【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 術(shù)，使供電電壓降為 ，減小了控制器功耗； 40MIPS的最高指令執(zhí)行速度使得指令周期為 33ns ( 30MHz )，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。 基于 TMS320C2xxDSP 的 CPU內(nèi)核，保證了 TMS320LF2407 代碼和 TMS320系列 DSP 代碼兼容。 片內(nèi)有高達(dá) 32K 字 FLASH 程序存儲(chǔ)器，高達(dá) 字?jǐn)?shù)據(jù) /程序 RAM， 544 字雙口 RAM ( DARAM)和 2K 字單口 RAM ( SARAM ) 。 兩個(gè)事件管理模塊 EVA 和 EVB，每個(gè)模塊包括： 兩個(gè) 16 位通用定時(shí)器； 8 個(gè)16 位脈寬調(diào)制 (PWM)通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)： PWM 的對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)波形；可編程 PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖； 3 個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16 通道 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。事件管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和功率逆變器。 可擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器總共 192K 字空間： 64K 字程序存儲(chǔ)空間； 64K 字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)空間； 64K 字 I/O 尋址空間。 看門(mén)狗定時(shí)器模塊 (WDT )：可用來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)軟件和硬件的操作，它可以按照用戶(hù)設(shè)定的時(shí)間間隔產(chǎn) 生中斷。如果軟件執(zhí)行進(jìn)入一個(gè)不正確的循環(huán)或者 CPU運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，該模塊可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位，使系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)定狀態(tài)。 控制器局域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 模塊： CAN 模塊給用戶(hù)提供了設(shè)計(jì)分布式或網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)接口。 串行通信接口 (SCI)模塊：用于實(shí)現(xiàn) DSP 與其他異步外設(shè)之間的串行通信，其接收器和發(fā)送器都是雙緩沖的。 16 位串行外設(shè) (SPI)接口模塊：用于 DSP 與外設(shè)或其他控制器進(jìn)行串行通信，典型應(yīng)用包括與數(shù)模轉(zhuǎn)換器、 LED 顯示驅(qū)動(dòng)等器件的通信。 此外， TMS320LF2407 包含高達(dá) 40 個(gè)可單獨(dú)編程 或復(fù)用的通用輸入 /輸出引腳和基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。之所以稱(chēng) TMS320LF2407 為電機(jī)控制專(zhuān)用芯片，主要原因在于 19 該芯片內(nèi)置有功能強(qiáng)大的事件管理器、 PWM 脈沖發(fā)生器和兩路 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。有了事件管理器強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理功能和 PWM 控制波形發(fā)生器以及兩路同時(shí)采樣、保持、轉(zhuǎn)換的高速 A/D， TMS320LF2407 幾乎可以實(shí)現(xiàn)任何電機(jī)控制。 A/D 轉(zhuǎn)換原理 A/D 轉(zhuǎn)化電路亦稱(chēng) “模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 ”，簡(jiǎn)稱(chēng) “模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ”。將模擬量或連續(xù)變化的量進(jìn)行量化（離散化），轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量的電路。 隨著數(shù)字技術(shù)，特 別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制。通信及檢測(cè)等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量 (如溫度。壓力。位移。