三大電機(jī)控制方案之DSP篇（1）：TMS320F28335 - 全文

　　欲了解更多關(guān)于電機(jī)控制的解決方案，可點(diǎn)擊電機(jī)控制方案的MCU篇與FPGA篇進(jìn)行查閱：

　　近幾年來(lái)，基于DSP的電機(jī)專用集成電路由于在計(jì)算速度、容量存儲(chǔ)等方面比單片機(jī)具有更優(yōu)的性能，已逐漸代替單片機(jī)運(yùn)用于電機(jī)控制系統(tǒng)中。目前的大部分電機(jī)都把電流環(huán)控制作為DSP的一個(gè)協(xié)處理來(lái)考慮，而速度或位置環(huán)控制則由 DSP芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，由于位置控制比較靈活，且差異性比較大，很難做到通用性，所以位置環(huán)一般由DSP來(lái)直接完成；但速度和電流環(huán)相對(duì)具有通用性，且互相關(guān)聯(lián)緊密，以致高性能的速度控制都離不開(kāi)電流控制，因此完全可以把它們集成到一個(gè)芯片中處理，這樣既可以實(shí)現(xiàn)速度伺服控制，又可以單獨(dú)進(jìn)行電流控制，還可以和DSP共同構(gòu)成位置伺服系統(tǒng)。

　　市面上專注于電機(jī)控制DSP解決方案的廠商屈指可數(shù)，作為世界上最知名的DSP芯片生產(chǎn)廠商，美國(guó)德州儀器生產(chǎn)的TMS320系列芯片廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其中TMS320C2000系列便是面向工業(yè)控制推出的DSP芯片。

　　TMS320F28335簡(jiǎn)介

　　TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器是屬于C2000系列的一款浮點(diǎn)DSP控制器。與以往的定點(diǎn)DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等。

　　TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM），12位16通道ADC。得益于其浮點(diǎn)運(yùn)算單元，用戶可快速編寫(xiě)控制算法而無(wú)需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力，與前代DSP相比，平均性能提高50%，并與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容，從而簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

　　功能框圖

　　特性

　　高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)

　　-高達(dá) 150MHz（6.67ns 周期時(shí)間）

　　-1.9V/1.8V內(nèi)核，3.3V I/O設(shè)計(jì)

　　高性能 32 位 CPU（TMS320C28x）

　　-IEEE-754 單精度浮點(diǎn)單元（FPU）（只在 F2833x 上提供）

　　-16 x 16 和 32 x 32 介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）運(yùn)算

　　-16 x 16 雙 MAC

　　-哈佛（Harvard）總線架構(gòu)

　　-快速中斷響應(yīng)和處理

　　-統(tǒng)一存儲(chǔ)器編程模型

　　-高效代碼（使用 C/C++ 和匯編語(yǔ)言）

　　6 通道 DMA 處理器（用于ADC，McBSP，ePWM，XINTF 和 SARAM）

　　16 位或 32 位外部接口（XINTF）

　　-超過(guò) 2M × 16 地址范圍

　　片載存儲(chǔ)器

　　-F28335，F(xiàn)28235：

　　-256K×16 閃存，34K×16 SARAM

　　-F28334，F(xiàn)28234：

　　-128K×16 閃存，34K×16 SARAM

　　-F28332，F(xiàn)28232：

　　-64K×16 閃存，26K×16S ARAM

　　-1K x 16 一次性可編程（OTP） ROM

　　引導(dǎo) ROM （8K X 16）

　　-支持軟件引導(dǎo)模式（通過(guò) SCI，SPI，CAN，I2C，McBSP，XINTF 和并行 I/O）

　　-標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)表

　　時(shí)鐘和系統(tǒng)控制

　　-支持動(dòng)態(tài)鎖相環(huán) （PLL）比率變化

　　-片載振蕩器

　　-安全裝置定時(shí)器模塊

　　GPIO0 到 GPIO63 引腳可以連接到八個(gè)外部?jī)?nèi)核中斷其中的一個(gè)

