基于 DSP 的電子負載：電子負載控制系統軟件設計

第5章電子負載控制系統軟件設計

5.1軟件架構

研究課題的軟件系統較為簡(jiǎn)單，主要任務(wù)是根據電流、電壓的AD采樣結果，經(jīng)過(guò)數字控制環(huán)運算，由DA輸出運算結果，這是最重要也是實(shí)時(shí)性最高的任務(wù)。
此外，還要處理人機交互的任務(wù)，諸如串口通信、按鍵，顯示等等，這些任務(wù)并不是時(shí)刻都存在的，實(shí)時(shí)性要求不高。

軟件的架構由前臺和后臺兩部分組成。前臺是一個(gè)預設輸入和結果輸出，如圖5.1左圖所示，包括讀取按鍵編碼值、LCD顯示所處的測試模式和串口通信數據進(jìn)行處理。后臺如圖5.1右圖所示，以事件管理器A周期匹配中斷為核心中斷，整個(gè)反饋回路都是以此中斷為基礎，完成AD采樣，數字控制環(huán)計算，更DA輸出，實(shí)時(shí)調整負載電流。在軟件系統中，需要保證實(shí)時(shí)性的任務(wù)只有反饋環(huán)的任務(wù)，在TMS320LF2812的ISR進(jìn)行中，不能進(jìn)行嵌套中斷，別的中斷是不能得到DSP響應的。

為了防止串口中斷（后臺執行程序）的ISR執行時(shí)間過(guò)長(cháng)，影響到反饋環(huán)的執行，在串口中斷的ISR中避免代碼的冗繁。主循環(huán)通過(guò)檢測標志位，查看串口通信的事件發(fā)生，然后到指定位置讀取相應數據，最大限度的避免數字控制環(huán)的執行被打斷。

5.2數字控制環(huán)軟件設計

采樣控制系統都是有延遲的，保證控制環(huán)的數字處理和延遲時(shí)間在一個(gè)最小的周期以?xún)?，是本課題研究的重點(diǎn)。由于事件管理器的定時(shí)器中斷和AD采樣中斷服務(wù)處理程序的指令數固定，而AD轉換的時(shí)間由硬件決定，因而每周期內AD采樣對于數字環(huán)執行周期，占用的時(shí)間是固定的。設計如圖5.2所示的結構。

在整個(gè)數字控制環(huán)的執行周期內，包括AD轉換，AD轉換結果的保存，控制算法的調用和執行，運算結果的保存和輸出，執行周期內預留下一定的空閑時(shí)間，方便調用不同的控制算法時(shí)留下一定的時(shí)間余量。整個(gè)控制算法執行周期為4微妙，每個(gè)周期DA執行一次輸出。

（1）中斷

主程序里面一共開(kāi)放了三個(gè)中斷，T1定時(shí)器周期中斷，串口接收中斷和PDPA中斷。周期中斷啟動(dòng)A/D轉換，開(kāi)始采樣電壓、電流值，并保存結果進(jìn)入數字控制環(huán)；串口接收中斷，用于SCI接收中斷，并置發(fā)標志；PDPA中斷，用于保護功率模塊，一旦PDPA關(guān)腳為低便封鎖輸出。其中T1的周期中斷程序不允許被打斷，因為該程序響應用于DA的輸出，響應速度要求很快，PDPA是保護中斷程序，一般不會(huì )響應，這兩個(gè)中斷都不允許中斷嵌套。SCI串口輸出允許被打斷，但在中斷程序的開(kāi)頭要加上EINT，開(kāi)中斷，允許中斷嵌套。

事件管理器A即EVA的定時(shí)器Timer1的定時(shí)器中斷，在此定時(shí)器中斷的中斷服務(wù)處理程序ISR中，啟動(dòng)2路AD轉換。設置EVA Timer1的周期寄存器設置EVATimer1的周期為512（約為3.4微妙），通用定時(shí)器配置為連續增減模式，周期匹配中斷。

