电气传动控制微处理器详解

数字调节器的核心器件是微处理器，其中包括单片机和数字信号处理器（Dig-ital Signal Processing，DSP）。单片机的运算能力较弱，不适合追求高速运算的电流闭环调节。而数字信号处理器（DSP）拥有高速的运算处理能力、丰富的外部设备接口以及增强的中断管理功能，可以获得高效的实时处理方案，因此在电气传动数字控制领域中被广泛用。电气传动对微处理器的基本性能的要求应当考虑如下几个方面：

（1）基本指令和执行时间，需要有基于硬件的高速的乘法指令；

（2）足够大的内存容量；

（3）足够的运算精度；

（4）有足够的中断通道、数字量和模拟量的接口、硬件的脉宽调制器、串行通信等硬件资源；

（5）较低的功耗；

（6）价格和开发环境。

由一片DSP芯片为核心，加上一些外围接口芯片就构控制系统的CPU模板。一个电气传动装置就是由CPU模板、主回路器件、触发脉冲放大单元、I/O接口和通信接口组成的，可以控制可调速的电动机。为了构成更为复杂的控制系统，可以把多个CPU模板通过框架的背板总线相连接，组成多CPU的控制系统。这种系统用来控制复杂的传动系统，例如用于交-交变频器的多CPU控制系统。

微处理器是CPU模板中的核心器件，美国TI公司的DSP芯片TMS320F2812的价格低廉（10多美元/片）功能强大，成为目前电气传动数字控制系统的首选芯片。TMS320F2812的主要特点是

（1）采用高性能静态CMOS制造工艺，主频达到150MHz（时钟周期6.67ns），低功耗（核心电压1.9V，I/O口电压3.3V，Flash存储器的编程电压3.3V）；

（2）高性能的CPU（芯片内部的CPU单元），16×16和32×32乘积累加操作；16×16双乘积累加器；程序和数据空间分开寻址（哈佛总线结构），4M的程序地址，4M的数据地址；

（3）存储容量大，片上有128KB×16的FLASH存储器；128KB×16的ROM；外部存储器接口具有1MB的寻址空间，3个独立的片选端；

（4）3个外部中断，外部中断扩展（PIE）模块，最多可以支持45个外部中断；2个事件管理器可以顺序触发8对A-D转换；

（5）3个32位的CPU定时器；16通道12位的ADC；16路PWM信号发生器；

（6）2个串行通信接口（SCIs）；

（7）丰富的指令集合，支持C++和汇编语言编程。

图10-18所示数字信号处理器TMS320F2812的内部结构功能框图，现对图中的术语做简单的解释。

中心处理单元（CPU）由存储器、寄存器以及控制接口构成，负责程序的流程和指令处理，可以执行算术、逻辑和位操作等运算。

F2812处理器的存储器总线接口负责将CPU单元与内存、外设连接起。存储器接口具有并行的程序和数据总线，还包含访问存储器或外设所需的各种读写控制信号。(www.xing528.com)

F2812处理器可以通过系统控制寄存器设置系统的内部振荡器（Oscillator）、锁相环（PLL）、外部时钟（Peripheral Clocking）、低功耗模式（Low-Power Modes）和看门狗（Watch Dog）等控制功能。

图10-18 DSP数字信号处理器TMS320F2812的内部结构功能框图

F2812的存储器分为Flash存储器和一次性可编程存储器（One-Time Pro-grammable，OTP）。

Flash存储器的大小为128KB×16位，用户可以单独擦出、编程每个单元。OTP存储器用来存放程序和数据，只能一次性编程而不能擦除。

程序/数据存储器SARAM分为3种组：M0/M1 SARAM、H0 SARAM和L0/L1SARAM。各组的容量不同，而且对应着不同的映射空间，既可用于存放程序代码，也可以用于存放数据。引导ROM存储器（BootROM）在出厂时就固化了引导程序，确定了上电时的引导加载方式。此外，在出厂时在BootROM内部，还固化了标准的数学函数表，例如三角函数表等。

外围中断扩展控制器（Peripheral Interrupt Expansion Controller，PIEC）用于处理引脚和外围的中断请求，最多可以管理45个中断源。这是因为CPU受容量所限，不能直接管理过多的外部中断要求，需要由PIE选择处理较多的外部中断请求。

F2812提供了56个独立的可编程通用的输入/输出引脚，具体的功能可以通过对寄存器组GPIO MUX进行配置来决定。通过GPIO MUX寄存器组可以配置引脚的信号的I/O方向，量化输入信号，取消一些带有噪音信号的引脚功能。

CPU定时器0/1/2都是32位，定时器1和2是为DSP实时操作系统所备用的；定时器0为用户使用。

外部设备扩展接口（XTNTF）具有强大的功能，可以外接各种高、低速设备，具有良好的兼容性。

F2812有两个事件管理器EVA和EVB，每个事件管理器包括通用定时器、全比较器PWM单元、捕获单元和正交脉冲编码电路。在控制电动机时，每个事件管理器能够控制一组三相桥式整流器，可以连接编码器的反馈信号。捕获单元可以捕捉到相应引脚的信号跳变，从而使能事件的触发。

数-模转换模块（ADC）中有16个12位分辨率的输入通道、两个排序器和一个数-模转换器。支持顺序采样和并发采样两种模式，可用于电动机控制中的模拟量转换。

串行外围设备接口（SPI）是一种同步串行的外围设备接口，SPI主设备提供时钟，适应多种标准的外围器件；仅需要发送、接收、选通、时钟4条导线。工作模式分为主、从两种模式，125种可选波特率。发送和接收遵循先进先出的队列方式（FIFO）。

F2812有两个串行通信接口模块SCIA和SCIB，每个模块各有发送和接收两个引脚，工作模式分为全双工和半双工两种模式，具有可达64K速率的可编程波特率，遵循先进先出的队列方式。

增强型区域网络控制器（CAN）。CAN总线是控制器局域网络（Control Area Network）的简称，源于为解决汽车中控制器与测试仪器之间数据交换而开发出来的通信协议。它的特点是简单实用、成本低、可靠性高，很好地解决了传统布线数量大隐患多的问题，现在被广泛用于汽车、火车、轮船等交通工具中。在F2812中的eCAN控制器提供完整的CAN协议，减少了通信时CPU的开销。eCAN模块主要由协议内核和消息控制器构成。协议内核的功能是解码和传送消息到总线上；消息控制器负责对接收到的消息进行判别，决定送给CPU实用还是丢弃。CAN总线的通信速率可以从100kBPS到1MBPS，相应的通信距离从620m到40m。

联合测试行为组JTAG（Joint Test Action Group）是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试，现在多数的高级器件都支持JTAG协议。

标准的JTAG接口是4线：模式选择线、时钟线、数据输入线和数据输出线。JTAG最初是用来测试芯片的，通过专用的测试工具对芯片内部的节点进行测试。由于JTAG接口可对DSP芯片内部的所有部件编程，所以现在多利用JTAG的编程方式进行在线编程，从而大大加快编程的进度。

多通道缓冲串行口McBSP（Multichannel Buffered Serial Port）是一种高速、全双工通信带缓冲的串行通信接口，它是在标准串行接口的基础之上对功能进行了扩展，因此，具有与标准串行接口相同的基本功能。McBSP串口包括一个数据通道和一个控制通道，由引脚、收发部分、时钟及帧同步信号产生器、多通道选择以及CPU中断信号和同步信号等组成。这个串行接口可以和其他DSP器件、编码器等其他串口器件通信。