基于dsp数字信号处理器的tcr无功补偿装置控制器硬件电路设计

基于dsp数字信号处理器的tcr无功补偿装置控制器硬件电路设计内容摘要：

Forward Concepts 分析家的预测，今年全球 DSP 销量将达到 $82 亿美元，比去年增加约三分之一。 而对于 2020 年和 2020年的预测值，则分别是 $108 亿元和 $140 亿元，并预言未来几年 DSP 都将以每年超过 30%的速度成长。 根据 CCID 权威的分析，中国 DSP 市场今年可达到 120 亿元人民币，比去年增长约 40%，未来的增长将可能超过全球的平均速度。 对于 DSP市场的高速增长，许多人充满着浓厚的兴趣。 本文将结合 DSP 纵向的发展历程和横向的拓展方向进行 探讨，以便探讨 DSP 市场拓展的特点。 ③ DSP 商品化历程 ： 八十年代前后，陆续有公司设计出适合于 DSP 处理技术的处理器，于是 DSP 开始成为一种高性能处理器的名称。 TI 在 1982 年发表一款DSP 处理器名为 TMS32020，其出色的性能和特性倍受业界的关注，当然新兴的攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 DSP 开发流程 5 DSP 业务的确承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。 进入九十年代，有多家公司跻身于 DSP 领域与 TI进行市场竞争。 TI首家提供可定制 DSP，称作 CDSP。 CDSP 基于内核 DSP 的设计可使 DSP 具有更高的系统集成度，大加速了产品的上市时间。 同时 TI 瞄准 DSP 电子市场上成长速度最快的领域，适时地提供各种面向未来发展的解决方案。 到九十年代中期，这种可编程的 DSP 器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。 德州仪器通过不断革新，推陈出新， DSP 业务也一跃成为 TI 的最大的业务，并始终处于全球 DSP 市场的领导地位。 虽然这个阶段 DSP 每 MIPS 的价格已降到 10美分到1美元的范围，但 DSP 所带动的市场规模巨大。 DSP 开发方案的设计与选择 十多年前， DSP 以其高速 、低功耗和高集成度在军事、航天等领域大显身手，随着半导体工艺的进步和工业民用领域的大量采用，近几年来， DSP价格大幅下调，而性能却不断提高，以不可阻挡的趋势 进入通信、工业控制和消费领域， DSP正日渐成为现代信息产业的重要基石。 从 DSP 应用范围看， DSP 可分为通用 DSP和专用 DSP 两种。 其中专用 DSP往往是实现信号处理的某些专项功能，实现方式则往往是通用 DSP 的掩模版本 ,生产通用 DSP 的主要厂家有 TI 公司， AD 公司 ,Motorola, Lucent，其中 TI公司著名的 TMS320 系列占据了国际市场接近一半的 市场份额。 当我们确定了采用 DSP方案以后，首先要做的就是 DSP 系统的功能需求分析，根据需求 选择合适的 DSP芯片和相应的开发、 仿真工具。 DSP 系统的功能需求分析 在确定了某个具体应用以后，我们要做的第一件事就是构造出一个 DSP 系统功能框图（图略）。 DSP 系统设计中要考虑如下几个重要方面： (1)DSP 系统处理的模拟带宽。 根据这个带宽，选择合适的 A/D采样率， A/D采样频率必须服从采样定理。 语音信号一般为几 kHz到几十 kHz，图像信号则可达 几 MHz； (2)实时性要求。 系统设计中实时 性 与非实时 性 对 系统要求的差异非常之大； (3)算法的复杂度。 为了获得 较 好的系统处理性能，往往要采用复杂算法，而算法越复杂，对 DSP 处理器的要求也就越多。 有时需要在算法的复杂度和处理速度之间进行折衷； 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 DSP 开发流程 6 (4)DSP 系统处理精度要求。 一般而言，在高精度要求中往往采用专业浮点DSP，其它场合采用定点 DSP 就足够了。 在实际应用中采用块浮点方法能有效提高定点 DSP 的处理精度； (5)成本要求。 在军事和航天用途中，为了高性能、高可靠性和留有发展余地，往往尽量采用高性能 DSP 处理器，甚至不计成本。 而在工业和消费领域中，为了保持最终产 品在市场上的竞争力，往往要寻找性能、价格比最好的产品； (6)可靠性要求。 