基于DSP的磁存儲設備抗沖擊技術(shù)控制系統設計

1　引　言
　　對數據存儲業(yè)來(lái)說(shuō)，磁盤(pán)驅動(dòng)器生產(chǎn)商通過(guò)增加磁道密度（以每英寸的磁道數為單位）和磁盤(pán)轉速（以每分鐘轉數為單位）來(lái)擴大計算機硬盤(pán)驅動(dòng)器的容量和改善其性能。隨著(zhù)磁密度的增加，兩相鄰磁道間的距離變小了。因此，所允許的讀／寫(xiě)頭和磁道的偏離誤差，即磁盤(pán)驅動(dòng)器業(yè)內所說(shuō)的誤定位，也相應的降低了，這樣硬盤(pán)很容易受到傷害。他的工作原理決定其必須使用抗惡劣環(huán)境加固技術(shù)，而且主要針對機械物理環(huán)境和氣候環(huán)境實(shí)施加固。對磁盤(pán)存儲設備來(lái)說(shuō)，機械物理環(huán)境中最為惡劣的是振動(dòng)、沖擊環(huán)境。本文采用了外加固主動(dòng)控制理論與技術(shù)，將電磁主動(dòng)控制技術(shù)用于計算機外部設備（微型盤(pán)）的振動(dòng)沖擊外加固，并且構建了以DSP 為硬件平臺的數字主動(dòng)控制系統^［1］。

2　數字控制系統的硬件設計
從1982年TI（美國德州儀器公司）推出通用可編 程DSP芯片以來(lái)，DSP技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展。目前DSP芯片市場(chǎng)中，主要由TI，ADI，AT＆T和Motorola公司占據。本文綜合實(shí)際要求，采用一款由TI公司生產(chǎn)的新型16位定點(diǎn)DSP芯片：TMS320F243^［2］，他集成了A／D，PWM調制等幾種先進(jìn)外設，特別適于對電機的數字化控制。

2．1　控制系統原理
　　數字信號處理器（DSP）具有實(shí)時(shí)信號處理能力和強大的運算功能。該系統的工作原理是基礎加速度傳感器拾取基礎振動(dòng)沖擊加速度信號，然后送入前置放大器，由DSP將電荷放大器輸出信號經(jīng)A／D采樣后，完成對信號的一次積分（轉換為速度信號）和二次積分（轉換為位移信號）運算，將兩次積分結果做求和運算，再將結果經(jīng)D／A轉換后輸入到功率放大器，最后將功率放大器輸出信號以控制電壓的形式加在執行機構上，執行機構會(huì )產(chǎn)生相應的作動(dòng)力來(lái)抵消來(lái)自基礎的振動(dòng)和沖擊。由于DSP片內集成了10 b的A／D，所以可直接將模擬信號與DSP相接，圖1是整個(gè)數字控制系統的原理框圖。的DAC7611。由于DSP內部10 b A／D的電壓輸入范圍為0～5 V，輸入信號經(jīng)A／D轉換后由數值0～1 023（十進(jìn)制數）來(lái)分別對應0～5 V的電壓信號。所以DSP的輸入信號已不是正負對稱(chēng)信號，并且系統中DAC7611的輸出范圍為0～4．095 V，而系統后級中功放的輸入應是零均值的，所以需要對DAC輸出信號利用運算放大器進(jìn)行電平變換。

　　另外，DAC7611對于時(shí)鐘信號的要求非常嚴格。 他要求其時(shí)鐘信號的上升沿發(fā)生在每一位數據的傳送過(guò)程中。TMS320F243的SPI（串行外設接口）是一個(gè)高速、同步串行I／O口，他可以設置每次產(chǎn)生的串行數據流的位數（1～16位），并且對于位傳輸速度也可以編程控制。

　　SPI的時(shí)鐘輸出信號線(xiàn)SPICLK能夠提供4種類(lèi)型的時(shí)鐘信號。其中有一種帶延時(shí)的上升沿時(shí)鐘，可使SPI在上升沿之前的半個(gè)周期內發(fā)送數據，或在SPICLK信號上升沿后接收數據。這恰好符合DAC7611時(shí)鐘信號的要求。

