采用DSP芯片TMS320F2812处理器为核心设计的嵌入式阀门控制器，在处理机电路设计中基于芯片特点和控制需求，并综合考虑了可靠性要求。设计中针对电路电源、信号端口保护、隔离采取了必要的措施，提高了处理机系统可靠性，实现了控制器嵌入式处理器设计。

[1]邬可军.DSP实时多任务操作系统设计与实现 [M].北京：电子工业出版社，2005.

[2]苏奎峰.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3]张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用[M].3版.北京：电子工业出版社，2006.

[4] TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812 ADC Calibration （Rev.A）.TEXAS USA:Texas Instruments.[EB/OL].（2004-11-30）.http://www.ti.com.cn/dsp/cn/docs/dspsup porttechdocs.

[5]TMS320x281x Analog-to-Digital Converter（ADC）Reference Guide （Rev.C）.TEXAS USA:Texas Instruments.[EB/OL]（2004-11-30）.http://www.ti.com.cn/dsp/cn/docs/dspsupport techdocs.

[6]TMS320F2810，SM320F2812-HT Digital Signal Processor Data Manual，Literature umber:SGUS062.TEXAS USA:Texas Instruments.[EB/OL].（2009-06）.http://www.ti.com.cn/dsp/cn/docs/dspsupporttechdocs.

[7] TMS320F2810， TMS320F2811， TMS320F2812，Digital Signal Processors Data Manual，Literature Number:SPRS174O， TEXAS USA:Texas Instrument.[EB/OL].（2007-