（2）AD采樣

DSP2812內部有一個(gè)12位帶流水線(xiàn)的模/數轉換模塊，共有16個(gè)通道，可通過(guò)寄存器配置為2個(gè)獨立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器A和B，2個(gè)獨立的8通道模塊也可以級聯(lián)構成1個(gè)16通道模塊，同時(shí)對16個(gè)通道進(jìn)行采樣，ADC要求輸入的模擬電壓范圍為0～3V.A/D轉換單元負責電流控制環(huán)的電流和電壓值，設計中用事件管理器啟動(dòng)對ADCINA0和ADCINB0同時(shí)采樣，同時(shí)對兩個(gè)通道的輸入信號進(jìn)行轉換。TMS320LF2812雖然有12位精度，但在實(shí)際的使用過(guò)程中，我們發(fā)現，ADC的轉換結果誤差較大，如果直接將此轉換結果用于控制回路，必然會(huì )降低控制精度，最大的轉換誤差可以達到9％，為了提高控制的精度，必須提高A/D的采樣的精度。

硬件角度：加RC硬件濾波，濾除干擾信號；電路布線(xiàn)時(shí)注意不要讓ADCIN引腳運行在靠近數字信號通路的地方，這樣能使耦合到ADC輸入端的數字信號開(kāi)關(guān)噪聲大大降低。采用隔離技術(shù)，將ADC模塊電源引腳和數字電源隔離；軟件角度：多次采樣取平均值算法，最為簡(jiǎn)單，但耗費大量時(shí)間，對數字控制環(huán)在短時(shí)間內執行完所有的程序是一對矛盾體；數字濾波算法，例如采用中值濾波法，具體方法為：連續采樣20個(gè)數據，對這些數據進(jìn)行排序之后，去掉最小的5個(gè)和最大的5個(gè)，然后取中間10個(gè)采樣數據的平均值，這也要付出時(shí)間上的犧牲，不太適合本設計；軟件校正算法。TMS320LF的ADC轉換精度較差的主要原因是存在增益誤差（Gain Error）和偏置誤差（Offset Error），要提高轉換精度就必須對兩種誤差進(jìn)行補償，這也是本設計中采用的提高A/D模塊的補償方法。

理想的12位ADC是沒(méi)有增益誤差和偏置誤差的，其轉換的計算公式為：

但是，實(shí)際上TMS320LF2812的A/D是存在增益誤差和偏置誤差的，其轉換的計算公式如式5.1所示：

其中，ma=actual gain（實(shí)際的增益）mb=actual offset（偏置誤差）
實(shí)際的和理想的轉換計算曲線(xiàn)如圖5.3所示：

用標準的0～3V信號經(jīng)過(guò)A/D轉換器，由示波器測出電壓信號的精確值，調用CCS的A/D轉換結果寄存器數值，換算成模擬值，計算出可靠的增益誤差和偏置誤差。在數字控制環(huán)中直接使用公式5.1得到的模數轉換結果。

5.3軟件系統代碼的編寫(xiě)

通用DSP的源代碼開(kāi)發(fā)可以用兩個(gè)方法：一種是利用匯編指令編寫(xiě)源代碼，然后經(jīng)匯編器和鏈接器匯編鏈接后生成可執行目標代碼；另一種方法是用標準C/C++語(yǔ)言在CCS環(huán)境下編寫(xiě)源代碼，經(jīng)C/C++編譯器、匯編器和鏈接器進(jìn)行編譯鏈接，生成可執行目標代碼。這兩種代碼開(kāi)發(fā)方法都需要花費大量的時(shí)間，耗時(shí)又耗力，大大的增加了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)難度，延長(cháng)了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，從而影響到開(kāi)發(fā)的效率。

