基于电力电子应用平台DSP通用板的设计.docx

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1、基于电力电子应用平台DSP通用板的设计wuyue导语：随着电力电子市场需求与日俱增,为了缩短电力电子硬件设计的开发时间，本文设计开发了DSP56F803通用板作为各种电力电子应用的硬件开发平台。引言近年来,技术飞速开展，电力电子控制装置也广泛应用于各种领域。例如：不停电电源、开关电源、机车辅助电源、蓄电池充电放电、电子模拟负载、电力机车、电传动内燃机车等。此外，在有些国家，例如丹麦、德国、美国等，电力电子控制并网逆变器已经逐步应用于太阳能发电以及风能发电装置与电力系统的连接。为了与电力电子技术的迅速开展同步,同时进步硬件开发的模块化，缩短硬件开发的时间，本文设计开发了DSP56F803通用板作

2、为各种电力电子应用的硬件开发平台。此外，复杂可编程逻辑器件CPLD具有可编程性强和应用灵敏的特点，可以极大的降低系统开发本钱和缩短开发周期。为了进步该通用板的应用灵敏性，本文采用Xilinx公司的高性能低电压的复杂可编程逻辑器件CPLDXC95XL144实现了各种保护逻辑以及四组输入输出口的扩展,DSP56F803和XC95XL144的综合应用作为通用板的核心局部是本文设计的主要特色。1设计思想本文设计通用板遵循的主要原那么是在知足功能尽量全面的同时进步抗干扰才能和应用灵敏性，这样可以大大的降低电力电子应用的硬件开发本钱，缩短开发时间，进步应用稳定性。本文设计的通用板综合使用DSP和CPLD作

3、为核心局部，开发了丰富灵敏的外围电路。本文首先基于XilinxFoudation3.li软件用硬件描绘语言VHDL编程进展仿真综合，最后，本文采用了Xlinx公司的XC95XL144高性能的可编程逻辑器件CPLD实现了各种保护逻辑以及四组输入输出口的扩展。设计DSP通用板时首先考虑是应该扩展的功能模块。1、脉宽调制技术已经广泛应用于各种控制场合，因此首先扩展了脉宽调制模块PWM的输出。DSP56800系列的PWM的频率和占空比可以连续变化，这样可以实现无级变频调速。2、电力电子控制必然要采样各种电压、电流信号，因此，本文扩展了DSP的8路12位模数转换模块ADC。3、目前大局部的电力电子控制需

4、要进展DSP与DSP或者DSP与PC机的通讯，因此本文扩展了异步串行通讯模块SCI，为了进步抗干扰才能，增长传输间隔，实现远程监控，本文采用RS-485差分通讯。4、越来越多的装置是并网运行的，因此需要检测电网的过零点和周期，本文扩展了定时器模块TIMER，它的接口可用于各种信号的过零点和周期检测。5、电力电子应用一般只需要记录少量的故障数据，因此本文仅扩展了64K铁电非易失性存储器FM24CL64，它读写只需要两根线，而且读写没有延时。6、一般的系统都会有时钟，记录故障时同时记录故障发生的时刻，以备分析故障数据。本文扩展了实时时钟X1226，它和FM24CL64共用时钟线和读写信号线，只是两

5、个器件的物理地址不同。7、最后，本文还扩展了电源监测和硬件看门狗芯片MAX706RESA。DSP56F803和XC95XL144的接口主要包括主电路检测到的过压、过流保护信号通过CPLD的逻辑操纵后触发DSP外中断或者PWM出错保护引脚PWMFAULT来实现保护功能；利用低位地址线和低位数据线来扩展输入输出口。DSP56F803外设模块的子程序的编写采用EmbeddedSDK，由于它提供各种外设模块的驱动程序和接口，即使不需要熟悉DSP的内部硬件构造也可以方便的使用。对于DSP56F803对XC95XL144的读写操纵，本文根据DSP56800系列汇编指令集，开发自己的SDK软件包。2硬件设计

