【正文】 I 摘 要 信息化的基礎(chǔ)是數(shù)字化。數(shù)字化的核心技術(shù)之一是數(shù)字信號(hào)處理。數(shù)字信號(hào)處理的任務(wù)在很大程度上需要由 DSP 器件來(lái)完成。 DSP技術(shù)已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的并得到迅速發(fā)展的前沿技術(shù)。 DSP 可以代表數(shù)字信號(hào)處理器（ Digital Signal Processor），也可以代表數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（ Digital Signal Processing），后者是理論上的技術(shù)，要通過前者變成實(shí)際產(chǎn)品。兩者結(jié)合起來(lái)就成為解決某一實(shí)際問題和實(shí)現(xiàn)某一方案的手段即數(shù)字信號(hào)處理解決方案（ DSPS）。 本課題主要針對(duì)是 PC機(jī)對(duì)多個(gè) DSP的主從控制，也可以定義為 PC 機(jī)對(duì)多個(gè)伺服系統(tǒng)的控制。通過以試驗(yàn)臺(tái)的形式將選用的電子元件連接起來(lái)，構(gòu)成較為直觀的主從系統(tǒng)，在其中加入反饋系統(tǒng)使得整個(gè)主從控制更加完善。在這個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中元件之間的連線是主要的任務(wù)，通過對(duì)信號(hào)的輸入輸出，來(lái)確定各器件之間如何的連接，同樣對(duì)軟件也有一些應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： DSP 伺服系統(tǒng) 串口通信 主從控制 信號(hào)轉(zhuǎn)換 II Abstract Information is based on digital. Digital technology is one of the core digital signal processing. Digital signal processing tasks to a large extent by the need to plete the DSP devices. DSP technology has bee an increasing concern and the rapid development of cuttingedge technology. On behalf of DSP digital signal processors (Digital Signal Processor), also on behalf of the digital signal processing technology (Digital Signal Processing), the latter is the theory of technology, through the former into a real product. The bination has bee a practical solution to the problem and achieve a program that is a means of digital signal processing solutions (DSPS). This subject mainly aimed at is PC for multiple DSP masterslave control, also can be defined as PC for multiple servo system control. Through to the form of the rig selection of electronic ponents, constitutes an intuitional connecting the masterslave system in which join feedback system makes the whole masterslave control to be more perfect. In the design of ponents of connections between is the main task of signals, through the input and output, to determine the connection between the device and also how to software and some applications. Key words:DSP Servo system Serial munication Masterslave control Signal conversion 1 第 1 章 緒論 DSP 的歷史發(fā)展 概況 以及未來(lái)發(fā)展前景 DSP 可以代表數(shù)字信號(hào)處理器（ Digital Signal Processor），也可以代表數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（ Digital Signal Processing），后者是理論上的技術(shù)，要通過前者變成實(shí)際產(chǎn)品。兩者結(jié)合起來(lái)就成為解決某一實(shí)際問題和實(shí)現(xiàn)某一方案的手段即數(shù)字信號(hào)處理解決方案（ DSPS）。 DSP 是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器，其處理速度比最快的 CPU 還快 10～ 50 倍。在當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代背景下， DSP 己成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品 等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。業(yè)內(nèi)人士預(yù)言， DSP將是未來(lái)集成電路中發(fā)展最快的電子產(chǎn)品，并成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素。 在 DSP 出現(xiàn)之前數(shù)字信號(hào)處理只能依靠 MPU（微處理器）來(lái)完成。但 MPU較低的處理速度無(wú)法滿足高速實(shí)時(shí)的要求。因此， 70 年代有人提出了 DSP 的理論和算法基礎(chǔ)。而 DSP 僅僅停留在教科書上，即便是研制出來(lái)的 DSP 系統(tǒng)也是由分立組件組成的，其應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于軍事、航空航大部門。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展， 1982 年世界上誕生了首枚 DSP 芯片。