采用電力電子應用平臺DSP通用板的設計原理

摘要：隨著(zhù)電力電子市場(chǎng)需求與日俱增,為了縮短電力電子硬件設計的開(kāi)發(fā)時(shí)間，本文設計開(kāi)發(fā)了DSP56F803通用板作為各種電力電子應用的硬件開(kāi)發(fā)平臺。為了增強它的應用靈活性，該通用板在擴展出DSP主要功能模塊的同時(shí)，通過(guò)采用復雜可編程邏輯器件XC95XL144實(shí)現各種保護邏輯以及輸入輸出口的擴展功能.DSP和CPLD綜合利用作為通用板的核心是本文設計的主要特色。

引言

為了與電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展同步, 同時(shí)提高電力電子硬件開(kāi)發(fā)的模塊化，縮短硬件開(kāi)發(fā)的時(shí)間，本文設計開(kāi)發(fā)了DSP56F803通用板作為各種電力電子應用的硬件開(kāi)發(fā)平臺。此外，復雜可編程邏輯器件CPLD具有可編程性強和應用靈活的特點(diǎn)，可以極大的降低系統開(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期。為了提高該通用板的應用靈活性，本文采用Xilinx公司的高性能低電壓的復雜可編程邏輯器件CPLD XC95XL144 實(shí)現了各種保護邏輯以及四組輸入輸出口的擴展,DSP56F803和XC95XL144的綜合應用作為通用板的核心部分是本文設計的主要特色。

電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，電力電子控制裝置也廣泛應用于各種領(lǐng)域。例如：不停電電源、開(kāi)關(guān)電源、機車(chē)輔助電源、蓄電池充電放電、電子模擬負載、電力機車(chē)、電傳動(dòng)內燃機車(chē)等。此外，在有些國家，例如丹麥、德國、美國等，電力電子控制并網(wǎng)逆變器已經(jīng)逐步應用于太陽(yáng)能發(fā)電以及風(fēng)能發(fā)電裝置與電力系統的連接。

1 設計思想

本文設計通用板遵循的主要原則是在滿(mǎn)足功能盡量全面的同時(shí)提高抗干擾能力和應用靈活性，這樣可以大大的降低電力電子應用的硬件開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高應用穩定性。本文設計的通用板綜合使用DSP和CPLD作為核心部分，開(kāi)發(fā)了豐富靈活的外圍電路。本文首先基于Xilinx Foudation 3.li軟件用硬件描述語(yǔ)言VHDL編程進(jìn)行仿真綜合，最后，本文采用了Xlinx公司的XC95XL144高性能的可編程邏輯器件CPLD 實(shí)現了各種保護邏輯以及四組輸入輸出口的擴展。

設計DSP通用板時(shí)首先考慮是應該擴展的功能模塊。1、脈寬調制技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于各種電力電子控制場(chǎng)合，因此首先擴展了脈寬調制模塊PWM的輸出。DSP56800系列的PWM的頻率和占空比可以連續變化，這樣可以實(shí)現無(wú)級變頻調速。2、電力電子控制必然要采樣各種電壓、電流信號，因此，本文擴展了DSP的8路12位模數轉換模塊ADC。3、目前大部分的電力電子控制需要進(jìn)行DSP與DSP或DSP與PC機的通信，因此本文擴展了異步串行通信模塊SCI，為了提高抗干擾能力，增長(cháng)傳輸距離，實(shí)現遠程監控，本文采用RS-485差分通信。4、越來(lái)越多的電力電子裝置是并網(wǎng)運行的，因此需要檢測電網(wǎng)的過(guò)零點(diǎn)和周期，本文擴展了定時(shí)器模塊TIMER，它的接口可用于各種信號的過(guò)零點(diǎn)和周期檢測。5、電力電子應用一般只需要記錄少量的故障數據，因此本文僅擴展了64K鐵電非易失性存儲器FM24CL64，它讀寫(xiě)只需要兩根線(xiàn)，而且讀寫(xiě)沒(méi)有延時(shí)。6、一般的系統都會(huì )有時(shí)鐘，記錄故障時(shí)同時(shí)記錄故障發(fā)生的時(shí)刻，以備分析故障數據。本文擴展了實(shí)時(shí)時(shí)鐘X1226，它和FM24CL64共用時(shí)鐘線(xiàn)和讀寫(xiě)信號線(xiàn)，只是兩個(gè)器件的物理地址不同。7、最后，本文還擴展了電源監測和硬件看門(mén)狗芯片MAX706RESA。MAX706.pdf MAX707.pdf MAX708.pdf

DSP56F803和XC95XL144的接口主要包括電力電子主電路檢測到的過(guò)壓、過(guò)流保護信號通過(guò)CPLD的邏輯操作后觸發(fā)DSP外中斷或PWM出錯保護引腳PWMFAULT來(lái)實(shí)現保護功能；利用低位地址線(xiàn)和低位數據線(xiàn)來(lái)擴展輸入輸出口。

DSP56F803外設模塊的子程序的編寫(xiě)采用Embedded SDK，因為它提供各種外設模塊的驅動(dòng)程序和接口，即使不需要熟悉DSP的內部硬件結構也可以方便的使用。對于DSP56F803對XC95XL144的讀寫(xiě)操作，本文根據DSP56800系列匯編指令集，開(kāi)發(fā)自己的SDK軟件包。

2 硬件設計

印制電路板（PCB）的抗干擾設計與具體電路有著(zhù)密切的聯(lián)系，在設計通用板的硬件時(shí)，本文充分考慮了抗干擾設計的要求。為了提高通用板的穩定性以及抗干擾能力，本文設計了高速四層板，中間兩層分別鋪電源和地，上下兩個(gè)表面走信號線(xiàn)。為了提高電源和地的抗干擾能力，數字電源和模擬電源之間以及數字地和模擬地之間使用磁珠相連，模擬地和模擬電源以及數字地和數字電源之間連接電容。為了消除公共阻抗耦合，每個(gè)芯片的關(guān)鍵部位都配置了容量適當的去藕電容。

圖一：DSP通用版硬件結構圖

2.1核心芯片介紹

本文采用的DSP是DSP56800系列數字信號處理器中的DSP56F803。DSP56800系列采用哈佛結構，將程序空間和地址空間分開(kāi)編址，這樣在處理數據空間運算與數據傳輸的同時(shí)可以并行的從程序空間讀取下一條指令，提高處理速度。DSP56800系列數字信號處理器具有豐富的I/O口和多種外圍設備。DSP芯片上集成了通用輸入輸出模塊GPIO、異步串行通信模塊SCI、脈寬調制模塊PWM、模數轉換模塊ADC、同步串行通信模塊SSI、控制局域網(wǎng)模塊CAN2.0A/B、定時(shí)器模塊TIMER等多種外設模塊，實(shí)現完全的單片化。

XC95XL144是Xilinx公司推出的一款高性能低電壓的可編程邏輯器件，它共有100 個(gè)引腳，內部集成了3200個(gè)典型可用門(mén)，有144個(gè)邏輯單元，74個(gè)可用I/O口，可單獨配置為輸入、輸出及雙向工作方式，3個(gè)全局時(shí)鐘及3個(gè)全局使能端和1個(gè)全局清除端，它支持3.3V和2.5V電壓工作，其傳輸延時(shí)僅為5 ns。同時(shí)，XC95XL144支持在線(xiàn)編程，程序通過(guò)JTAG接口下載，使用簡(jiǎn)單方便。