80C196KC-ADMC401接口電路設計及其應用

摘要：結合８０Ｃ１９６ＫＣ和ＡＤＭＣ４０１雙ＣＰＵ接口電路圖，詳細介紹了系統的設計過(guò)程，并對主要部件的基本功能以及需要注意的問(wèn)題做了分析和說(shuō)明。最后以靜止無(wú)功發(fā)生器（ＳＶＧ）裝置為例，介紹了雙ＣＰＵ系統的應用。關(guān)鍵詞：８０Ｃ１９６ＫＣ ＡＤＭＣ４０１ ＳＶＧ ＩＧＢＴ－ＩＰＭ 隨著(zhù)微機控制技術(shù)的發(fā)展和廣泛應用以及控制系統復雜性和實(shí)時(shí)性要求的不斷提高，使得很多系統需要用兩個(gè)甚至更多的控制器，實(shí)現被控對象提出的各種要求。尤其是在工業(yè)應用領(lǐng)域中，要完成大量的數據采集和處理、控制信號的接收和發(fā)送等諸多功能，對系統的運算速度、接口資源、穩定性以及成本方面有著(zhù)非常高的要求。設計一個(gè)實(shí)用、合理、經(jīng)濟的高性能控制系統是成功投入現場(chǎng)運行的關(guān)鍵。 在ＳＶＧ（靜止無(wú)功發(fā)生器）裝置中涉及到大量的復雜計算（如濾波計算、瞬時(shí)無(wú)功計算）和先進(jìn)的控制手段（如矢量控制）以及諸多信號的采集和發(fā)送，使得單個(gè)ＣＰＵ很難滿(mǎn)足系統要求。因此采用高集成度的嵌入式處理器與ＤＳＰ芯片組成雙ＣＰＵ系統來(lái)實(shí)現對整個(gè)系統的控制。１ 系統設計 １．１ 系統的組成及原理 雙ＣＰＵ系統的原理圖框圖如圖１所示。系統采用８０Ｃ１９６ＫＣ和ＡＤＭＣ４０１兩個(gè)芯片作為核心處理器。ＡＤＩ公司的ＡＤＭＣ４０１芯片是基于ＤＳＰ的控制器，非常適于工業(yè)應用領(lǐng)域中的高性能控制。該芯片集成了一個(gè)高速的ＤＳＰ內核，且其內核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成的環(huán)境中快速實(shí)現控制。Ｉｎｔｅｌ公司的８０Ｃ１９６（ＫＢ／ＫＣ）是一款高性能且價(jià)格低廉的１６位單片機，同樣適用于高速控制和需要多個(gè)外設的場(chǎng)合。兩個(gè)ＣＰＵ在運行時(shí)獨立執行存放在不同器件中的程序，同時(shí)保持相互之間的協(xié)調工作?？紤]到系統本身的復雜性，如果使用傳統的ＲＡＭ、ＲＯＭ和邏輯譯碼器件分離的系統接線(xiàn)方式，必定會(huì )使得整個(gè)控制電路過(guò)于龐雜，給調試帶來(lái)很大困難，同時(shí)也降低了系統的穩定性。因此，該系統用到了可編程系統外圍接口器件ＰＳＤ產(chǎn)品中的ＰＳＤ４２３５和ＰＳＤ３１１。它們分別作為兩個(gè)ＣＰＵ的外部擴展器件，并和ＣＰＵ組成一個(gè)雙ＣＰＵ—ＰＳＤ系統（簡(jiǎn)稱(chēng)雙ＣＰＵ系統），如圖１所示。兩個(gè)ＣＰＵ間的相互通信采用了雙口ＲＡＭ（ＩＤＴ７１３２），通過(guò)它可以順利實(shí)現兩個(gè)ＣＰＵ之間的數據傳輸。鍵盤(pán)管理部分用８２Ｃ７９接口芯片。輸出顯示部分用以ＳＥＤ１５２０為驅動(dòng)芯片的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶模塊（ＬＣＤ）。系統中專(zhuān)門(mén)增加了額外的串行Ｅ２ＰＲＯＭ，主要用于掉電時(shí)數據的保護以及記錄部分操作參數。此外，組成系統的還有ＷＡＴＣＨＤＯＧ電路、ＵＡＲＴ電路等。它們在系統中的資源分配、功能實(shí)現都是通過(guò)對控制器的軟件編程來(lái)完成。下面將詳細介紹各部分的接口電路設計以及相應的工作原理。 １．２ ８０Ｃ１９６ＫＣ部分設計 １６位的８０Ｃ１９６ＫＣ芯片是Ｉｎｔｅｌ公司ＭＣＳ－９６系列單片機中重要的新成員，也是目前該系列單片機中性能最強的產(chǎn)品之一，在各類(lèi)自動(dòng)控制系統、數據采集系統和高級智能儀器中都有廣泛的應用。８０Ｃ１９６ＫＣ芯片的特點(diǎn)如下：振蕩信號頻率達１６ＭＨｚ，指令的運算速度更快，１６位乘法１．