一種功能模塊化的DSP實驗裝置的設計

尹維春

摘 要：結合《DSP原理及應用》課程在電氣工程的應用背景，充分考慮了電子產品特別是DSP芯片的更新換代的加快，原有的實驗裝置中采用的DSP逐漸退出實際應用，在實驗教學中反映出實驗箱集成度過高不便于學生使用和實驗室維護的情況，設計采用TMS320F28027為控制核心板和具有DSP應用特點的實驗項目，并將實驗裝置模塊化電路設計的實驗裝置，從而提高實驗裝置的應用性，提高了學生學習熱情的同時也大大降低了實驗裝置的破損率。

關鍵詞：DSP TMS320F28027 功能模塊化

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0012-02

《DSP原理及應用》是一門理工類院校普遍開展的高級電子技術應用課程，原因在于DSP（Digital Signal Processor）技術應用在電子信息、綠色能源、自動控制、智能儀器和信息家電等高科技領域獲得了越來越廣泛的應用。在國內DSP應用領域中占有份額最大的DSP芯片廠家的是德州儀器（TI），大致分為C2000、C5000和C6000三個系列DSP。C2000系列DSP用于工業控制檢測和監控，C5000系列更多應用于語音處理，C6000應用于圖像處理。文中提出的DSP是C2000系列面向具有能源電力應用背景的DSP[1]。《DSP原理及應用》這門課程開設的對象一般是本科專業三年級或者研究生，具備了完善的模擬電子技術、電路、數字電子技術和單片機等課程基本理論能夠學習和掌握更加高級的電子技術。該文提出的功能模塊化的實驗裝置主要針對傳統實驗箱的功能、使用以及實驗室維護等方面的不足，面對電子產品不斷更新換代能夠使DSP教學緊跟DSP實際應用，通過模塊化設計使實驗裝置更便于實驗教學和維護，也便于學生的學習和使用。

1 傳統箱柜實驗平臺的不足

通常實驗箱由一塊實驗板構成，或者DSP最小系統板加上功能實驗模塊總板構成，例如圖1所示現有DSP實驗箱結構，就是由TMS320LF2407A最小系統板和外圍電路模塊總板構成，實驗箱的所有模塊包括電源模塊、信號產生電路、AD調理電路、顯示電路、CAN總線電路、D/A轉換模塊以及指示燈和按鍵等電路都在一塊實驗板上，優點是結構緊湊易于整理，這樣的實驗平臺是現在商品化實驗教具的主要形式。但在實驗教學當中經常會遇到這樣的問題，就是具體電路分析不清晰，實驗箱統一上電，那么各個模塊都是處于待機狀態的，各個模塊直接就存在著信號混雜的現象。雖然在電路總板上也畫出了相應電路的區域，但講解具體電路時，學生面對一個整體電路板，看不到實際連線無法準確分析具體功能模塊電路。

如圖2所示的現有實驗箱的功能結構圖。

2 DSP芯片的選擇

《DSP原理及應用》課程開設的目標在于培養學生應用高級電子技術進行工業控制的能力，C2000系列DSP具有TMS320C2000系列DSP具有的數字信號處理能力，又具有強大的事件管理器能力和嵌入式控制功能，基于業內領先的C28xCPU的32位微控制器，CPU擁有一個功率信號處理引擎，能夠處理嚴苛的閉環任務，從而讓設計人員能夠改善系統效率、可靠性和靈活性。非常適用于電機控制、數字電源、太陽能、照明領域、逆變器、風力發電等綠色能源應用領域也將得到廣泛應用[2]。隨著電子技術的飛速發展，TI已經開始把C2000系列DSP列為高性能MCU，但工業應用依然把C2000系列控制器視為DSP，主要包括PiccoloTM系列的F2802x/3x/5x/6x/7x等、DelfinoTM系列的F2833x/F2837x等以及定點F280x/1x等DSP。做為基礎理論教學應用，采用Piccolo系列DSP既可以簡化實驗設備又能出色完成實時控制任務，使學生能更方便的學習而把實驗室學習延伸至實驗室外，使實驗器材口袋化。文中設計采用Piccolo F28027為例進行實驗裝置的設計。

2.1 PiccoloTM 系列DSP的特點

PiccoloTM DSP具有低成本、高集成度32位微控制器，采用最新的架構技術和增強型外設，能夠承擔通常相同成本應用難以承擔的32位實時控制功能的優勢。如圖1所示實驗箱中的DSP芯片為TMS320F2407A已經不再生產，但它的功能和性能完全可以由Piccolo F28027替代，而1.85美元的價格會大大拉低整個應用電路的成本。

Piccolo F28027具有以下主要性能[3]。

（1）60M高性能32位CPU（TMS320C2

8xTM）；

（2）3.3V供電，集成上電復位掉電保護；

（3）3個32位CPU定時器；

（4）12位A/D轉換器件；

（5）增強的控制外設：8個PWM輸出端口，4個高分辨率脈寬調制模塊（HRPWM）。

2.2 F28027控制板的設計

F28027 DSP控制板的設計非常簡單，TI提供了標準的設計參數，可以通過Protel等課程設計來讓學生自行設計和制作，更能調動學生的學習熱情。控制板原理圖如圖3所示，需要重點注意電源電路的電壓轉換，復位電路和JTAG電路中的器件參數。

圖4為焊接后的F28027電路板，和TI大學計劃的Launch Pad板相似，所不同的地方在于使用外接仿真器，實驗室在應用中使用XDS100V2仿真器進行實驗。

3 具有典型特點功能模塊化的電路設計

設計新型DSP芯片的核心板、功能電路板最小系統的開放性設計和針對各個實驗項目的PCB的制作，將整個實驗系統模塊化并分解為電路模塊做成獨立的實驗板卡，實驗中選取核心板和該項目實驗的板卡采用連接母板進行連接。

有源逆變技術目前使用最多的逆變電路是SPWM逆變電路，應用等面積法和規則采樣法對SPWM逆變電路進行數字化控制，實現對逆變電路的控制，能夠體現DSP技術的優越性[4]。

逆變電路開關管選用功率管IRF640，為了保證IRF640可靠關斷和開啟通常使用柵極驅動電路。考慮到逆變電路多為橋式開關電路，設計中使用IR2110這樣集成芯片。DSP輸出信號經過光耦隔離后接入主電路的HIN和LIN端口，做到電氣隔離，可以保護DSP。

驅動電路如圖5所示。圖中開關管Q1和Q2選用IRF640，柵極電阻RG1和RG2可以使用50 Ω電阻。

4 結語

作為一門工程應用性非常強的課程，如何能讓學生盡快掌握DSP技術的應用和開發是每個教師思考的重點。通過綜合設計具有應用特點的實驗項目讓學生有興趣學習，并適應學生的學習特點逐步改善實驗設備，分解呆板的實驗箱為靈活應用的模塊化的功能電路，使實驗應用更豐富，也大大提高了實驗設備的可用性，減少了因為局部電路的損壞而報廢整個實驗箱的情況，口袋化的實驗裝置可以把學生的學習延伸至實驗室外。

參考文獻

[1] 寧改娣，曾翔君，駱一萍.DSP控制器原理及應用[M].北京：科學出版社，2009.

[2] 徐科軍，陶維青，汪海寧.DSP及其電氣與自動化工程應用[M].北京：清華大學出版社，2010.

[3] TMS320F28027，Piccolo Microcontrollers Data Manual[S].SPRS5231，Texas Instruments，2012.

[4] 林欣.功率電子技術[M].北京：清華大學出版社，2009.