DSP TMS320F206復位問(wèn)題研究
加入技術(shù)交流群
TMS3206（以下簡(jiǎn)稱(chēng)F206）是TI公司生產(chǎn)的定點(diǎn)DSP芯片TMS320C2XX系列中的一個(gè)成員,F206提供了一個(gè)4.5K字的片內存儲器,片內存儲器操作比外部存儲器具有更高的抗干擾能力、更低的價(jià)格和更低的功耗。此外,F206片內還集成了32K字的閃速存儲器,當系統斷電后,閃速存儲器內容仍保持不變,加電后又可使用。F206的這些特點(diǎn)使得到了廣泛的應用。
在電力故障錄波器的設計中使用了TMS320F206,主要目是是利用它較強的數據處理能力,對電力線(xiàn)路的電壓、電流信號進(jìn)行連續的16點(diǎn)FFT運行（采集點(diǎn)數為64點(diǎn)/周期）,計算出基波及各次諧波含量以便更準確地進(jìn)行故障啟動(dòng)判斷。系統主要由數據采集及邏輯控制、F206（DSP）、硬件監控電路、數據通信接口等部分構成。為了滿(mǎn)足數據存儲及處理的需要,還在F206外擴展了64K字的數據存儲RAM（四片IDT71256高速RAM芯片）。
電力故障錄波器的設計關(guān)鍵在于保證對電力故障信號及時(shí)準確的記錄,系統對實(shí)時(shí)性的要求相當高。此外,由于變電站、發(fā)電廠(chǎng)環(huán)境中的電磁條件十分復雜,加之系統運行的時(shí)鐘頻率較高,極有可能產(chǎn)生干擾和被干擾現象。有鑒于此,為了保證系統運行的實(shí)時(shí)性和穩定性,必須非常小心地進(jìn)行復位及抗干擾設計。
下面就結合基于TMS320F206的故障錄波器的設計體會(huì ),詳細探討DSP復位的特點(diǎn)、對系統運行的影響和需要注意的問(wèn)題。
1 幾種復位方式的討論
對于TM320F206而言,復位是不可屏蔽的外部中斷（中斷矢量地址0000H）,隨時(shí)可用它外F206置于一種已知狀態(tài)。復位是優(yōu)先級別最高的中斷,一般在加電后芯片處于未知狀態(tài)時(shí)對其復位。因為復位信號終止存儲器操作并初始化各硬件狀態(tài)位,所以每次復位后系統應重新運行初始化程序。
在嚴格的意義上,F206的復位源只有一個(gè),即復位引腳RS產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖信號,使芯片復位。為使系統在加電后能正確工作,RS端的低電平有效時(shí)間至少需要6個(gè)時(shí)鐘周期;F206鎖存復位脈沖并產(chǎn)生足夠長(cháng)的內部復位脈沖以確保芯片復位;在RS上升沿后16個(gè)周期,芯片完成對硬件的初始化并從0000H單元開(kāi)始執行第一條指令,通常這里是一條分支到系統初始化程序的跳轉指令。
雖然F206嚴格意義上的復位源只有一個(gè),但根據對復位源的不同操作,F206的復位又可以分上電復位、硬件監復位、軟件復位等幾種不同的方式。
1.1 上電復位
前面已介紹過(guò),對于TMS320F206數字信號處理器而言,為使芯片初始化正確,一般應保證復位端（RS）低電平至少持續6個(gè)時(shí)鐘周期,即當時(shí)鐘為20MHz時(shí)為300ns。但在上電后,系統的晶振往往需要幾百毫秒的穩定期,一般為100ms～300ms。根據這一特點(diǎn),可以使用如圖1中所示的上電復位電路。
1.2 硬件監控復位（看門(mén)狗）
由于TMS320F206的工作時(shí)鐘頻率較高,加之故障錄波器的工作環(huán)境電磁干擾比較嚴重,為保證設備的正常運行,必須設置硬件監控功能。