Math Works公司和TI公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的工具包—MATLAB Link for CCS Development Tools，把MATLAB和TI的DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS（Code Composer Stadiu）及目標DSP連接起來(lái)。用此工具可以來(lái)方便的操做DSP的存儲器或寄存器設置，像操作MATLAB變量一樣，整個(gè)目標DSP對于MATLAB像透明的一樣，在MATLAB環(huán)境下，開(kāi)發(fā)人員可以方便的完成對CCS的操作。MATLAB Link for CCS Development Tools支持CCS識別的任何目標板，包括TI公司EVM板、DSK板和用戶(hù)自己開(kāi)發(fā)的DSP板。如果再把MATLAB Link for CCS Development Tools與另外一個(gè)工具包Embedded Target for the TI TMS320C2000 DSP Platform配合（MathWorks公司和TI公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的）配合使用，則可以直接由MATLAB里面的Simulink模型生成DSP的可執行代碼，即在MATLAB環(huán)境完成DSP開(kāi)發(fā)的過(guò)程。

首先，根據系統的設計在MATLAB/Simulink平臺下搭建系統模型（.mdl），仿真滿(mǎn)意后，通過(guò)MATLAB提供的Real Time Workshop（RTW）生成面向TI編譯器的工程文件代碼（.prj）并進(jìn)一步完成代碼的編譯，運行仿真模型產(chǎn)生C代碼程序，并且生成DSP可執行機器碼（.out），最后下載到目標DSP板上，運行測試程序，完成系統的開(kāi)發(fā)。

上述開(kāi)發(fā)過(guò)程全部在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行，開(kāi)發(fā)人員不需要寫(xiě)任何代碼，僅僅需要利用MATLAB的模型模塊，就可以完成系統的設計。而且開(kāi)發(fā)人員在系統設計過(guò)程中可隨時(shí)對系統進(jìn)行仿真驗證，確保系統設計的正確性。下圖5.4即為DSP代碼自動(dòng)生成的開(kāi)發(fā)流程圖。

根據設計的控制算法，利用MATLAB Link for CCS Development Tools工具包和Simulink工具包里面的功能模塊，搭建出控制系統的仿真模型，TMS320LF2812是一款32位定點(diǎn)DSP，為了能進(jìn)行浮點(diǎn)運算，我們一般在DSP數據處理中會(huì )使用IQmath庫，用定點(diǎn)運算代替浮點(diǎn)運算，在建模過(guò)程中要處理好數據格式的設置，在建立模型的過(guò)程中尤其要注意那些前后兩級都有連接的模塊，選用統一的Q格式。遇到模擬信號時(shí)用采樣保持器和量化器把模擬連續信號離散化和數字化，數字控制環(huán)的時(shí)間選用為3.3微秒，如下圖5.5所示。

然后根據實(shí)際電路中控制效果，改變配置的PID參數大小，使控制效果達到最佳。本文中根據實(shí)際情況，只采用了PI控制。最后需要注意的是，建模的時(shí)候一定要加入F2812 eZdsp模塊，在自動(dòng)生成代碼的時(shí)候需要對一些模塊進(jìn)行相關(guān)參數設置。F2812 eZdsp模塊主要的配置信息包括：DSPBoardLabel和BuildAction，其中，BuildAction配置代碼生成的四種功能模式：①Code（代碼）模式，只生成C代碼；②Project（工程）模式，只生成工程文件；③Build（編寫(xiě)）模式，生成工程文件并編譯鏈接；④Build and Load（編寫(xiě)下載）模式，生成工程文件，編譯鏈接并下載到目標板。DSPBoardLabel配置仿真器型號，所用仿真器為F2812 XDS510 Emulator，選擇Build and load功能模式。然后進(jìn)入Simulink的Simulation-Configuration Parameters，單擊實(shí)時(shí)工作室Real-Time Workshop進(jìn)入配置界面。進(jìn)行如下配置：

System target file：ti_c2000_grt.tle

Make command：make_rtw

Template makefile：ti_c2000_grt.tmf

最后在Real-Time Workshop界面中，點(diǎn)擊generate code按鍵，MATLAB根據設置自動(dòng)生成DSP工程文件，并且自動(dòng)連接打開(kāi)CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境，對C代碼進(jìn)行編譯，鏈接、下載到目標板上。通過(guò)CCS IDE，我們可以看到代碼生成過(guò)程中自動(dòng)建立的Project.prj工程文件，工程文件中包括：源文件，庫文件，鏈接文件等。