　　可支持全部58個(gè)外設(shè)中斷的外設(shè)中斷擴(kuò)展（PIE）塊

　　128 位安全密鑰/鎖

　　-保護(hù)閃存 / OTP/RAM 模塊

　　-防止固件逆向工程

　　增強(qiáng)型控制外設(shè)

　　-多達(dá) 18 個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）輸出

　　-高達(dá) 6 個(gè)支持 150ps 微邊界定位（MEP）分辨率的高分辨率脈寬調(diào)制器（HRPWM）輸出

　　-高達(dá) 6 個(gè)事件捕捉輸入

　　-多達(dá)兩個(gè)正交編碼器接口

　　-高達(dá) 8 個(gè) 32 位定時(shí)器（6 個(gè) eCAP 以及 2 個(gè) eQEP）

　　-高達(dá) 9 個(gè) 32 位定時(shí)器（6 個(gè)ePWM 以及 3 個(gè) XINTCTR）

　　三個(gè) 32 位 CPU 定時(shí)器

　　串行端口外設(shè)

　　-多達(dá) 2 個(gè)控制器局域網(wǎng) （CAN）模塊

　　-多達(dá) 3 個(gè) SCI （UART）模塊

　　-高達(dá) 2 個(gè) McBSP 模塊（可配置為 SPI）

　　-一個(gè)SPI模塊

　　-一個(gè)內(nèi)部集成電路（I2C）總線

　　12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），16 個(gè)通道

　　-80ns 轉(zhuǎn)換率

　　-2 x 8 通道輸入復(fù)用器

　　-兩個(gè)采樣保持

　　-單一/同步轉(zhuǎn)換

　　-內(nèi)部或者外部基準(zhǔn)

　　多達(dá) 88 個(gè)具有輸入濾波功能可單獨(dú)編程的多路復(fù)用通用輸入輸出（GPIO）引腳

　　JTAG 邊界掃描支持 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 1149.1-1990 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試端口和邊界掃面架構(gòu)

　　高級(jí)仿真特性

　　-分析和斷點(diǎn)功能

　　-借助硬件的實(shí)時(shí)調(diào)試

　　開(kāi)發(fā)支持包括

　　-ANSI C/C++ 編譯器/匯編語(yǔ)言/連接器

　　-Code Composer Studio IDE

　　-DSP/BIOS

　　-數(shù)字電機(jī)控制和數(shù)字電源軟件庫(kù)