這種 DSP 器件采用微米工藝 NMOS 技術(shù)制 作，雖功耗和尺寸稍大，但運(yùn)算速度卻比MPU 快了幾十倍，尤其在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。 DSP 芯片的問世標(biāo)志著 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進(jìn)了一大步。隨著 CMOS 技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于 CMOS 工藝的 DSP 芯片應(yīng)運(yùn)而生，其存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度成倍提高，成為語(yǔ)音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。 80 年代后期，第三代DSP 芯片問世，運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，其應(yīng)用于范圍逐步擴(kuò)大到通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。 90 年代 DSP 發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代 DSP 器件?，F(xiàn)在的 DSP屬于第五代產(chǎn)品，它與第四 代相比，系統(tǒng)集成度更高，將 DSP 芯核及外圍組件綜合集成在單一芯片上。這種集成度極高的 DSP 芯片不僅在通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域大顯身手，而且逐漸滲透到人們?nèi)粘ＯM(fèi)領(lǐng)域，前景十分可觀。 DSP 產(chǎn)業(yè)在約 40年的歷程中經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段， DSP 意味著數(shù)字信 2 號(hào)處理，并作為一個(gè)新的理論體系廣為流行。隨著這個(gè)時(shí)代的成熟， DSP進(jìn)入了發(fā)展的第二階段，在這個(gè)階段， DSP代表數(shù)字信號(hào)處理器，這些 DSP器件使我們生活的許多方面都發(fā)生了巨大的變化。接下來(lái)又催生了第三階段，這是一個(gè)賦能(enablement)的時(shí)期，我們將看到 DSP 理 論和 DSP 架構(gòu)都被嵌入到 SoC 類產(chǎn)品中。 ” 第一階段， DSP 意味著數(shù)字信號(hào)處理 。 80 年代開始了第二個(gè)階段， DSP從概念走向了產(chǎn)品， TMS32021 所實(shí)現(xiàn)的出色性能和特性備受業(yè)界關(guān)注。方進(jìn)先生在一篇文章中提到，新興的 DSP 業(yè)務(wù)同時(shí)也承擔(dān)著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，究竟向哪里拓展是生死攸關(guān)的問題。當(dāng)設(shè)計(jì)師努力使 DSP 處理器每 MIPS 成本降到了適合于商用的低于 10美元范圍時(shí)， DSP 在軍事、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中不斷獲得成功。到 1991年， TI推出價(jià)格可與 16 位微處理器不相上下的 DSP 芯片，首次實(shí)現(xiàn)批量單價(jià)低于 5 美元，但所能提供的 性能卻是其 5至 10倍。 到 90 年代，多家公司躋身 DSP領(lǐng)域與 TI 進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。 TI 首家提供可定制 DSP—— cDSP， cDSP 基于內(nèi)核 DSP的設(shè)計(jì)可使 DSP 具有更高的系統(tǒng)集成度，大加速了產(chǎn)品的上市時(shí)間。同時(shí)， TI瞄準(zhǔn) DSP 電子市場(chǎng)上成長(zhǎng)速度最快的領(lǐng)域。到 90年代中期，這種可編程的 DSP器件已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信、海量存儲(chǔ)、語(yǔ)音處理、汽車電子、消費(fèi)類音頻和視頻產(chǎn)品等等，其中最為輝煌的成就是在數(shù)字蜂窩電話中的成功。這時(shí)， DSP 業(yè)務(wù)也一躍成為 TI 最大的業(yè)務(wù)，這個(gè)階段 DSP 每 MIPS 的價(jià)格已降到 10美分到 1美元的 范圍。 21 世紀(jì) DSP 發(fā)展進(jìn)入第三個(gè)階段，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈， TI 及時(shí)調(diào)整DSP 發(fā)展戰(zhàn)略全局規(guī)劃，并以全面的產(chǎn)品規(guī)劃和完善的解決方案，加之全新的開發(fā)理念，深化產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。成就這一進(jìn)展的前提就是 DSP 每 MIPS 價(jià)格目標(biāo)已設(shè)定為幾個(gè)美分或更低。 未來(lái)的 DSP 技術(shù)將更多的應(yīng)用到我們的生活中，包括了 數(shù)字信號(hào)處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善，多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?shù)據(jù) (SIMD)、特大指令字組 (VLIM)將在新的高性能處理器中將占主導(dǎo)地位，如 Analog Devices 的 ADSP2116x。 DSP 和微處理器的融合：微 處理器是低成本的，主要執(zhí)行智能定向控制任務(wù)的通用處理器能很好執(zhí)行智能控制任務(wù)，但是數(shù)字信號(hào)處理功能很差。而 DSP 的功能正好與之相反。在許多應(yīng)用中均需要同時(shí)具有智能控制和數(shù)字信號(hào)處理兩種功能，如數(shù)字蜂窩電話就需要監(jiān)測(cè)和聲音處理功能。因此，把 DSP 和微處理器結(jié)合起來(lái)，用單一芯片的處理器實(shí)現(xiàn)這 3 兩種功能，將加速個(gè)人通信機(jī)、智能電話、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開發(fā)，同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小 PCB 體積，降低功耗和整個(gè)系統(tǒng)的成本。