6、印制电路板PCB的抗干扰设计与详细电路有着亲密的联络，在设计通用板的硬件时，本文充分考虑了抗干扰设计的要求。为了进步通用板的稳定性以及抗干扰才能，本文设计了高速四层板，中间两层分别铺电源和地，上下两个外表走信号线。为了进步电源和地的抗干扰才能，数字电源和模拟电源之间以及数字地和模拟地之间使用磁珠相连，模拟地和模拟电源以及数字地和数字电源之间连接电容。为了消除公共阻抗耦合，每个芯片的关键部位都配置了容量适当的去藕电容。图一：DSP通用版硬件构造图2.1核心芯片介绍本文采用的DSP是DSP56800系列数字信号处理器中的DSP56F803。DSP56800系列采用哈佛构造，将程序空间和地址空间分开

7、编址，这样在处理数据空间运算与数据传输的同时可以并行的从程序空间读取下一条指令，进步处理速度。DSP56800系列数字信号处理用具有丰富的I/O口和多种外围设备。DSP芯片上集成了通用输入输出模块GPIO、异步串行通讯模块SCI、脉宽调制模块PWM、模数转换模块ADC、同步串行通讯模块SSI、控制局域网模块CAN2.0A/B、定时器模块TIMER等多种外设模块，实现完全的单片化。XC95XL144是Xilinx公司推出的一款高性能低电压的可编程逻辑器件，它共有100个引脚，内部集成了3200个典型可用门，有144个逻辑单元，74个可用I/O口，可单独配置为输入、输出及双向工作方式，3个全局时钟

8、及3个全局使能端和1个全局去除端，它支持3.3V和2.5V电压工作，其传输延时仅为5ns。同时，XC95XL144支持在线编程，程序通过JTAG接口下载，使用简单方便。2.2DSP56F803通用板主要功能模块的设计2.2.1脉宽调制模块PWMPWM模块主要用于变流器开关器件的控制以及各种电机控制。模块有六路输出通道，它们可以根据需求在软件中被配置成3对互补对；2对互补对和2路独立通道；1对互补对和4路独立通道；6路独立通道。在互补操纵方式下，允答应编程死区时间的插入，以防止上下桥臂的贯串短路。PWM的频率和占空比连续可调，通过电流传感器的输出波形扭曲校正和独立得顶、底输出引脚极性控制，可以实

9、现无级变频。2.2.2模数转换模块ADCADC可以用于采样各种电流、电压、转速等信号。ADC包括8路输入通道和两个独立的采样保持电路,转换精度为12位。转换经过可以被同步信号触发，也可以被控制存放器的START位写操纵触发。输入形式可以分为单边输入和差分输入。2.2.3串行通讯模块SCISCI是全双工异步通讯接口，使用标准不归零NRZ数据格式，可编程选择8位或者9位数据格式，功能独立的SCI发送器和接收器以及中断恳求。固然大多数PC机都采用RS-232接口，但是它的传输间隔只有50英尺左右，通用板采用RS-485差分通讯，进步抗干扰才能，最大传输间隔可以到达4000英尺以上，适用于远程监控。这

10、样PC机或者其它DSP板就可以通过隔离的485与通用板进展通讯了。2.2.4定时器模块TIMER定时器的两个主要功能：定时触发一定的事件；记录两个外部事件之间所经历的内部时钟周期数，也就是得到外部事件的时间周期。因此接口可用于各种信号的过零点检测,用于并网运行的各种装置时，可以检测电网的过零点和周期。2.2.5由于一般只需要故障数据，本文就没有通过总线外扩存储器。只通过两个通用输入/输出口扩展了64K铁电非易失性存储器FM24CL64。FM24CL64是8192x8bit的构造，允许连续读写和随机读写，读写没有延迟，高可靠性的铁电物质，存储时间长到45年。本文还扩展了实时时钟X1226，这样在

11、记录故障数据的同时记录故障发生的时间，以便分析故障时使用。X1226带有两个报警器和512字节的电可擦除只读存放器，内部集成晶振补偿电路和电池后备，编程可以控制PHZ/IRQ引脚输出报警信号或者与时钟频率相关的三种不同频率的信号。2.2.6为了防止电源低电压，本文采用了电源电压监测芯片。它检测电路在上电和电源电压低时都发出复位信号使整个系统复位，同时还具有看门狗定时器功能，在1.6s内DSP的WDI引脚电平不翻转，就会给DSP发一个可靠复位信号，增强了抗干扰才能。2.3DSP56F803与XC95XL144的接口的设计本文在安排XC95XL144引脚时遵循的主要原那么是电气特性相似的同一组输入