圖像等 ),要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別。處理這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；而經(jīng)計(jì)算機(jī)分析。處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號(hào)才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起橋梁作用的電路 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。由于實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的工作原理和采用工藝技術(shù)不同，因此生產(chǎn)出種類(lèi)繁多的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。 A/D 轉(zhuǎn)換器按分辨率分為 4 位、6 位、 8 位、 10 位、 14 位、 16 位和 bcd 碼的 31/2 位、 51/2 位等。按照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速 (轉(zhuǎn)換時(shí)間 ≤330ns)、 次超高速 (330~)、 高速 (轉(zhuǎn)換時(shí)間 ~333μs)、 低速 (轉(zhuǎn)換時(shí)間＞ 330μs)等。 A/D 轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為直接 a/d 轉(zhuǎn)換器和間接 a/d 轉(zhuǎn)換器。所謂直接 A/D 轉(zhuǎn)換器，是把模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型 a/d 轉(zhuǎn)換器，易于用集成工藝實(shí)現(xiàn)，且能達(dá)到較高的 分辨率和速度，故目前集成化 A/D 芯片采用逐次逼近型者多；間接 A/D 轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓 /時(shí)間轉(zhuǎn)換型 (積分型 )； 電壓 /頻率轉(zhuǎn)換型，電壓 /脈寬轉(zhuǎn)換型等。其中積分型 a/d 轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，切能作到高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢。有些轉(zhuǎn)換器還將多路開(kāi)關(guān) 、 基準(zhǔn)電壓源 、 時(shí)鐘電路 、 譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，已超出了單純 A/D 轉(zhuǎn)換功能，使用十分方便。 20 TMS320LF2407 內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換模塊概述 F2407 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊（ ADC）具有以下特性： 帶內(nèi)置采樣和保持（ S/H）的 10 位 ADC。 多達(dá) 16 個(gè)模擬輸入通道（ ADCIN0ADCIN15） 。 自動(dòng)排序的能力。一次可執(zhí)行最多 16 個(gè)通道的 “ 自動(dòng)轉(zhuǎn)換 ” ，而每次要轉(zhuǎn)換的通道都可以通過(guò)編程來(lái)選擇 。 兩個(gè)獨(dú)立的最多可選擇 8 個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器（ SEQ1 和 SEQ2）可以獨(dú)立工作在雙排序器模式，或者級(jí)聯(lián)之后工作在一個(gè)最多可選擇 16 個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器模式 。 在給定的排序方式下， 4 個(gè)排序控制器（ CHSELSEQN）決定了模擬通道轉(zhuǎn)換的順序。 可單獨(dú)訪問(wèn)的 16 個(gè)結(jié)果轉(zhuǎn)換器（ RESULT0RESULT15）用來(lái)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)換結(jié)果。 可有多個(gè)觸發(fā)源啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換： 軟件：軟件立即啟動(dòng)（用 SOC 和 SEQN） ； EVA/B：事件管理器（在 EVA/B 中有多個(gè)事件源可以啟動(dòng) A/D） ； 外部： ADC SOC 引腳 ； 靈活的中斷控制，允許在每一個(gè)或每隔一個(gè)序列的結(jié)束時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。 排序器可工作在啟動(dòng) /停止模式，允許多個(gè)按時(shí)間排序的觸發(fā)源同步轉(zhuǎn)換。 EVA 和 EVB 可各自獨(dú)立地觸發(fā) SEQ1 和 SEQ2（僅用于雙排序器模式）。 1采樣和保持獲取時(shí)間窗口有單獨(dú)的預(yù)定標(biāo)控制。 1內(nèi) 置校驗(yàn)?zāi)Ｊ健? 1內(nèi)置自測(cè)試模式。 