例如，有多個(gè)處理器的 Motorola 公司的 DSP5665x，有協(xié)處理器功能的 Massan 公司 FILU200，把 MCU 功能擴(kuò)展成 DSP 和 MCU 功能的 TI 公司的 TMS320C27xx 以及 Hitachi公司的 SHDSP，都是 DSP 和 MCU 融合在一起的產(chǎn)品?；ヂ?lián)網(wǎng)和多媒體的應(yīng)用需要將進(jìn)一步加速這一融合過程 。 DSP 和高檔 CPU 的融合 ： 大多數(shù)高檔GPP 如 Pentium 和 PowerPC 都是 SIMD指令組的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，速度很快。 LSI Logic 公司的 LSI401Z 采用高檔 CPU 的分支預(yù)示和動(dòng)態(tài)緩沖技術(shù)，結(jié)構(gòu)規(guī)范，利于編程，不用擔(dān)心指令排隊(duì)，使得性能大幅度提高。 Intel 公司涉足數(shù) 字 信 號(hào) 處 理 器 領(lǐng) 域 將 會(huì) 加 速 這 種 融 合 。 DSP 和 SOC 的融合 ：SOC(SystemOnChip)是指把一個(gè)系統(tǒng)集成在一塊芯片上。這個(gè)系統(tǒng)包括DSP 和系 統(tǒng)接口軟件等。比如 Virata 公司購(gòu)買了 LSI Logic 公司的 ZSP400處理器內(nèi)核使用許可證，將其與系統(tǒng)軟件如 USB、 10BASET、以太網(wǎng)、 UART、GPIO、 HDLC 等一起集成在芯片上，應(yīng)用在 xDSL 上，得到了很好的經(jīng)濟(jì)效益。因此， SOC 芯片近幾年銷售很好，由 1998 年的 億片猛增至 1999 年的 億片。 1999 年，約 39%的 SOC 產(chǎn)品應(yīng)用于通訊系統(tǒng)。今后幾年， SOC將以每年 31%的平均速度增長(zhǎng)，到 2021 年將達(dá)到 13 億片。毋庸置疑， SOC將成為市場(chǎng)中越來(lái)越耀眼的明星 。 DSP 和 FPGA 的融合 ： FPGA 是現(xiàn)場(chǎng)編程門陣列器件。它和 DSP 集成在一塊芯片上，可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理，大大提高信號(hào)處理速度。據(jù)報(bào)道， Xilinx 公司的 VirtexII FPGA 對(duì)快速傅立葉變換 (FFT)的處理可提高 30倍以上。它的芯片中有自由的 FPGA 可供編程 。Xilinx 公司開發(fā)出一種稱作 Turbo 卷積編譯碼器的高性能內(nèi)核。設(shè)計(jì)者可以在 FPGA 中集成一個(gè)或多個(gè) Turbo 內(nèi)核，它支持多路大數(shù)據(jù)流，以滿足第三代 (3G)WCDMA 無(wú)線基站和手機(jī)的需要，同時(shí)大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間，使功能的增加或性能的改善非常容易。因此在無(wú)線通信、多媒體等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛應(yīng)用。 伺服系統(tǒng)的歷史發(fā)展概況 伺服系統(tǒng)是用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的 反饋控制系統(tǒng) 。 又稱隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械 4 位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng) ， 其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。 伺服系統(tǒng)最初用于船舶的自動(dòng)駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來(lái)逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是 自動(dòng)車床 、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。采用伺服 系統(tǒng)主要是為了達(dá)到下面幾個(gè)目的： ① 以小功率指令信號(hào)去控制大功率負(fù)載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。 ② 在沒有機(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動(dòng)。 ③ 使輸出機(jī)械位移精確地跟蹤電信號(hào)，如記錄和指示儀表等。 衡量伺服系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)有頻帶寬度和精度。頻帶寬度簡(jiǎn)稱帶寬，由系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性來(lái)規(guī)定，反映伺服系統(tǒng)的跟蹤的快速性。帶寬越大，快速性越好。伺服系統(tǒng)的帶寬主要受控制對(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。一般伺服系統(tǒng)的帶寬小于 15赫，大型設(shè)備伺服系統(tǒng)的帶寬則在 1～ 2 赫 以下。自 20世紀(jì) 70年代以來(lái)，由于發(fā)展了 力矩電機(jī) 及高靈敏度測(cè)速機(jī)，使伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直接驅(qū)動(dòng)，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，使帶寬達(dá)到 50赫，并成功應(yīng)用在遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、精密指揮儀等場(chǎng)所。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測(cè)量元件的精度。因此，在伺服系統(tǒng)中必須采用高精度的測(cè)量元件，如精密電位器、 自整角機(jī) 、旋轉(zhuǎn)變壓器、光電 編碼器 、光柵、磁柵和球柵等。此外，也可采取附加措施來(lái)提高系統(tǒng)的精度，例如將測(cè)量元件（如自整角機(jī)）的測(cè)量軸通過減速器與轉(zhuǎn)軸相連，使轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角得到放大，來(lái)提高相對(duì)測(cè)量精度。采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測(cè)粗測(cè)系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。通過減速器與轉(zhuǎn)軸嚙合的測(cè)角線路稱精讀數(shù)通道，