基于 DSP和单片机的电源实时信号处理系统
时间：03-11
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1 引言
在同步辐射应用领域内，加速器具有特殊的运行方式，它要求给磁铁系统供电的稳流电源动态稳定性必须优于1acute;10-4，输出电流纹波要小于5acute;10-4。所以现针对磁铁电源，研制开发一套基于DSP技术的多路电源动态参数监控系统，可对电源进行遥控操作和实时显示其状态，同时实现对整个电源纹波、电网电压的实时监控、记录，并对纹波、电网电压进行频谱分析。
2 系统组成框图
本系统主要由单片机80C196、可编程单片机外围芯片PSD4235和DSP芯片TMS320VC5402构成。它们之间的通信通过16位的双口RAM（IDT公司的ID7133）来实现。
80C196和PSD4235主要完成人机接口的功能，包括液晶显示、电源状态开关量输入、输出电源控制操作、CAN总线通信及系统实时时钟。TMS320VC5402则主要负责处理数据，对电源纹波和电网电压进行频谱分析；其主要资源有8路A/D、SRAM、FLASH、总线驱动和锁存等。
双口RAM在系统中的功能是将80C196接收到的外界数据交给TMS320VC5402，同时TMS320VC5402需要显示或通信的数据也通过它送给80C196。其结构示意图见图1所示。
图1 系统结构示意图
3 系统的主要硬件
3.1 PSD4235G2芯片
WSI公司的PSD4235G2将存储器、I/O端口、PLD等单片机集成于一个芯片中。能与多路复用16位总线的Intel 80C196直接接口，大大简化了硬件电路，使系统的设计、完善变得十分方便.
PSD4235G2内部集成了4Mbit闪速存储器，64Kbit SRAM，具有16个输出微单元和24个输入微单元的CPLD，译码PLD，52个单独可配置I/O端口引脚，内置符合JTAG的串行接口。在系统中，它与80C196的硬件连接如图2所示。
图2 80C196与PSD4235硬件接口图
3.2 CAN通信电路
CAN总线具有通信速率高、可靠性高、连接方便和性能价格比高等优点。CAN接口由独立控制器SJA1000和CAN控制器接口82C250组成，在这两者之间接6N137高速光耦，用DC-DC变换器隔离电源，提高抗干扰能力。
3.3 实时时钟电路
系统选用实时时钟芯片DS12887，它是目前主流芯片。
3.4 双口RAM器件
系统选用了IDT公司的高速2K×16 位的双口RAM产品 IDT7133，其最高速度可以达到20ns。控制线和I/O线是完全独立的两个接口，可以对两个端口进行完全异步的读写操作。当两个接口同时对存储器的同一单元进行操作时，IDT7133的忙逻辑BUSY将会有硬件指示。
3.5 DSP处理器
DSP是整个系统数据处理的核心器件。我们采用了TI公司的TMS320VC5402。它工作速率可达100MIPS，具有先进的多总线结构（1条程序总线、3条数据总线、4条地址总线），内置4K×16bitROM和16K×16bitRAM。C5402具有高性能、低功耗和低价格等特点。图3 所示为DSP的地址总线与数据总线布局。
C5402采用3.3V和1.8V电源供电，其中I/O采用3.3V供电，芯片的核采用1.8V供电。而实际常用的只有5V电源，所以选用了TPS767D301电源转换芯片，可由5V转化为3.3V和1.8V。
外部存储器是DSP系统中最主要的部件之一。系统选用AM29LV400B（256K×16bit）作为 FLASH MEMORY，它存取速度快，最高可达到55ns；读写寿命长，可重复10万次。同时选用CY7C1021（64K×16bit）作SRAM，它是采用CMOS工艺制成，访问速度可达12ns。
同时，由于DSP的地址总线与数据总线的驱动能力是有限的，当负载比较大时，需要对它的负载能力进行扩展，以保证系统能稳定工作。并且DSP的输入、输出口也有限，往往需要进行扩展。所以，我们选用SN74LVTH16244和SN74LVTH16245作总线驱动和隔离。
电源的模拟信号经过A/D芯片MAX125（8通道14位带并行输出）转换后，变成数字信号送入C5402内进行傅里叶变换，计算信号的频谱。
4 系统的软件设计
系统的软件主要包含单片机80C196和DSP两大部分，采用C语言和汇编语言混合编程。单片机MCU与DSP之间通过双口RAM交换数据。MCU软件主要是系统I/O、与DSP通信、LCD显示驱动、键盘扫描、时钟日历等程序。
图3 DSP的地址总线与数据总线布局图
DSP软件主要包含科学计算程序、数据采集程序、FLASH管理、与MCU通信等。
5 结论
经过实验证明,根据本文内容设计并实现的电源动态参数监控系统，在实际运用中是可行有效的。
参考文献
[1] 王念旭等. DSP基础与应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社，2001.8.
[2] 戴逸民等. 基于DSP的现代电子系统设计. 北京：电子工业出版社，2002.5.
[3] TMS320C5X User’s Guide. Texas instruments，1990.