７５μｓ，３２位除法３．０μｓ；８個(gè)Ａ／Ｄ通道，可以方便地實(shí)現被控對象多點(diǎn)電壓和電流采樣；通過(guò)ＣＰＵ的串行口可實(shí)現與上位ＰＣ機之間的通信；新增１００Ｈ～１ＦＦＨ內部ＲＡＭ，在垂直窗下具有更靈活的運用；具有三路脈寬調制（ＰＷＭ）輸出；在８０Ｃ１９６ＫＢ的基礎上又增加了５條（ＫＢ已經(jīng)增加了６條），使程序編制更加方便；１６位多路復用地址數據／地址線(xiàn)可以與ＰＳＤ直接接口，同時(shí)通過(guò)鎖存器后，可將地址和數據分別接至雙口ＲＡＭ，實(shí)現多個(gè)ＣＰＵ之間的數據傳輸等。詳細的性能參數和特點(diǎn)請參見(jiàn)文獻１～２。在雙ＣＰＵ系統中，８０Ｃ１９６主要完成的功能有鍵盤(pán)控制、顯示輸出、數據保存、信號傳送等。由于涉及的內容復雜，而且還需要與很多外圍接口，所以用到了大容量、多端口的ＰＳＤ４０００系列芯片與它配合，圖２所示即為８０Ｃ１９６ＫＣ部分的電路圖。圖2 80C196KC-PSD4235接口電路雖然ＣＰＵ的數據與地址線(xiàn)可以直接與ＰＳＤ連接，但是在雙口ＲＡＭ時(shí)，數據與地址信號必須分離。所需用到的鎖存器在圖２中省略了。ＰＳＤ４２３５芯片是ＷＳＩ公司２０００年最新推出ＰＳＤ４０００系列產(chǎn)品，它能夠適應多種不同的微處理器。其片內集成了４Ｍ位的閃速存儲器，１６個(gè)輸出微單元、２４個(gè)輸入微單元的ＣＰＬＤ、譯碼ＰＬＤ，５２個(gè)單獨可配置Ｉ／Ｏ端口，ＪＴＡＧ串行接口等，并且有支持掉電模式的低功耗可編程電源管理單元。ＰＳＤ芯片對外地址分配和各接口的邏輯譯碼由專(zhuān)用的軟件ＰＳＤＳＯＦＴＴＭＬＩＴＥ實(shí)現，具體情況請參考文獻５～６或登陸ｗｗｗ．ｗａｆｅｒｓｃａｌｅ．ｃｏｍ站點(diǎn)查詢(xún)。使用ＰＳＤ后極大地簡(jiǎn)化了硬件電路的設計，減少了印制電路板的面積，提高了系統的穩定性。顯示部分通過(guò)單片機控制圖形液晶模塊ＭＧＬＳ－１２０３２實(shí)現。該模塊有直接訪(fǎng)問(wèn)方式和間接訪(fǎng)問(wèn)方式兩種。本系統以間接訪(fǎng)問(wèn)方式為基礎。圖２所示即為間接訪(fǎng)問(wèn)方式的電路。顯示模塊的時(shí)序通過(guò)對８０Ｃ１９６編程實(shí)現。液晶模塊ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ是兩片ＳＥＤ１５２０級聯(lián)在一起，一片處于主工作方式，一片處于從工作方式，它們分別控制顯示屏幕的左、右半屏。在編程時(shí)要特別注意漢字和字符顯示時(shí)在邊界區域兩片ＳＥＤ１５２０間的切換。 系統中外部擴展了串行的Ｅ２ＰＲＯＭ電路，用來(lái)存放系統的一些固定參數等，使用的芯片是Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ２４Ｃ０２。它只需通過(guò)８０Ｃ１９６ＫＣ的高速輸入、輸出通道（ＨＩＳ和ＨＳＯ）產(chǎn)生連續的高低電平序列，便可實(shí)現與ＣＰＵ之間的數據傳輸。從硬件的角度來(lái)看，該芯片不占用任何數據總線(xiàn)，連接簡(jiǎn)單且節約大量系統資源。 １．３ ＡＤＭＣ４０１部分設計 ＡＤＭＣ４０１芯片是一個(gè)基于單片ＤＳＰ的控制器，適合工業(yè)應用領(lǐng)域中高性能控制。該芯片集成了一個(gè)２６ＭＩＰＳ（１３ＭＨｚ晶振）定點(diǎn)內核ＡＤＳＰ－２１７１，單條指令執行時(shí)間為３８．５ｎｓ，其編碼與ＡＤＳＰ－２１ｘｘＤＳＰ 系列完全兼容。內核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成環(huán)境中快速實(shí)現對元器件的控制；它還包含三個(gè)計算單元、兩個(gè)數據地址發(fā)生器和一個(gè)程序定序器。其中計算單元包含一個(gè)算術(shù)邏輯單元ＡＬＵ、一個(gè)乘法／累加器ＭＡＣ和一個(gè)桶式移位器。