DSP 处理系统所有器件的选择，必须考虑产品的最后应用场合，原则上 是 星载系统采用宇航级，军事应用采用军品，工业场合选用 工业级器件，民用选用商品级即可。 最后所选用的器件要考虑是否对应 级别； (7)方便开发和使用。 为了方便开发仿真， DSP 系统设计师最好选用带 JTAG硬件仿真接口的 DSP 芯片，既能方便开发，又便于此后生产中的测试； DSP 算法的验证与模拟 一个实际的 DSP 处理系统必然要使用各种算法， 要求 DSP 系统设计者在选择某种算 法前就精通各种算法的细节是不现实的。 DSP 处理系统所选用的算法无非是各种通用算法的组合和改进。 革命性的算法不是 DSP 设计师的任务， DSP 系统设计师应尽量选用成熟可靠、 经过时间考验的算法 ， 而支持各种通用算法的 DSP模拟软件市场上已有不少。 我们对其中的一些优秀产品作简单介绍： (1)SPW 工作站： cadence 公司产 品， 含有大量的算法库，对通信系统设计尤其适合。 (2)Matlab 工具包：该软件在国内高校中已经开始流行，该软件矢量矩阵处理功能很强，最新版本中信号处理功能大大加强。 (3)Dalisp 软件：优秀的 信号处理软件包，网上有免费的高校版读者， 可自行下载使用。 在用如上的工具模拟挑选出了合适的算法组合以后，设计师就可应用高级语言在 PC机上进行实际编程验证，设计出 DSP 的软件处理流程，并给出最终可实现的软件需求分析。 DSP 开发工具的选择 在选定了 DSP 器件型号后， 则应进行 DSP 开发工具的选择 ， DSP必备的开发工具有如下几种： （ 1） ASM/LINK；汇编 /链接器； （ 2） JTAG 硬件仿真器，可全透明地访问 DSP 的所有资源而不占用用户任何 资源； （ 3） Debugger 调试器； 其他选件还有： C编译器 、实时操作系统和算法库。 下面以 TMs320cZxx/c24x 系列为例，介绍国内外 DSP 开发系统简况。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 DSP 开发流程 7 ① 汇编 /链接器：该软件由 TI 公司的产品提供，型号为 TMD32485002。 ② JTAG硬件仿真器： TI公司型号为 XDS510， TI公司正式认证的国内第三方合作伙伴也能提供 JTAG硬件仿真器。 但用户选择国内产品时，应注意有的仿真器无法与 TI公司的 XDS510 兼容，而北京闻亭等公司的产品却能与 XDS510 兼容得非常好。 兼容意味着用户的很多投资可得到保护。 ③ Debugger 调试软件：与 XDS510 配合使用，通过 该软件能访问用户 DSP系统的所有资源。 最新的调试软件应该基于 Win95 平台，能够图形化，有效地显示存储器的波形和频谱。 另外，将 C 编译、汇编 /链接调试集成在一起的集成调试环境是新一代调试软件的必备功能。 DSP 系统调试 在选择了合适的 DSP 开发工具后，设计师就会做具体的硬件设计和软件设计。 硬件设计应注意如下要点： ① 认真处理好复位和时钟信号。 ② 在 DSP 电路中，对所有的输入信号必须有明确的处理，不能悬浮和置之 不 理。 ③ 模拟电路和数字电路独立布线，最后单点连接电源和地。 软件设计则应严格按照软件工程 的方法进行管理。 一个实际的 DSP 系统的调试总要经过多次反复，需要设计者和调试者有足够的耐心，坚强的意志和九死一生的精神。 做一个现代设计师非常辛苦，必须不断的纠正自己所犯下的各种设计错误。 只有当系统可靠地运行并得到市场和社会承认后，才能松一口气，美美的睡上一觉，然后又充满信心地开始下一轮的设计。 DSP 系统设计开发流程 在设计需求规范，确定设计目标时，其实要解决二个方面的问题：即信号处理方面和非信号处理 方面 的问题。 信号处理的问题包括：输入、输出结果特性的分析， DSP 算法的确定，以及按要求对确定的性能 指标在通用机上用 高级语言编程仿 真。 非信号处理问题包括：应用环境、设备的可靠性指标，设备的可维护性，功耗、体积重量、成本、性能价格比等项目。 算法研究与仿真这是 DSP 实际 应用系统设计中重要的一步。 系统性能指标能否实现，以 及 何种算法和结构 能 够 满足需求， 这些 都是在这一步考虑的。 这种仿真是在通用机上用高级语言编程实现的，编程时最好能 模仿 DSP 处理器形式运行，以达到更好的真实性。 