在同步辐射应用领域内，加速器具有特殊的运行方式，它要求给磁铁系统供电的稳流电源动态稳定性必须优于1acute;10-4，输出电流纹波要小于5acute;10-4。所以现针对磁铁电源，研制开发一套基于DSP技术的多路电源动态参数监控系统，可对电源进行遥控操作和实时显示其状态，同时实现对整个电源纹波、电网电压的实时监控、记录，并对纹波、电网电压进行频谱分析。
2 系统组成框图
本系统主要由单片机80C196、可编程单片机外围芯片PSD4235和DSP芯片TMS320VC5402构成。它们之间的通信通过16位的双口RAM（IDT公司的ID7133）来实现。
80C196和PSD4235主要完成人机接口的功能，包括液晶显示、电源状态开关量输入、输出电源控制操作、CAN总线通信及系统实时时钟。TMS320VC5402则主要负责处理数据，对电源纹波和电网电压进行频谱分析；其主要资源有8路A/D、SRAM、FLASH、总线驱动和锁存等。
双口RAM在系统中的功能是将80C196接收到的外界数据交给TMS320VC5402，同时TMS320VC5402需要显示或通信的数据也通过它送给80C196。其结构示意图见图1所示。
3 系统的主要硬件
3.1 PSD4235G2芯片
WSI公司的PSD4235G2将存储器、I/O端口、PLD等单片机集成于一个芯片中。能与多路复用16位总线的Intel 80C196直接接口，大大简化了硬件电路，使系统的设计、完善变得十分方便.
PSD4235G2内部集成了4Mbit闪速存储器，64Kbit SRAM，具有16个输出微单元和24个输入微单元的CPLD，译码PLD，52个单独可配置I/O端口引脚，内置符合JTAG的串行接口。在系统中，它与80C196的硬件连接如图2所示。
3.2 CAN通信电路
CAN总线具有通信速率高、可靠性高、连接方便和性能价格比高等优点。CAN接口由独立控制器SJA1000和CAN控制器接口82C250组成，在这两者之间接6N137高速光耦，用DC-DC变换器隔离电源，提高抗干扰能力。
3.3 实时时钟电路
系统选用实时时钟芯片DS12887，它是目前主流芯片。
3.4 双口RAM器件
系统选用了IDT公司的高速2K×16 位的双口RAM产品 IDT7133，其最高速度可以达到20ns。控制线和I/O线是完全独立的两个接口，可以对两个端口进行完全异步的读写操作。当两个接口同时对存储器的同一单元进行操作时，IDT7133的忙逻辑BUSY将会有硬件指示。
3.5 DSP处理器
DSP是整个系统数据处理的核心器件。我们采用了TI公司的TMS320VC5402。它工作速率可达100MIPS，具有先进的多总线结构（1条程序总线、3条数据总线、4条地址总线），内置4K×16bitROM和16K×16bitRAM。C5402具有高性能、低功耗和低价格等特点。图3 所示为DSP的地址总线与数据总线布局。
C5402采用3.3V和1.8V电源供电，其中I/O采用3.3V供电，芯片的核采用1.8V供电。而实际常用的只有5V电源，所以选用了TPS767D301电源转换芯片，可由5V转化为3.3V和1.8V。
外部存储器是DSP系统中最主要的部件之一。系统选用AM29LV400B（256K×16bit）作为 FLASH MEMORY，它存取速度快，最高可达到55ns；读写寿命长，可重复10万次。同时选用CY7C1021（64K×16bit）作SRAM，它是采用CMOS工艺制成，访问速度可达12ns。
同时，由于DSP的地址总线与数据总线的驱动能力是有限的，当负载比较大时，需要对它的负载能力进行扩展，以保证系统能稳定工作。并且DSP的输入、输出口也有限，往往需要进行扩展。所以，我们选用SN74LVTH16244和SN74LVTH16245作总线驱动和隔离。
电源的模拟信号经过A/D芯片MAX125（8通道14位带并行输出）转换后，变成数字信号送入C5402内进行傅里叶变换，计算信号的频谱。
4 系统的软件设计
系统的软件主要包含单片机80C196和DSP两大部分，采用C语言和汇编语言混合编程。单片机MCU与DSP之间通过双口RAM交换数据。MCU软件主要是系统I/O、与DSP通信、LCD显示驱动、键盘扫描、时钟日历等程序。
DSP软件主要包含科学计算程序、数据采集程序、FLASH管理、与MCU通信等。
5 结论
经过实验证明,根据本文内容设计并实现的电源动态参数监控系统，在实际运用中是可行有效的。
参考文献
[1] 王念旭等. DSP基础与应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社，2001.8.
[2] 戴逸民等. 基于DSP的现代电子系统设计. 北京：电子工业出版社，2002.5.
[3] TMS320C5X User’s Guide. Texas instruments，1990.
- IR2110驱动电路的优化设计(03-15)
- 基于CAN通信的电源监控系统的设计(04-06)
- 浅谈LDO的压差（Dropout）和功耗（Power Dissipation）(02-07)
- TPS54350在信号处理系统中的应用(06-09)
- AD7656的原理及在继电保护产品中的应用(06-18)
- 基于Motorola M12 GPS接收机实现继电保护同步检测(06-11)