內核還增加了位操作、平方、四舍五入和全局中斷屏蔽等指令。除此之外，ＡＤＭＣ４０１芯片包括兩個(gè)靈活的雙緩沖器、雙向的同步串行口。圖３為ＡＤＭＣ４０１的功能框圖。ＡＤＭＣ４０１芯片提供２Ｋ%26;#215;２４位的內部程序存儲器ＲＡＭ、２Ｋ%26;#215;２４位的內部程序存儲器ＲＯＭ、１Ｋ%26;#215;１６位的內部數據存儲器ＲＡＭ、１個(gè)高性能８通道１２位模數轉換ＡＤＣ系統（它能經(jīng)過(guò)４對輸入實(shí)現雙通道同時(shí)采樣）、１個(gè)三相１６位中心對稱(chēng)的ＰＷＭ發(fā)生器（能以最小開(kāi)銷(xiāo)產(chǎn)生高精度的ＰＷＭ信號）、１個(gè)靈活的增量編碼器接口單元、２個(gè)可調頻的輔助ＰＷＭ輸出、１２條Ｉ／Ｏ數字信號線(xiàn)、１個(gè)雙通道事件捕獲系統、１個(gè)１６位看門(mén)狗定時(shí)器、２個(gè)１６位內部定時(shí)器等。圖3 單片數字信號處理器ADMC401功能框圖ＰＳＤ３ＸＸ芯片內部同樣提供了許多應用系統需要的全部元件和外圍。對于８０５１、８０１９６和６８ＨＣ１１等微控制器來(lái)說(shuō)與ＰＳＤ相配合是極為有用的。ＡＤＭＣ４０１與它結合同樣非常有效?？紤]到ＡＤＭＣ４０１內部程序的長(cháng)度以及接口并不象８０１９６控制器那么多（８０１９６需要完成人機界面實(shí)現、信號傳送、外圍器件接口等），所以采用ＰＳＤ３１１（現有價(jià)格最低的３系列產(chǎn)品）。ＡＤＭＣ４０１芯片的引導程序裝載可以通過(guò)兩個(gè)引腳ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ的各種不同狀態(tài)產(chǎn)生。如果引腳ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ電位都為０，那么ＡＤＭＣ４０１芯片工作在所謂的ＥＰＲＯＭ引導程序模式，其中被稱(chēng)為“引導存儲器”的專(zhuān)用外部存儲空間將允許芯片和字節寬度的ＥＰＲＯＭ相連，并在上電時(shí)通過(guò)存儲器接口從外部裝載程序；如果引腳ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ設置為其它電位將會(huì )產(chǎn)生不同的引導模式；另外，４０１芯片有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的低電平有效信號——引導存儲器選擇ＢＭＳ（Ｂｏｏｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ｓｅｌｅｃｔ）簡(jiǎn)化了引導存儲器的接口。以上這些功能極大地方便了ＡＤＭＣ４０１與ＰＳＤ接口。圖４為ＡＤＭＣ４０１與ＰＳＤ３１１的接口電路圖（圖中還包括了一些其它外圍）。ＡＤＭＣ４０１與ＰＳＤ３１１的連接幾乎和它與標準的ＥＰＲＯＭ連接一樣簡(jiǎn)單。由于總線(xiàn)的通路布在ＡＤＭＣ４０１內部，ＰＳＤ３１１的８根數據線(xiàn)并不與ＡＤＭＣ４０１的Ｄ７～Ｄ０相連，而是與Ｄ１５～Ｄ８Ｃ相連。還要注意，地址的最高位由ＡＤＭＣ４０１的Ｄ２２線(xiàn)提供（在ＡＤＭＣ４０１中沒(méi)有Ａ１４地址線(xiàn)）。ＢＭＳ信號充當ＥＰＲＯＭ的片選并與ＰＳＤ３１１的Ａ１９輸入相連接。Ａ１９在ＰＳＤ的程序里將被定義為芯片使能信號。ＡＤＭＣ４０１生成低有效讀和寫(xiě)選通脈沖，它們與ＰＳＤ３１１的ＲＤ和ＷＲ輸入相連。這些選通脈沖在傳輸中用來(lái)選通ＰＳＤ３１１的ＥＰＲＯＭ和ＲＡＭ。ＡＤＭＣ４０１有２Ｋ%26;#215;２４位的內部程序存儲空間。在采用ＥＰＲＯＭ引導程序模式時(shí)（ＭＭＡＰ＝０，ＢＭＯＤＥ＝０），外部程序通過(guò)ＡＤＭＣ４０１內部的定序器按照２４位命令格式一次性全部下載到其內部程序存儲空間。當然應用程序可能大于ＡＤＭＣ４０１內部程序存儲空間，不過(guò)程序如果執行到后面的代碼，ＡＤＭＣ４０１會(huì )自動(dòng)重新引導。