F206芯片中并沒(méi)有內置看門(mén)狗功能,所以只能使用外部硬件監控電路。在有些DSP的相關(guān)設計資料中經(jīng)常推薦使用MAX706硬件監控芯片,這種芯片具有時(shí)間長(cháng)達1.6s的看門(mén)狗定時(shí)器功能,這具備上電復位和電源監控功能。
但是,根據我們的設計經(jīng)驗和對系統運行的仔細分析,使用MAX706等類(lèi)似的許多硬件監控芯片存在兩個(gè)需要注意的問(wèn)題。第一,看門(mén)狗定時(shí)器的時(shí)間過(guò)長(cháng),MAX706的典型時(shí)間為1.6s,也就是說(shuō),當DSP中的程序運行產(chǎn)生錯誤時(shí),MAX706的典型時(shí)間為1.6s,也就是說(shuō),當DSP中的程序運行產(chǎn)生錯誤時(shí),MAX706要在1.6s（相當于80個(gè)工頻周期）后才能發(fā)出復位信號。第二,監控芯片輸出的復位信號脈沖寬度過(guò)大,MAX706的典型值為200ms（相當于10個(gè)工頻周期）,這主要是為了兼顧上電復位時(shí)對晶振100ms～300ms穩定期的要求。因此,從程序運行產(chǎn)生錯誤到DSP芯片完成復位,將有共1.8s的非受控時(shí)間,這對實(shí)時(shí)性要求很高的電力故障錄波器來(lái)說(shuō)是不能忍受的,如果在此期間電網(wǎng)發(fā)生故障,錄波器將無(wú)法作出正確的反應。很顯然,必須尋找一種具有合適看門(mén)狗定時(shí)器時(shí)間和復位脈沖寬度的硬件監控芯片。
由此看來(lái),硬件監控電路的看門(mén)狗時(shí)間只要大于2ms即可滿(mǎn)足要求,過(guò)長(cháng)的看門(mén)狗時(shí)間是不必要的,對保證裝置的實(shí)時(shí)性也是十分不利的。
根據以上標準,我們選用了MAX6374監控芯片,其看門(mén)狗定時(shí)器時(shí)間可以通過(guò)外部引腳ST2、ST1、ST0的邏輯電平進(jìn)行精確調節,其引腳電平與看門(mén)狗定時(shí)器時(shí)間的關(guān)系如表1所示。
表1 MAX6374引腳電平與看門(mén)狗定時(shí)器時(shí)間的關(guān)系
| ST2電平 | ST1電平 | ST0電平 | 看門(mén)狗定時(shí)器時(shí)間 |
| 0 0 0 0 1 1 1 1 | 0 0 1 1 0 0 1 1 | 0 1 0 1 0 1 0 1 | 3ms 3s 1s 禁止看門(mén)狗功能 30μs 1s 10s 10s |
在此將看門(mén)狗定時(shí)器時(shí)間調節在3ms。
在對MAX6374監控芯片的觸發(fā)操作時(shí),為了保證程序的緊湊和監控的有效,不宜采用在一處發(fā)脈沖的方式,而應該在程序的一點(diǎn)發(fā)出高電平,然后在另一點(diǎn)將電平變低,如此循環(huán)復地觸發(fā)看門(mén)狗定時(shí)器。
MAX6374的復位脈沖寬度為1μs,相當于20個(gè)DSP時(shí)鐘周期（系統采用20MHz有源晶體振蕩器）,完全滿(mǎn)足F206的復位要求。
MAX6374監控芯片沒(méi)有上電復位和電壓監控功能,需要另外設計上電復位電路。
1.3 軟件復位
除了使用硬件監控功能外,在DSP系統的設計中,為了確保程序運行的準確可靠,還經(jīng)常使用軟件復位,即在程序開(kāi)始時(shí)在內存中的特定位置設置標志,在程序循環(huán)或運行的重要位置檢測標志,若標志發(fā)生改變,則判斷系統因干擾或其它原因造成內存中數據錯誤,進(jìn)而發(fā)出軟件復位指令使系統復位,以免造成運行錯誤。
