一种功能模块化的DSP实验装置的设计

尹维春

摘 要：结合《DSP原理及应用》课程在电气工程的应用背景，充分考虑了电子产品特别是DSP芯片的更新换代的加快，原有的实验装置中采用的DSP逐渐退出实际应用，在实验教学中反映出实验箱集成度过高不便于学生使用和实验室维护的情况，设计采用TMS320F28027为控制核心板和具有DSP应用特点的实验项目，并将实验装置模块化电路设计的实验装置，从而提高实验装置的应用性，提高了学生学习热情的同时也大大降低了实验装置的破损率。

关键词：DSP TMS320F28027 功能模块化

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0012-02

《DSP原理及应用》是一门理工类院校普遍开展的高级电子技术应用课程，原因在于DSP（Digital Signal Processor）技术应用在电子信息、绿色能源、自动控制、智能仪器和信息家电等高科技领域获得了越来越广泛的应用。在国内DSP应用领域中占有份额最大的DSP芯片厂家的是德州仪器（TI），大致分为C2000、C5000和C6000三个系列DSP。C2000系列DSP用于工业控制检测和监控，C5000系列更多应用于语音处理，C6000应用于图像处理。文中提出的DSP是C2000系列面向具有能源电力应用背景的DSP[1]。《DSP原理及应用》这门课程开设的对象一般是本科专业三年级或者研究生，具备了完善的模拟电子技术、电路、数字电子技术和单片机等课程基本理论能够学习和掌握更加高级的电子技术。该文提出的功能模块化的实验装置主要针对传统实验箱的功能、使用以及实验室维护等方面的不足，面对电子产品不断更新换代能够使DSP教学紧跟DSP实际应用，通过模块化设计使实验装置更便于实验教学和维护，也便于学生的学习和使用。

1 传统箱柜实验平台的不足

通常实验箱由一块实验板构成，或者DSP最小系统板加上功能实验模块总板构成，例如图1所示现有DSP实验箱结构，就是由TMS320LF2407A最小系统板和外围电路模块总板构成，实验箱的所有模块包括电源模块、信号产生电路、AD调理电路、显示电路、CAN总线电路、D/A转换模块以及指示灯和按键等电路都在一块实验板上，优点是结构紧凑易于整理，这样的实验平台是现在商品化实验教具的主要形式。但在实验教学当中经常会遇到这样的问题，就是具体电路分析不清晰，实验箱统一上电，那么各个模块都是处于待机状态的，各个模块直接就存在着信号混杂的现象。虽然在电路总板上也画出了相应电路的区域，但讲解具体电路时，学生面对一个整体电路板，看不到实际连线无法准确分析具体功能模块电路。

如图2所示的现有实验箱的功能结构图。

2 DSP芯片的选择

《DSP原理及应用》课程开设的目标在于培养学生应用高级电子技术进行工业控制的能力，C2000系列DSP具有TMS320C2000系列DSP具有的数字信号处理能力，又具有强大的事件管理器能力和嵌入式控制功能，基于业内领先的C28xCPU的32位微控制器，CPU拥有一个功率信号处理引擎，能够处理严苛的闭环任务，从而让设计人员能够改善系统效率、可靠性和灵活性。非常适用于电机控制、数字电源、太阳能、照明领域、逆变器、风力发电等绿色能源应用领域也将得到广泛应用[2]。随着电子技术的飞速发展，TI已经开始把C2000系列DSP列为高性能MCU，但工业应用依然把C2000系列控制器视为DSP，主要包括PiccoloTM系列的F2802x/3x/5x/6x/7x等、DelfinoTM系列的F2833x/F2837x等以及定点F280x/1x等DSP。做为基础理论教学应用，采用Piccolo系列DSP既可以简化实验设备又能出色完成实时控制任务，使学生能更方便的学习而把实验室学习延伸至实验室外，使实验器材口袋化。文中设计采用Piccolo F28027为例进行实验装置的设计。

2.1 PiccoloTM 系列DSP的特点

PiccoloTM DSP具有低成本、高集成度32位微控制器，采用最新的架构技术和增强型外设，能够承担通常相同成本应用难以承担的32位实时控制功能的优势。如图1所示实验箱中的DSP芯片为TMS320F2407A已经不再生产，但它的功能和性能完全可以由Piccolo F28027替代，而1.85美元的价格会大大拉低整个应用电路的成本。

Piccolo F28027具有以下主要性能[3]。

（1）60M高性能32位CPU（TMS320C2

8xTM）；

（2）3.3V供电，集成上电复位掉电保护；

（3）3个32位CPU定时器；

（4）12位A/D转换器件；

（5）增强的控制外设：8个PWM输出端口，4个高分辨率脉宽调制模块（HRPWM）。

2.2 F28027控制板的设计

F28027 DSP控制板的设计非常简单，TI提供了标准的设计参数，可以通过Protel等课程设计来让学生自行设计和制作，更能调动学生的学习热情。控制板原理图如图3所示，需要重点注意电源电路的电压转换，复位电路和JTAG电路中的器件参数。

图4为焊接后的F28027电路板，和TI大学计划的Launch Pad板相似，所不同的地方在于使用外接仿真器，实验室在应用中使用XDS100V2仿真器进行实验。

3 具有典型特点功能模块化的电路设计

设计新型DSP芯片的核心板、功能电路板最小系统的开放性设计和针对各个实验项目的PCB的制作，将整个实验系统模块化并分解为电路模块做成独立的实验板卡，实验中选取核心板和该项目实验的板卡采用连接母板进行连接。

有源逆变技术目前使用最多的逆变电路是SPWM逆变电路，应用等面积法和规则采样法对SPWM逆变电路进行数字化控制，实现对逆变电路的控制，能够体现DSP技术的优越性[4]。

逆变电路开关管选用功率管IRF640，为了保证IRF640可靠关断和开启通常使用栅极驱动电路。考虑到逆变电路多为桥式开关电路，设计中使用IR2110这样集成芯片。DSP输出信号经过光耦隔离后接入主电路的HIN和LIN端口，做到电气隔离，可以保护DSP。

驱动电路如图5所示。图中开关管Q1和Q2选用IRF640，栅极电阻RG1和RG2可以使用50 Ω电阻。

4 结语

作为一门工程应用性非常强的课程，如何能让学生尽快掌握DSP技术的应用和开发是每个教师思考的重点。通过综合设计具有应用特点的实验项目让学生有兴趣学习，并适应学生的学习特点逐步改善实验设备，分解呆板的实验箱为灵活应用的模块化的功能电路，使实验应用更丰富，也大大提高了实验设备的可用性，减少了因为局部电路的损坏而报废整个实验箱的情况，口袋化的实验装置可以把学生的学习延伸至实验室外。

参考文献

[1] 宁改娣，曾翔君，骆一萍.DSP控制器原理及应用[M].北京：科学出版社，2009.

[2] 徐科军，陶维青，汪海宁.DSP及其电气与自动化工程应用[M].北京：清华大学出版社，2010.

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

[4] 林欣.功率电子技术[M].北京：清华大学出版社，2009.