事件管理器 在實(shí)際應(yīng)用中，使用 TMS320LF2407 來(lái)構(gòu)成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是該芯片具有一個(gè)事件管理器 (Event Manager)專(zhuān)用外設(shè)模塊。事件管理器是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于電動(dòng)機(jī)控制的外設(shè)模塊，主要由通用定時(shí)單元、比較單元、捕獲單元、正交編碼脈沖電路 QEP 和外部輸入組成。 21 通用定時(shí)器 TMS320LF2407 的每個(gè)事件管理模塊有兩個(gè)可編程通用定時(shí)器 (GP)。每個(gè) GP 定時(shí)器 x( EVA， x=1， 2；對(duì) EVB， x=3， 4)包括： 一個(gè) 16 位定時(shí)器增 /減計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器 TxCNT，可讀寫(xiě) 。 一個(gè) 16 位定時(shí)器比較寄存器 (映射雙緩沖寄存器 )TxCMPR，可讀寫(xiě) 。 一個(gè) 16 位定時(shí)器周期寄存器 (映射雙緩沖寄存器 )TxPR，可讀寫(xiě) 。 一個(gè) 16 位定時(shí)器控制寄存器 TxCON 可讀寫(xiě) 。 可選擇的內(nèi)部或外部輸入時(shí)鐘 。 用于內(nèi)部或外部時(shí)鐘輸入的可編程預(yù)定標(biāo)器 (Prescaler ) 。 控制和中斷邏輯用于四個(gè)可屏蔽的中斷：下溢、溢出、定時(shí)器比較和周期中斷 。 可選方向的輸入引腳 TMRDIR(當(dāng)選擇雙向計(jì)數(shù)方式時(shí)，可以用來(lái)選擇向上或向下計(jì)數(shù) )。 在實(shí)際應(yīng)用中，這些定時(shí)器能夠產(chǎn)生系統(tǒng)所 需要的計(jì)數(shù)信號(hào)、離散控制系統(tǒng)的采樣周期、 QEP 電路、捕獲單元和比較單元的時(shí)基等。為了適應(yīng)不同應(yīng)用的需要，每個(gè)通用定時(shí)器都有 6 種可選的計(jì)數(shù)模式，分別是：停止 /保持模式 ； 單增計(jì)數(shù)模式 ； 連續(xù)增計(jì)數(shù)模式；定向增 /減計(jì)數(shù)模式；連續(xù)增 /減計(jì)數(shù)模式；單增 /減計(jì)數(shù)模式。 每個(gè) GP 定時(shí)器都有一個(gè)比較寄存器和一個(gè)比較 PWM 輸出引腳，通用定時(shí)器可以工作在比較操作模式或比較 PWM 輸出模式。當(dāng)工作在比較操作模式時(shí)，定時(shí)器的計(jì)數(shù)器值總是和相關(guān)的比較寄存器中的值相比較，當(dāng)兩者相等時(shí)就發(fā)生比較匹配事件。當(dāng)工作在比較 PWM 模式時(shí)，其輸出引腳 的信號(hào)受通用定時(shí)器控制寄存器的定義、定時(shí)器所處的計(jì)數(shù)模式以及定時(shí)器的計(jì)數(shù)方向的影響。 全比較單元 事件管理器 EVA 模塊中有三個(gè)全比較單元 CMPx ( x=1， 2， 3 )；事件管理器 EVB模塊中同樣有三個(gè)全比較單元 CMPx ( x=4， 5， 6 )。每個(gè)比較單元都可以工作在比較模式或 PWM 模式下，可以通過(guò) COMCON 中的位決定每個(gè)比較單元的工作模式。 當(dāng)比較模式被選中并且全比較操作被使能時(shí)，定時(shí)器的計(jì)數(shù)器就會(huì)不斷地與全比較單元的比較寄存器中的值進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)生比較匹配時(shí)，全比較單元的輸出引腳會(huì)根據(jù)ACTR 中的定義產(chǎn)生合適的電平跳變，同時(shí)比較中斷標(biāo)志被置位。如果同組中沒(méi)有其他 22 更高優(yōu)先級(jí)的中斷掛起，該中斷標(biāo)志將向 DSP 內(nèi)核發(fā)出中斷請(qǐng)求。當(dāng)工作在 PWM 模式下，全比較的操作類(lèi)似于通用定時(shí)器的比較操作。 捕獲單元和正交編碼脈沖電路 捕獲單元在 TMS320LF2407 的捕獲引腳上出現(xiàn)跳變時(shí)被觸發(fā)，事件管理器總共有 6個(gè)捕獲單元。當(dāng)捕獲引腳 CAPx(對(duì) EVA， x=1， 2， 3：對(duì) EVB x=4， 5， 6)上檢測(cè)到所選的跳變時(shí)，所選的 GP 定時(shí)器的計(jì)數(shù)值被捕獲并存儲(chǔ)在兩級(jí) FIFO 棧中。 每個(gè) EV模塊都有一個(gè) 正交編碼脈沖電路。該電路被使能后，可以在編碼和計(jì)數(shù)引腳 CAP I /QEP I和 CAP2/QEP2(對(duì)于 EVA模塊 )或 CAP3lQEP3和 CAP4/QEP4(對(duì)于 EVB模塊 )上輸入正交編碼脈沖。正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率信息。此電路在處理電機(jī)測(cè)速光電編碼器的輸出信號(hào)時(shí)很有用，可以大大簡(jiǎn)化電機(jī)測(cè)速的軟硬件開(kāi)銷(xiāo)，提高控制系統(tǒng)的測(cè)速精度與可靠性。如果使能了正交編碼脈沖電路，則相應(yīng)引腳上的捕獲功能將被禁止。 