在 DSP 芯片选择中通常有 以 下几条注意 事项： 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 DSP 开发流程 8 （ 1）精度：表数格式（定点或浮点），通常可以用定点器件解决的问题，尽量用定点器件，因为它经济、 速度快、成本低，功耗小。 但是在编程时要关注信号的动态范围，在代码中增加限制信号动态范围的定标运算。 （ 2）字长的选择：一般浮点 DSP 芯片都用 32 位的数据字， 大多数定点 DSP芯片是 16 位数据字。 而 MOTOROLA 公司定点芯片用 24位数据字，以便在定点和浮点精度之间取得折中。 字长大小是影响成本的重要因素，它影响芯片的大小、引脚数以及存储器的大小，设计时在满足性能指标的条件下，尽可能选用最小的数据字。 （ 3）存储器安排：包括存储器的大小，片内存储器的数量，总线寻址空间等。 片内存储器的大小决定了芯片运行速度和成本 ，例如 TI 公司同一系列的 DSP芯片，不同种类芯片存储器的配置等硬件资源各不相同。 （ 4）开发工具：在 DSP 系统设计中，开发工具是必不可少的，一个复杂的DSP 系统，必须有功能强大的开发工具支持。 开发工具包括软件和硬件两部分。 软件开发工具主要包括： C 编译器、汇编器、链接器、程序库、软件仿真器等，在确定 DSP 算法后，编写的程序代码通过软件仿真器进行仿真运行，来确定必要的性能指标。 硬件开发工具包括在线硬件仿真器和系统开发板。 在线硬件仿真器通常是 JTAG 周边扫描接口板，可以对设计的硬件进行在线调试；在硬件系统完成之前 ，不同功能的开发板上实时运行设计的 DSP 软件，可以提高开发效率。 甚至在有的数量小的产品 中 ， 直接将开发板当作最终产品。 （ 5）功耗与电源管理：在一些手提便携式的消费类电子产品中，供电电源的节省是很重要的问题，因而目前 DSP 生产厂商越来越重视这方面。 它通常包括供电电压的选择和电源的管理功能。 供电电压一般取得比较低，实施芯片的低电压供电，通常有 ， ， ， 等，在同样的时钟频率下，它们的功耗将远远低于 5V供电电压的芯片。 加强了对电源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式节省功率消耗。 例如 TI公司提供了详细的、功能随指令类型和处理器配置而改变的应用说明。 （ 6）成本和厂家的销售后服务：特别要注意 DSP 芯片的生产和主推产品，以便以低的成本实施来要求产品。 但低价位的芯片必然是功能较少、片内存储器少、性能上差一些的，这就带给编程一定的困难。 （ 7）支持多处理器：近来各类软件在无线电产品及雷达中的应用中，都需要能处理高数据率、大运算量的应用系统。 单一的处理器系统已难以承担这类复杂任务，因而采用多个处理器并行工作。 这种情况下，各处理器之间连接和通讯功能是必须要作为主要因素予以考虑的。 近年新推出的 DSP芯片 系列都改善了这方面性能，注意增加专门的接口或 DMA 通道，来支持多处理器的 DSP 运行。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 DSP 开发流程 9 图 21 基于 DSP芯片的 DSP实时系统设计和开发流程图 DSP 处理器 的 软、硬件开发工具简介 随着 DSP 处理器的功能不断强化和系统开发周期不断缩短，设计和调试 DSP系统越来越依赖于 DSP 开发系统和开发工具，图 22为 DSP 处理器开发流程图。 虽然厂家不同，但提供的开发调试工具大致类同，一般有下列几种： （ 1） C 语言编译器 (C Compiler) 一般厂家为了开发 DSP 系统方便、减小编写汇编程序的难度，都提供了高级语言设计方法：一般是 C语言。 开发系统针对 DSP 库函数、头文件及编写的 C 程序，自动生成对应的汇编语言，这一步称为 C编译。 C编译器通常符合 ANSI C标准，可以对编写的程序进行不同等级的优化，以产生高效的汇编代码； C编译器还具有对存储器的配置、分配及部分链接功能 ， 并 具有灵活的汇编语言接口等多种功能。 C编程方法易学易用，但编译出的汇编程序比手工汇编程序长得多，因而效率一般只有 20%～ 40%。 为了克服 C 编译器低效率，在提供 标准 C库函数同时，开发系统也提供了许多针对 DSP 运算的高效库函数，例如 FFT、 FIR、 IIR、相关、矩阵运算等，它们都是手工汇编的。 设计需求规范，确定设计目标 定义系统性能指标实施算法研究与仿 真真 选择 DSP芯片 软件编。