　　由于DSP片內資源有限，設計中在片外擴展了用于存放數據的RAMCY71021，其讀寫(xiě)時(shí)間為12 ns，與DSP的速度匹配。并且該芯片在未被操作時(shí)會(huì )自動(dòng)采用低功耗工作方式。在利用DSP的串行外設接口向D／A傳送數據時(shí)，系統還采用光耦器件將數、模電路進(jìn)行隔離。外圍接口電路如圖2所示。

由于系統加電后，程序首先是從片內的FLSH程序ROM開(kāi)始執行的，所以一定要把引腳MP／MC接成微處理器方式。

3　數字控制系統的軟件設計
3．1　控制算法
　　經(jīng)過(guò)深入研究和大量的分析、計算，得出該系統 的機電動(dòng)力學(xué)模型如下：

其中：為基礎振動(dòng)加速度；c₁，k₁分別為與基礎振動(dòng)相關(guān)的二次積分和一次積分系數。

設u為的電荷放大信號，根據控制要求，該系統主要利用DSP完成以下運算：

并采用均值補償法對積分結果進(jìn)行修正，實(shí)現數字系統的控制。將上式離散化則生成：

其中：m₁（n），m₂（n）分別是一、二次積分運算的均值。

3．2　系統軟件設計與實(shí)現
　　系統頭文件（擴展名為．h）的主要功能就是將DSP內部的各個(gè)特殊功能寄存器的名稱(chēng)與其默認地址相對應。在匯編語(yǔ)言的執行過(guò)程中DSP指針會(huì )直接按寄存器名去訪(fǎng)問(wèn)在頭文件中規定過(guò)的地址。命令文件（擴展名為．cmd）實(shí)際上是DSP的資源配置文件，在PAGE0頁(yè)（程序空間）他定義了各程序模塊的起始地址和空間長(cháng)度，對片內、外各程序段、中斷矢量表的定義等；在PAGE1頁(yè)（數據空間）他定義了各數據模塊的起始地址和空間長(cháng)度，如對各種參數、片內、外 66數據區的定義等。此外，應注意遵守DSP實(shí)際存儲器及存儲空間的約定。

　　由于該系統主要是通過(guò)DSP的ADC模塊和SPI模塊與其外圍器件通信，所以在軟件設計中需要對他們的工作模式進(jìn)行配置^［1］。對于片內ADC的工作模式：首先應該確定ADC的啟動(dòng)模式，然后使ADC達到10 kHz的采樣率。為了保證準確的采樣率，通過(guò)DSP內部計數器計數產(chǎn)生中斷作為ADC的啟動(dòng)方式。由于TMS320F243的機器指令周期為50 ns，所以在兩次采樣時(shí)間間隔內至多可以運行約2 000個(gè)指令周期，否則就不能完成實(shí)時(shí)運算。對于SPI模塊：首先設定其通信方式為主模式，使數據按時(shí)序從SPISIMO管腳移出；然后設定每次傳輸串行數據的位數、時(shí)鐘信號方式、傳輸速率等。由于DSP片外D／A器件為12 b，而DSP的數據總線(xiàn)位16 b，所以必須將最后的運算結果進(jìn)行相應調整后再由SPI送出。

　　另外，DSP內部的A／D由數值0～1 023（十進(jìn)制數）來(lái)分別對應0～5 V的輸入電壓信號，所以應由值511來(lái)表示零均值點(diǎn)，這一點(diǎn)在均值補償時(shí)要特別注意。系統程序流程圖如圖3所示。

4　結　語(yǔ)
　　采用DSP直接實(shí)現機電控制是近年才發(fā)展起來(lái)的一項技術(shù)，他比傳統控制方法具有鮮明優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗表明，以DSP為核心的數字控制系統可以實(shí)現實(shí)時(shí)控制，而且低頻段的相位誤差非常小，同時(shí)又可以兼顧較高頻段，適用范圍大。此外，他穩定性好、精度高，并易于實(shí)現復雜模型的控制。

參考文獻
［1］　劉和平，等．TMS320F240X結構、原理及應用［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002．
［2］　TMS320LF／LC240XDSPcontrollers reference guide system and peripherals．TI．2001．
［3］　樊來(lái)耀．TMS320C25，C30數字信號處理［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997．