23 5 系統(tǒng)各模塊電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì) 在本次步 進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身所擁有的精確定位特點(diǎn)我們采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)如圖 模擬量輸入 數(shù)字量輸入 整個(gè)控制系統(tǒng)分為四個(gè)部分： DSP 中央控制器 TMS320LF240外接電位器、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)。 在本次設(shè)計(jì)中采用的電機(jī)是微型四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其接受數(shù)字控制信號(hào)（電脈沖信號(hào)），并轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的角位移。基于對(duì)低碳節(jié)能的考慮，在這里設(shè)計(jì)成一個(gè)單四拍信號(hào)來(lái)進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，通電順序?yàn)?ABCDA，步距角為 15176。驅(qū)動(dòng)芯片采用的是 ULN2020 芯片，根據(jù)前面的討論控制流程如下：首先由 DSP 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊將電位器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將該數(shù)字信號(hào)輸入到 DSP 中以設(shè)定脈沖信號(hào)的間隔時(shí)間以便控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，接著將由 DSP 的四個(gè) I/O 口提供脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片的處理后用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)相，從而達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。 DSP 微處理器、外擴(kuò) RAM 以及外圍電路的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用的 TMS320LF2407A DSP 微控制器共有 144 個(gè)引腳如圖 ，其內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)包括： DSP 內(nèi)核、內(nèi)部 DRAM、內(nèi)部 SRAM、擴(kuò)展存儲(chǔ)器界面、事件管理器 A、事件管理器 B、 JTAG 接口、數(shù)字 I／ O 口、 10 位 A／ D 模塊、 PLL時(shí)鐘、 FLASH ROM、CAN 控制器模塊、 SCI 中行通訊模塊、 SPI 中行外設(shè)模塊、看門(mén)狗模塊。 電位器 A/D TMS320LF2407 DSP 驅(qū)動(dòng)芯片 步進(jìn)電機(jī) 24 圖 2407 管腳圖 25 外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片 圖 外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片 圖 與門(mén) 26 本次設(shè)計(jì)選用的 RAM 型號(hào)為 IS61LV6416， 64K*16bit， DSP 通電后外擴(kuò)芯片的A0 到 A14 為高電平 。當(dāng) DS 為 0 時(shí)（低電平）時(shí)，外擴(kuò)的芯片只有 15 個(gè)管腳啟動(dòng)其存儲(chǔ)空間大小相當(dāng)于 02 152 既 0000H7FFFH， 而這段的存儲(chǔ)空間用來(lái)存放數(shù)據(jù)，當(dāng) DS 為1 時(shí)（高電平）時(shí)，外擴(kuò)芯片的 A16 管腳啟動(dòng)，其增加的存儲(chǔ)空間為 152 162 既 8000HFFFH這兩段存儲(chǔ)空間大小一致。啟動(dòng)擴(kuò)展芯片我們需要一個(gè)與門(mén)如圖 。 DS 與 PS 只要有一個(gè)為低電平則結(jié)果 RAMCS 為低電平從而啟動(dòng)擴(kuò)展芯片。 電源模塊 圖 供電電路 本次設(shè)計(jì)所采用的開(kāi)發(fā)板既可 以 使用獨(dú)立的 5V/1A 開(kāi)關(guān)電源供電，也可使用 USB線直接供電，使用 起來(lái)很方便。 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室 PC 機(jī)可以提供 USB 供電，所以為了便捷在設(shè)計(jì)中我們采用了 USB 線直接將開(kāi)發(fā)板和 PC 機(jī)相連進(jìn)行供電。 27 復(fù)位電路 圖 復(fù)位電路 在本次設(shè)計(jì)中 復(fù)位電路采用了專(zhuān)門(mén)的復(fù)位芯片 SP708R，保證 DSP 芯片能可靠復(fù)位，并且提供手動(dòng)復(fù)位按鈕，方便在程序死機(jī)的情況下