12、输出口尽量放在同一个宏单元，排列顺序根据布线方便为原那么。通用板DSP56F803与XC95XL144的接口包括：数据选择线DS、低位数据线D0-D7、低位地址线A0-A3以及A6作为XC95XL144的复位控制端、六路PWM输出信号以及三路出错保护引脚PWMFAULTA0-PWMFAULTA2、外中断IRQA和IRQB。这里只介绍一下XC95XL144的通用功能，其它详细的功能要根据详细的电力电子应用需求来修改VHDL语言程序。DSP56F803的地址线A6形式设置为通用输入输出口，作为XC95XL144的复位控制RESET，当RESET置低时，XC95XL144复位，输出口置为低电平高电平

13、有效。DSP56F803的六路PWM输出作为XC95XL144的输入与它连接，对应有六个输出口，可对它们进展一定的逻辑操纵后输出，这样可应用于更广泛的控制场合。电力电子主电路局部的过压、过流信号输入到CPLD，经过一定的逻辑，触发DSP外中断IRQA、IRQB或者PWM出错保护引脚PWMFAULT来实现保护功能。DSP56F803的数据选择线DS连在XC95XL144，与低位地址线配合，控制4组每组8路输入输出口的读写操纵。在使用输入输出口时一般都确定了详细是输入还是输出，因此本文设计时为进步稳定性，确定其中两组输入口和两组输出口。3软件设计对于DSP56800系列产品，Motorola提供两

14、种软件开发工具:一个是Codewarrior集成开发环境,是一种可靠的用语穿插汇编、穿插C编译、链接和调试的开发工具。Metrowerks公司属Motorola，它的Codewarrior集成开发环境包含了一个可视化的工程创立和治理系统，对源代码文件和库进展全面的治理，降低了工程的复杂性。另外一种是软件开发工具EmbeddedSDK，它并不是DSP开发必须的，但是它可以大大的减轻开发工作的难度，加快开发的速度。对于DSP外设的各模块的子程序的编写采用EmbeddedSDK很轻易把握，这里就不具体介绍了。对于CPLD，本文首先采用XilinxFoudation3.li软件编译仿真。通过低位地址选

15、择和地位数据线实现对两组输入、输出口控制局部的源程序如下：PROCESS(RD,RESET)/读进程BEGINIF(RESET=1)THEN/复位信号internal_bus_in=ZZZZZZZZ;/内部总线信号ELSIF(RD=0)THENIF(A0=0ANDA1=0)THEN/地址选择internal_bus_in=IOA;ELSIF(A1=0ANDA0=1)THENinternal_bus_in=IOB;ENDIF;ELSEinternal_bus_in=ZZZZZZZZ;ENDIF;D=internal_bus_in;ENDPROCESS;PROCESS(WRR,RESET)/写进程

16、BEGINIF(RESET=1)THENIOC=00000000;IOD=00000000;ELSIF(WREVENTANDWR=1)THENIF(A0=0ANDA1=0)THENIOCELSIF(A1=0ANDA0=1)THENIODENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;在进展DSP和CPLD综合调试时，针对DSP56F803对XC95XL144输入输出口的读写，本文根据DSP56800系列汇编指令集，开发了对CPLDI/O读写操纵的SDK软件包，对相应的I/O口读写只需简单的调用软件包程序。4完毕语本文设计的基于应用平台的DSP通用板，DSP的各外设扩展功能模块已经在DSP56800的软件开发工具EmbeddedSDK根底上，通过编写一些小程序调试完毕。XC95XL144在XilinxFoudation3.li软件仿真通过后，进展综合试验，然后烧入芯片进展实验，并根据实际运行情况，对程序进展了改良。本文作者创新点是开发了DSP对CPLD四组I/O口读写操纵的SDK软件包并完成了DSP和CPLD的综合调试，进步了通用板的灵敏性。0