具體在故障錄波器的設計中,我們在片內數據RAM和片外數據RAM中設置了若干檢測標志,在每次程序循環(huán)時(shí)都對標志進(jìn)行檢查。若片外數據RAM中的檢測標志發(fā)生變化,則認為片外數據RAM受到了干擾而產(chǎn)生錯誤;若片內數據RAM中的檢測標志發(fā)生變化,則認為DSP芯片也受到了干擾而產(chǎn)生錯誤。實(shí)際經(jīng)驗表明,片外RAM受干擾發(fā)生錯誤的概率遠大于DSP芯片受干擾時(shí)的情況。
但是,在TMS320F206的指令中,并沒(méi)有軟件復位指令,那么如何實(shí)現軟件復位功能呢？在設計中,我們可以利用程序指令NMI觸發(fā)不可屏蔽中斷NMI進(jìn)行復位操作,注意此時(shí)應該將芯片的NMI引腳通過(guò)上位電阻接至電源正端,以防止意外的中斷。
在這里有兩種利用NMI中斷產(chǎn)生軟件復位的方法：第一種是NMI中斷矢量處或者中斷服務(wù)程序中放置一條無(wú)條件跳轉指令,使程序重新從0000H或指定的程序空間地址開(kāi)始運行,但此時(shí)不影響芯片的任何模式也不中上正在工作的指令和存儲器操作。很顯然,這種軟件復位并非真正意義的的復位操作,而只是進(jìn)行程序初始化。這種方法適用于僅外部數據RAM被干擾時(shí)的情況。
第二種方法是將F206芯片的外部輸出引腳XF引至芯片的復位輸入端RS,在NMI中斷服務(wù)程序中將XF端置零以產(chǎn)生硬件復位信號（這里需要特別指出的是,XF端的芯片復位期間及復位后狀態(tài)為1）。顯然,此時(shí)芯片的復位操作與上電復位相同。這種方法適用于內部數據RAM被干擾時(shí)的情況。
綜上所述,可以將幾種在DSP運行時(shí)產(chǎn)生復位的方式列表比較,如表2所示。
表2 幾種復位方式比較
| 硬件監控復位 | 軟件復位方式1 | 較件復位方式2 | |
| 是否進(jìn)行硬件初始化 | 是 | 否 | 是 |
| 對干擾的反應時(shí)間 | 長(cháng) | 短 | 較短 |
| 對程序運行連續性的影響 | 大 | 小 | 大 |
| 抗干擾處理能力 | 強 | 弱 | 較強 |
在程序設計中綜合采用以上幾種復位方式,完整的系統復位原理圖（包括電復位）如圖1所示。
圖中,在F206的復位端（RS）接一個(gè)或門(mén)的主目的是為了將幾種低電位的復位信號隔離起來(lái),不至于互相影響。
2 進(jìn)一步的說(shuō)明
?。?）在基于TMS320F206的電力故障錄波器設計中綜合使用了本文中討論的復位方法,其目的是在電磁干擾比較嚴重的工作條件下盡量保證裝置運行的實(shí)時(shí)性和可靠性。但是,在一般的DSP系統設計時(shí)可以有選擇地加以運用,而非需要全部使用到。實(shí)際上,在許多情況下,只要工作環(huán)境不是十分惡劣,并且印制板和軟件設計合理,DSP系統不采用外部硬件監控也可以非常穩定地工作。
(2)雖然本文中的討論是圍繞TMS320F206展開(kāi)的,但其思想也適用于TMS320F2XX和TMS320F24X兩個(gè)系列的其它型號的DSP。需要指出的是,主要用于控制領(lǐng)域的TMS320F24X芯片中自帶了硬件監控電路而不需要外加。
?。?）選擇看門(mén)狗定時(shí)器時(shí)間必須充分考慮到程序設計中的中斷嵌、查詢(xún)等待、外部低速器件（如液晶顯示屏）等影響程序完成一個(gè)循環(huán)所需時(shí)間的各種因素并留有余量,否則會(huì )產(chǎn)生意外的看門(mén)狗復位,具體時(shí)間應由試驗決定。在設計初始階段最穩妥的辦法是在監控芯片的時(shí)間選擇端設置撥位開(kāi)關(guān),以便根據實(shí)際情況進(jìn)行選擇。
評論