引導程序存儲器由八頁(yè)組成，每頁(yè)８Ｋ字節長(cháng)。一頁(yè)中除了第一個(gè)字節外每隔三個(gè)字節是一個(gè)空字節，第一個(gè)字節是該頁(yè)的長(cháng)度，在兩個(gè)相鄰空字節中每組三個(gè)字節包含一個(gè)要裝入ＤＳＰ 內部程序存儲器的２４位指令。也就是說(shuō)２Ｋ%26;#215;２４位的內部程序存儲空間需要８Ｋ%26;#215;８位的外部存儲空間。在ＡＤＭＣ４０１的開(kāi)發(fā)工具中有一個(gè)程序存儲器ＰＲＯＭ分配器實(shí)用程序“ＳＰＬ２１．ｅｘｅ”。它為用戶(hù)程序計算正確的頁(yè)長(cháng)度，并且根據適當的協(xié)議為用戶(hù)程序的字節排序，極大地方便了程序代碼的生成。這些生成的代碼可以直接寫(xiě)入ＰＳＤ３１１。圖4 ADMC401-PSD311接口電路圖２ ８０Ｃ１９６ＫＣ—ＡＤＭＣ４０１兩片系統在ＳＶＧ裝置中的應用 ＳＶＧ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）——靜止無(wú)功發(fā)生器也被稱(chēng)為ＳＴＡＴＣＯＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ），是靈活交流輸電系統ＦＡＣＴＳ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）技術(shù)中一個(gè)重要的基礎部件。雖然ＳＶＧ裝置的成本要高一些，但其靈活的動(dòng)態(tài)調節特性、優(yōu)越的補償效果以及更小的設備體積都是其他無(wú)功補償裝置不能比擬的。很多文獻資料對ＳＶＧ裝置的原理和研制都有介紹。圖５為兩片系統的ＳＶＧ裝置結構圖。 系統共分為三個(gè)主要部分。第一部分是由８０Ｃ１９６ＫＣ—ＡＤＭＣ４０１兩片系統構成的檢測控制部分。８０１９６主要負責人機界面的完成以及向上位機發(fā)送信號等功能。ＡＤＭＣ４０１的高速流水線(xiàn)式的８路Ａ／Ｄ采樣端口也為電壓電流的快速采集提供了保證，同時(shí)ＡＤＭＣ４０１還要完成數字濾波計算、無(wú)功計算、ＰＷＭ控制信號的產(chǎn)生發(fā)送等功能。第二部分是由ＩＧＢＴ模塊構成的逆變電路。ＳＶＧ裝置的關(guān)鍵部件就是它的逆變橋路部分，而ＡＤＭＣ４０１集成的專(zhuān)用６路ＰＷＭ波發(fā)生器正好提供了靈活的控制方法。此外，逆變電路部分采用富士電機最新推出的Ｒ系列ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模塊７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０。它將過(guò)去的ＩＧＢＴ單元、驅動(dòng)電路、保護電路等結合在一個(gè)模塊中，極大地提高了實(shí)際應用系統的穩定性，簡(jiǎn)化了設計的難度，縮小了裝置的體積。第三部分是由電力二極管構成的全波整流電路。整流電路采用日本富士公司的三相全波整流模塊６ＲＩ１００Ｇ－１６０。主要將三相線(xiàn)路上的交流電壓變?yōu)橹绷鬏敵?，從而維持直流電容兩端電壓的穩定，為逆變電路提供一個(gè)直流電。這樣避免了要輕微改變逆變器的觸發(fā)工作角來(lái)達到提高和穩定電容上電壓的情況。電流的檢測是利用ＫＴ１００－Ｐ型電流傳感器完成，電壓的檢測是利用ＣＨＶ－５０Ｐ電壓傳感器完成。輸出顯示部分是用以ＳＥＤ１５２０為驅動(dòng)芯片的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶模塊。以上各部件功能都是通過(guò)對ＡＤＭＣ４０１數字信號處理芯片和８０Ｃ１９６ＫＣ軟件編程實(shí)現。圖5 SVG裝置結構圖８０Ｃ１９６ＫＣ和ＡＤＭＣ４０１組成的兩片系統，應用范圍相當廣泛，非常適合計算量大、多外設、高速度的場(chǎng)合。