實(shí)時(shí)工作站針對不同的目標系統，產(chǎn)生相應的代碼，主要包括目標系統相關(guān)的I/O驅動(dòng)和中斷服務(wù)程序（ISR）。產(chǎn)生代碼的過(guò)程中MATLAB環(huán)境會(huì )實(shí)時(shí)的提供相關(guān)的信息，如一些警告或出錯信息，用戶(hù)可以根據提示修改相應的模塊的設置。由于生成的代碼是C代碼，我們還可以根據具體的需要，在后期的時(shí)候方便的修改生成的代碼，以完善設計。

5.4 LCD顯示程序設計

在電子負載控制系統中，本系統選用的信號板液晶顯示屏是由長(cháng)沙太陽(yáng)人公司提供的SMG12864ZK字符型液晶，內置ST7920接口型液晶顯示控制器。因為DSP2812的最高時(shí)鐘頻率可工作在150MHZ，周期為6.67ns，而ST7920控制器中指令與指令輸入之間的時(shí)間間隔都是在幾十微秒或毫秒，小液晶的作用主要是顯示當前的測試模式，具體的實(shí)時(shí)處理數據的顯示由電腦來(lái)完成。

在液晶編程設計過(guò)程中，如何能夠控制好個(gè)控制參數的時(shí)序是至關(guān)重要的，本款液晶的讀寫(xiě)時(shí)序如圖5.6所示。

因為DSP對ST7920等的訪(fǎng)問(wèn)不需要使用判“忙”過(guò)程，故沒(méi)有判“忙”函數的設計。在程序設計時(shí)，要特別注意GPIO的控制，在配置時(shí)一定要添加EALLOW保護，否則會(huì )導致配置數據時(shí)發(fā)生數據丟失或數據沖突，液晶驅動(dòng)初始化配置程序如下：

void main（void）

{

InitSysCtrl（）；//初始化系統控制寄存器、PLL、看門(mén)狗和時(shí)鐘

DINT； //禁止和清除所有CPU中斷向量表

InitPieCtrl（）；//初始化PIE控制寄存器

IER=0x0000； //禁止所有CPU中斷

IFR=0x0000； //清除所有中斷標志

InitPieVectTable（）； //初始化中斷向量表

EALLOW； //允許更改受保護的寄存器

GpioMuxRegs.GPBMUX.all=0； //使相關(guān)I/O工作在GPIO模式

……

GpioMuxRegs.GPBDIR.bit.GPIOB0=1； // RS（控制液晶屏的數據指令選擇引腳）

GpioMuxRegs.GPBDIR.bit.GPIOB11=1； // RW（控制液晶屏的數據讀寫(xiě)選擇引腳）

GpioMuxRegs.GPBDIR.bit.GPIOB12=1； // E（控制液晶屏的使能引腳）

GpioMuxRegs.GPBDIR.bit.GPIOB1=1；//引腳用于控制74LVX3245（U1）方向選擇GpioMuxRegs.GPBDIR.bit.GPIOB2=1；//引腳用于控制74LVX3245（U2）方向選擇GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIOB2=1； //將方向選擇引腳置高

EDIS； //禁止更改受保護的寄存器

lcdreset（）； //初始化LCD屏

lcdwc（0x01）；//清除顯示

delay（50）； //延時(shí)50*66.7ns

hzklib（）； //調用顯示函數……

}

5.5鍵盤(pán)程序設計

鍵盤(pán)程序采用查詢(xún)方法來(lái)實(shí)現鍵值的識別。執行主程序前，首先調用按鍵的查詢(xún)程序，判斷選擇的測試模式。鍵盤(pán)輸入信息設計思想如下所示。

