工業控制技術的不斷發展，使得各種應用領域對工也控制系統的要求越來越高。更快的響應速度，更高的控制精度，更好的實時性是用戶不斷的要求和控制系統廠商不斷追求的目標。作為控制系統的重要環節，模擬量輸出控制器的主要功能是接受PC機和各類通信設備發出的指令信號，通過內部邏輯算法和硬件電路得到相應的模擬量值，用來控制伺服閥的開度，從而控制工藝運行狀態。模擬量輸出控制器的執行速度、輸出精度關系著整個控制系統的控制質量。目前模擬量輸出控制器主要是通過單片機和各種專用的芯片/電路，如專用的定時器，D/A轉換電路，通信模塊等配合實現的。但是由于單片機存在運行速度較慢、數據處理能力較弱以及內部資源不夠豐富等固有的缺點，使得利用單片機所得到模擬量輸出控制器的性能越來越達不到要求。

為從根本上解決此問題。本文以TI公司DSP芯片TMS320F2801為核心，結合DSP豐富的片內外設功能、流水線結構以及高效的特殊指令等優點，設計出模擬量輸出控制器。


一 基于TMS320F280x的模擬量輸出控制器的系統方案
數字信號處理系統是以數字信號處理為基礎，與通用微處理器相比，DSP有以下優點：
（1）存儲器結構：DSP采用哈佛結構，程序和數據存儲器在兩個分開的空間中，因此取指令和執行能完全重疊運行，進一步提高運行速度和靈活性。
（2）流水線結構：將指令的執行分解為取指令、譯碼、取操作數和執行等幾個階段。在程序運行過程中，不同指令的不同階段在時間上是重疊的。流水線結構提高了指令執行的整體速度。
（3）硬件乘法累加單元：DSP處理器適用專門的硬件來實現單周期乘法，并使用累計器寄存器來處理多個乘積的累加，同時DSP的指令集都包含有MAC指令。
（4）零開銷循環：DSP有專門支持循環結構的硬件，使得在循環計數、條件轉移等循環機制處理時無需花費任何時間。
（5）特殊的尋址方式：DSP支持特殊的尋址方式，從而減小遇到此部分尋址方式時的處理時間。
（6）高效的特殊指令：DSP指令集設計了特殊的DSP指令用于專門的數字信號處理操作。提高指令執行的并行度，加快完成此操作的速度。
（7）豐富的片內外設：根據應用領域的不同，DSP芯片內集成了多種類型的內外設。豐富的內外設提高了處理速度和數據吞吐能力、簡化了接口設計，同時降低了系統功耗并節約了電路板空間。
本次設計中應用的芯片為TMS 320F2801。芯片內部具有16kB的Flash， 12kB的SARAM。由于采用哈佛結構、指令流水線操作、硬件乘法/累加器功能以及多種尋址方式使得芯片的操作速度大大增加。芯片提供PLL鎖相環模塊用來控制DSP內核的工作頻率，使得芯片內核的執行速度可達到100Mb/s。同時，TMS320F2801提供豐富的PWM資源，包括6路的EPWM波和2路的APMW波，從而實現8路PWM的模擬量輸出功能。

二 模擬量輸出控制器的硬件設計與實現
本模擬量輸出控制器的系統結構如圖1。
系統主要由DSP TMS320F2801、PWM轉換D/A電路、自檢信號轉換電路、電源電路、看門狗電路、CAN接收器等幾部分組成?？紤]到模擬信號對數字信號的干擾，需要對模擬信號進行隔離，故硬件電路中加入光電耦合電路和高精度線性光耦電路對模擬側信號和數字側信號進行隔離。模擬量輸出控制器的工作原理如下：控制器通過CAN通信接收到外部設備（包括PC機和支持通信協議的各種設備）下發的輸出指令信號，DSP經過邏輯分析和運算設定8路PWM輸出，然后通過PWM轉換D/A電路得到現場信號所需要的模擬量輸出值。同時，控制器會對產生的模擬量輸出值進行自檢，通過自檢信號轉換電路傳送至DSP的A/D采樣通道。這樣，形成閉環控制，實時有效地控制模擬量輸出信號。

三 電源供電電路的設計
TMS320F2801供電為兩部分：內核供電1.8V和外核供電3.3V。芯片對于上電次序有著比較嚴格的要求，要求內核上電的時間必須提前于或者同時于外核上電的時間。
此次設計中，為滿足TMS320F2801的上電要求，電源芯片選用TPS70151帶上電次序的雙電源管理芯片。TPS70151芯片輸入電壓為+5V，提供雙電源輸出，分別為3.3V和1.8V。通過電源管理芯片，用戶可通過控制芯片上的SEQ端改變兩路電源的上電順序。在本次設計中，TPS70151芯片的SEQ端上拉，使得Vout2（1.8V）先上電，然后Vout1（3.3V）后上電，從而滿足DSP芯片上電順序的要求。

四 PWM輸出產生方式及D/A轉換電路的設計
TMS320F2801芯片提供大量外設功能供用戶滿足不同的要求。通過對芯片內部的增強型脈寬調制模塊（EPWM）的設置可得到6路EPWM波形。同時，增強型捕獲模塊可以產生2路APWM波形。這樣，模擬量輸出控制器可產生8路PWM輸出波形。
本設計中，通過光電耦合芯片將數字側和模擬側信號完全隔離。轉換后的PWM波形經過RC濾波穩壓和電流串聯負反饋電路維持負載上的恒定電流。PWM經過二級RC濾波，穩壓成平均電壓Vi。Vi經過電壓跟隨電路以及電流串聯負反饋電路產生最終的電流輸出。

