DSP+FPGA的并行通信在PWM中的應(yīng)用

左兆文

摘要：目前電力電子系統(tǒng)中，利用DSP完成電力電力開關(guān)管的占空比的計(jì)算，而FPGA完成PWM移相任務(wù)逐漸成為趨勢(shì)。本文介紹了DSP和FPGA的并行通信方式。并行方法利用DSP的外部數(shù)據(jù)總線（XINTF）與FPGA連接。文中給出了并行通信軟件實(shí)現(xiàn)的流程圖，并對(duì)FPGA通信程序進(jìn)行了仿真。通過仿真以及實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了并行通信方法的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：外部數(shù)據(jù)總線;FPGA;并行通信

在電力電子領(lǐng)域中，采用DSP芯片作為主處理器，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，時(shí)基任務(wù)等，充分發(fā)揮了DSP在數(shù)字信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)[1]。而利用FPGA作為從控制芯片，接收來自DSP的發(fā)送的調(diào)制波信號(hào)，主要實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生多路PWM的功能，從而解決了DSP功能引腳數(shù)量不足的劣勢(shì)[2][3]。目前大多數(shù)文獻(xiàn)都沒有對(duì)DSP和FPGA的通信給出在電力電子領(lǐng)域應(yīng)用的具體方法。

針對(duì)上述問題，本文使用TMS320F2812芯片，實(shí)現(xiàn)其與FPGA之間的并行通信。由于控制精度的要求，DSP每次發(fā)送的數(shù)據(jù)都為16位二進(jìn)制數(shù)。在并行通信中，利用外部數(shù)據(jù)總線，將16位數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送，并等待1usFPGA讀數(shù)據(jù)。最后，通過仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了并行通信方法的正確性以及準(zhǔn)確性，并總結(jié)并行方法的優(yōu)勢(shì)[4-5]。

一、并行通信的硬件和軟件設(shè)計(jì)

（一）硬件設(shè)計(jì)

TMS320F2812DSP芯片有16位XINTF數(shù)據(jù)總線XD[0～15]，通常用于擴(kuò)展SRAM、Flash、ADC模塊等。XINTF是F2812與外部設(shè)備通信的重要接口。外部設(shè)備不能控制F2812的外部接口信號(hào)線，只能讀取、判斷信號(hào)線的狀態(tài)，來進(jìn)行相應(yīng)的操作。在系統(tǒng)的控制芯片中，將外擴(kuò)數(shù)據(jù)總線與FPGA的用戶自定義I/O管腳連接，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行發(fā)送。同時(shí)選擇DSP的與FPGA相連接的GPIO引腳，作為FPGA接收數(shù)據(jù)的控制信號(hào)發(fā)送口。DSP的外擴(kuò)XD[0～15]作為并行數(shù)據(jù)發(fā)送的引腳;由于FPGA需要握手信號(hào)作為接收數(shù)據(jù)的使能位，所以選定GPIOA6作為控制信號(hào)引腳。

（二）軟件實(shí)現(xiàn)

由DSP2812的外擴(kuò)接口結(jié)構(gòu)可知，XINTF接口被映射到5個(gè)固定的存儲(chǔ)空間。在軟件設(shè)計(jì)中，選定Zone6區(qū)域，故直接定義外部起始地址為0x100000。與串行通信類似，并行通信亦需要定時(shí)器提供時(shí)基。使用CPU定時(shí)器，并開定時(shí)器中斷，在中斷子程序中完成數(shù)據(jù)的傳輸。CPU 定時(shí)器在初始化階段設(shè)計(jì)為每隔1us產(chǎn)生一個(gè)中斷發(fā)給CPU，使其訪問中斷子程序。在進(jìn)入中斷程序后，首先GPIOA6輸出高電平送至FPGA，表示準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA做好接收讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備;然后，DSP并行16位發(fā)送數(shù)據(jù)。在一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束之后，進(jìn)入下一個(gè)1us中斷，GPIOA6輸出低電平，等待FPGA讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)DSP更新下一個(gè)即將發(fā)送的數(shù)據(jù)。

FPGA在接收來自DSP的控制信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)之后，F(xiàn)PGA開始工作。FPGA中調(diào)制波信息與三角載波信息直接比較產(chǎn)生PWM波形。由于DSP計(jì)算出的占空比為16位定點(diǎn)型數(shù)據(jù)，且其大小范圍為[0，1]，故而將其乘以104轉(zhuǎn)換為整型后，以二進(jìn)制數(shù)據(jù)類型發(fā)送。然后將轉(zhuǎn)換后的整型占空比數(shù)據(jù)的每一位和1做與邏輯運(yùn)算，求出每一位的值，并將其賦值給DSP的GPIO口。同時(shí)DSP輸出一位高電平的握手信號(hào)，表示已經(jīng)開始傳出數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA接收到該I/O口的高電平后，開始接收數(shù)據(jù)。

當(dāng)FPGA收到握手信號(hào)開始接收DSP傳輸?shù)恼伎毡雀碌闹狄院螅枰?jì)算出調(diào)制波的值。將DSP傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)以后，復(fù)原其原有的占空比，乘以三角載波最大值，即為調(diào)制波的值。將調(diào)制波與三角載波比較，即可輸出控制功率開關(guān)管的PWM波，F(xiàn)PGA運(yùn)行產(chǎn)生PWM的工作流程圖如圖1所示。

二、仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2中顯示的是FPGA的仿真波形，CLKIN位FPGA的晶振頻率，CLK0為FPGA的時(shí)鐘信號(hào)，TZB為調(diào)制波，輸出Y為PWM波形。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文中軟件設(shè)計(jì)的正確性，又進(jìn)行了PWM和SPWM的實(shí)驗(yàn)。圖3中為FPGA輸出的PWM和SPWM。

圖3與FPGA仿真波形對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)波形是正確的，說明軟件通信的是有效的。圖3（b）中通道1位雙極性SPWM波形，通道2位一階濾波后的正弦波形。由此說明本文中設(shè)計(jì)的并行通信方法的合理性和有效性。

三、結(jié)論

本文主要研究了DSP+FPGA的并行通信方法。并行通信采用DSP外擴(kuò)數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生PWM和SPWM波形驗(yàn)證了本文提出并行通信方法的正確性和有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)剛峰，方紅，楊維等.采用FPGA實(shí)現(xiàn)同步串行數(shù)據(jù)的并行采集[J].自動(dòng)化儀表，2014，35（9）：84-86.

[2]聶華，劉開華，孫春光等.DSP和FPGA之間串口通信研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2006，29（6）：112-114.

[3]姜楠，馬迎建，馮翔等.DSP和FPGA并行通信方法研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2008，31（10）：146-148.

[4]王會(huì)錦.基于DSP-FPGA的電力機(jī)車輔助逆變器控制系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn)[D].北京交通大學(xué)，2012.

[5]郭偉峰.基于DSP-FPGA全數(shù)字控制的并聯(lián)有源電力濾波器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（5）：123-127.