（1）判斷是否有鍵按下

按鍵被按下時(shí)，相應DSP的GPIO口輸入線(xiàn)的電平被拉低。因此，判斷是否有鍵按下，讀取DSP端口值即可，若端口為低電平，則表明有按鍵鍵按下；若端口仍為高電平，無(wú)鍵按下。

（2）確定按下的鍵值

本設計中用到的按鍵少，一個(gè)按鍵對應一個(gè)GPIO口，通過(guò)讀取不同的GPIO口的值，就可以知道當前按鍵的鍵值。

（3）等待按鍵釋放

確定按鍵的鍵值以后，仍然需要判斷按鍵的釋放，延時(shí)一斷時(shí)間后調用執行相應的子程序。

（4）消抖處理

由于選用的按鍵是機械觸點(diǎn)，因此用手按動(dòng)一個(gè)鍵時(shí)，按鍵的斷開(kāi)和閉合瞬間會(huì )出現電壓波動(dòng)，如圖5.7所示。

為了保證按鍵鍵值的識別，電壓抖動(dòng)的時(shí)候不能進(jìn)行狀態(tài)的輸入查詢(xún)。為此，程序中增加消抖算法，DSP獲得按鍵被按下信息后，并即刻確認按鍵的鍵值，而是延時(shí)1ms后再次檢測相應端口，如果按鍵仍處于低電平，則說(shuō)明按鍵確實(shí)被按下。同理，在DSP檢測到按鍵釋放時(shí)，GPIO口恢復高電平，程序同樣也延時(shí)1ms，進(jìn)行后沿的消抖，然后再識別鍵值。

5.6串行通訊設計

由于研究的是基于DSP的實(shí)驗樣機，在控制精度足夠高的情況下，才能完成整機的成型，監控系統是在以后深入的研究的內容，目前僅在CCS環(huán)境下進(jìn)行了調試測試，只對通訊做了簡(jiǎn)單的研究。

串行通訊采用SCI異步通信接口，SCI模塊采用標準的非歸零數據格式，能夠實(shí)現CPU和其他具有SCI端口的外設進(jìn)行數據通訊。進(jìn)行通信協(xié)議的設計，首先要進(jìn)行信息幀結構的設計，串行異步通信以幀為單位，每次傳送一個(gè)數據幀。

TMS320LF2812的數據發(fā)送和接收由數據發(fā)送單元和接收單元來(lái)完成。算法程序運行一次就不停的查詢(xún)是否接收到串口收到的數據，判斷標志位tran_flag是否為1，一旦接收到數據，就將該數據發(fā)送出去，并清tran_flag，同時(shí)恢復串口為接收模式。DSP2812 SCI與計算機通信，采用超級中斷接收數據，DSP每隔4微妙向計算機發(fā)送個(gè)數據。

vvoid main(void)
{
……
SciReg.SCICTL2.TXINTENA = 1；// 使能SCI發(fā)送中斷
while (1)
Interrupt void SCI_TX_isr (void )
{
int i；
for ( i= 0 ; i 10 ; i ++ )； // 軟件延時(shí)1.5微秒，重新初始化PIE，為SCI準備下一次中斷
SciRegs.SCITXBUF=pid_cc.pid_out_reg3 + InitOut；
PieCtrlRegs.PIEACK.all = 0x0100；// 響應中斷
while ( SciRegs.SCICTL2.bit.tran_flag = = 0 );；// 狀態(tài)檢測模式，等待發(fā)送標志為空
}
void InitSci(void) // SCI初始化
{
EALLOW；
GpioMuxRegs.GPFMUX.all = 0x0030； // 配置SCI –TX
EDIS;
SciaRegs.SCICCR.all = 0x07；// 8位字符長(cháng)度
SciaRegs.SCICTL1.all = 0x03； // 使能 TX

SciaRegs.SCIHBAUD = 243 >> 8；// 波特率：19200
SciaRegs.SCILBAUD = 243 0x00FF
SciaRegs.SCICTL1.all = 0x0023；// SCI退出復位
}