五 DSP及總線擴展電路的設計
由于TMS320F2801芯片上包含35根GPIO口線，其中很大一部分為復用口線。TMS320F2801的GPIO端口為單方向端口，即只能配置為數字量輸入功能和數字量輸出功能。這樣就導致了在實際應用中，GPIO的數量不足帶來很大的設計缺陷。故此次設計通過外擴74HC139、74HC245和74HC574來彌補GPIO數量不足的缺點。

六 自檢電路的設計
由于模擬量輸出控制器是現場回路的中心部件，控制器所提供的輸出電流和輸出電壓的大小和穩定性直接關系著現場用電設備的工作。故對控制器輸出的信號的正確性和品質需要進行監測，從而形成閉環控制環節。在此次設計中，外部信號的自檢通過TMS320F2801芯片內部自帶的A/D通道進行監測。將控制器的輸出信號通過線性光耦進行回采，得到與控制器輸出信號一致的差分電壓。此電壓通過芯片內部的A/D通道進行采樣，告知控制器內部的DSP處理器當前輸出信號的正確性與數值大小。當輸出信號發生故障時，采樣值也會發生變化，控制器程序進行預設的故障處理程序，告知用戶相關報警信息并做出相應的處理。

七 控制器的軟件設計
1. 整體軟件流程
TMS320F2801的軟件在CCS（C2000）編譯開發環境編寫。CCS（C2000）支持匯編語言和C語言，便于移植和有很強的易讀性。
基于DSP芯片的模擬量輸出控制器軟件開發主要包括4個子模塊：初始化模塊、通信模塊、PWM輸出控制模塊、自檢模塊。
程序的軟件流程見圖2?？刂破魃想娭?，進行控制器的初始化工作。當初始化完成后，控制器進入主循環。CAN通信程序為中斷程序，當外部設備下發通信數據時，模擬量輸出控制器檢測到新的CAN數據產生，引發中斷子程序，并將CAN數據進行緩存，中斷結束。TMS320F2801判斷通信數據是否正確以及數據是否與當前輸出數據一致，根據判斷的結果，通過PWM電路和D/A轉換電路得到與指令信息相符的模擬量信號。在輸出模擬量信號之后，通過自檢電路采集現場輸出端子的信號量值，判斷輸出信號是否與CAN下發的指令信息相匹配，提供相關的診斷信息和報警信息，并進行相應操作。
2. 初始化模塊
控制器的初始化過程主要包括5個部分：初始化變量及寄存器、DSP初始化、冷熱啟動判斷、熱啟動初始化、看門狗初始化。初始化過程完成對控制器內部硬件電路、DSP芯片的相關參數的設置。
3. CAN通信模塊
TMS320F2801芯片具有豐富的外設通信接口，包括CAN、SPI、I2C、SCI。本次設計中，模擬量輸出控制器通過CAN通信接口與外部設備相連。對于模擬量輸出控制器來說，只要符合CAN通信協議的設備，包括各種儀表和安裝CAN驅動的PC機，都能控制模擬量輸出控制器輸出信號的大小，并接收控制器的報警信息。
在CAN通信的設計中，應注意以下幾個問題：
（1）CAN內部寄存器都是32位的。只有32位的讀寫才能保證安全，16位或者單個位的讀寫存在破壞寄存器內容的潛在可能，所以對寄存器的讀寫應通過映射寄存器進行設置。
（2）在使用CAN模塊前，必須進行初始化操作，設置波特率、PWM周期參數。
（3）關鍵寄存器是受EALLOW保護的，這樣為了防止不經意的改變。對于關鍵寄存器的操作，需正確使用EALLOW和EDIS。
（4）配置接收郵箱消息標識符MSGID時，必須根據需要配置標志擴展符IDE位（標準格式是11位標識符，擴展格式是29位標識符），并且在標準CAN模式和增強CAN模式下配置是有所區別的。如果使用接收屏蔽，接收屏蔽使能（AME）位必須置位（MSGID.30=1）。
4. PWM輸出控制模塊
PWM輸出控制模塊是模擬量輸出控制器軟件設計中最重要的部分。控制器接收到CAN通道下發的輸出指令信息后，通過PWM輸出控制模塊轉換為模擬量輸出信號。
DSP芯片PWM波形均通過內部定時器設定得到，且PWM的輸出精度與DSP芯片系統時鐘相關。系統時鐘，PWM的周期以及D/A輸出的分辨率的關系如下：分辨率=Log2（TPWM/TSYSCLK）。其中TPWM表示PWM周期時間，TSYSCLK表示系統時鐘。
本次設計中，PWM周期TPWM設定為819.2μs，TSYSCLK設定為0.02μs（50MHz）。結合等式，可以計算出分辨率為15.3位。由于設計要求控制器的輸出精度為0.2%，此情況下得到的PWM分辨率完全能夠滿足設計上的要求。DSP硬件集成的PWM電路極大地減小產生PWM波形的CPU開銷。同時，集成化的設計大大減少用戶的工作量。

八 結束語
隨著計算機硬件技術越來越成熟，產品的電路集成性要求越來越高，軟件的可移植性和易操作性的要求越來越迫切。DSP芯片豐富的外設功能、支持多種語言和操作系統，以及軟件算法的高集成度和完善性使得芯片能應用到多種行業的產品中。本文以TI公司的TMS320F2801為核心控制器件設計了模擬量輸出控制器。經實踐證明，產品各方面性能均遠遠優于以單片機為基礎設計的產品。由于TMS320F2801芯片的高集成度、低成本以及易開發性，大大縮短設計人員的設計時間和極大地減小產品的軟硬件成本，同時也提高產品的生產效率和維護效率?；贒SP芯片的設計開發理念在其他具有模擬量輸出功能的產品中同樣可得到廣泛的推廣和應用。