　　低功耗模式和省電模式

　　-支持 IDLE（空閑）、STANDBY（待機(jī)）、HALT（暫停）模式

　　-可禁用獨(dú)立外設(shè)時(shí)鐘

　　字節(jié)序：小端序

　　封裝選項(xiàng)：

　　-無(wú)鉛，綠色封裝

　　-薄型四方扁平封裝（PGF，PTP）

　　-MicroStar BGA （ZHH）

　　-塑料 BGA 封裝（ZJZ）

　　溫度選項(xiàng)：

　　-A：-40°C 至 85°C （PGF，ZHH，ZJZ）

　　-S：-40°C 至 125°C （PTP，ZJZ）

　　-Q：-40°C 至 125°C （PTP，ZJZ）

　　主要模塊分析

　　C28x CPU

　　F2833x （C28x+FPU）/F2823x （C28x）系列都屬于 TMS320C2000? 數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）平臺(tái)。基于C28x+FPU 的控制器和 TI 現(xiàn)有的 C28xDSC具有相同的 32 位定點(diǎn)架構(gòu)，但是還包括一個(gè)單精度（32 位）的 IEEE 754 浮點(diǎn)單元（FPU）。這是一個(gè)非常高效的的 C/C++ 引擎，它能使用戶用高層次的語(yǔ)言開(kāi)發(fā)他們的系統(tǒng)控制軟件。這也使得能夠使用 C/C++ 開(kāi)發(fā)算術(shù)算法。此器件在處理 DSP 算術(shù)任務(wù)時(shí)與處理系統(tǒng)控制任務(wù)時(shí)同樣有效而系統(tǒng)控制任務(wù)通常由微控制器器件處理。這樣的效率在很多系統(tǒng)中省卻了對(duì)第二個(gè)處理器的需要。 32 x 32 位 MAC 64 位處理能力使得控制器能夠有效地處理更高的數(shù)字分辨率問(wèn)題。添加了帶有關(guān)鍵寄存器自動(dòng)環(huán)境保存的快速中斷響應(yīng)，使得一個(gè)器件能夠用最小的延遲處理很多異步事件。此器件有一個(gè)具有流水線式存儲(chǔ)器訪問(wèn)的 8 級(jí)深受保護(hù)管道。這個(gè)流水線式操作使得此器件能夠在高速執(zhí)行而無(wú)需求助于昂貴的高速存儲(chǔ)器。特別分支超前硬件大大減少了條件不連續(xù)而帶來(lái)的延遲。特別存儲(chǔ)條件操作進(jìn)一步提升了性能。

　　內(nèi)存總線

　　與很多DSC類型器件一樣，多總線被用于在內(nèi)存和外設(shè)以及 CPU 之間移動(dòng)數(shù)據(jù)。 C28x 內(nèi)存總線架構(gòu)包含一個(gè)程序讀取總線、數(shù)據(jù)讀取總線和數(shù)據(jù)寫(xiě)入總線。此程序讀取總線由 22 條地址線路和 32 條數(shù)據(jù)線路組成。數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入總線由 32 條地址線路和 32 條數(shù)據(jù)線路組成。 32 位寬數(shù)據(jù)總線可實(shí)現(xiàn)單周期 32 位運(yùn)行。多總線結(jié)構(gòu)，通常稱為哈弗總線，使得 C28x 能夠在一個(gè)單周期內(nèi)取一個(gè)指令、讀取一個(gè)數(shù)據(jù)值和寫(xiě)入　一個(gè)數(shù)據(jù)值。所有連接在內(nèi)存總線上的外設(shè)和內(nèi)存對(duì)內(nèi)存訪問(wèn)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)定。總的來(lái)說(shuō)，內(nèi)存總線訪問(wèn)的優(yōu)先級(jí)可概括如下：

　　最高級(jí)：數(shù)據(jù)寫(xiě)入（內(nèi)存總線上不能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和程序?qū)懭?。?/p>

　　程序?qū)懭?（內(nèi)存總線上不能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和程序?qū)懭?。?/p>

　　數(shù)據(jù)讀取

　　程序讀取（內(nèi)存總線上不能同時(shí)進(jìn)行程序讀取和取指令。）

　　最低級(jí)：取指令（內(nèi)存總線上不能同時(shí)進(jìn)行程序讀取和取指令。）

　　ADC

　　TMS320F28335 上有 16 通道、12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC。他可以被配置為兩個(gè)獨(dú)立的 8 通道輸入模式，也可以通過(guò)配置 AdcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC=1，將其設(shè)置為一個(gè) 16 通道的級(jí)聯(lián)輸入模式。輸入的方式可以通過(guò)配置AdcRegs.ADCTRL1.bit.ACQ_PS=1，將其設(shè)置為順序采集。即從低通道開(kāi)始到高通道結(jié)束。

　　時(shí)鐘

　　TMS320F28335 上有一個(gè)基于 PLL 電路的片上時(shí)鐘模塊，為 CPU 及外設(shè)提供時(shí)鐘有兩種方式：一種是用外部的時(shí)鐘源，將其連接到 X1 引腳上或者 XCLKIN 引腳上，X2 接地；另一種是使用振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘，用 30MHz 的晶體和兩個(gè) 20PF 的電容組成的電路分別連接到 X1 和 X2 引腳上，XCLKIN 引腳接地。我們常用第二種來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘。此時(shí)鐘將通過(guò)一個(gè)內(nèi)部 PLL 鎖相環(huán)電路，進(jìn)行倍頻。由于 F28335 的最大工作頻率是 150M，所以倍頻值最大是 5。其中倍頻值由 PLLCR 的低四位和 PLLSTS 的第 7、8 位來(lái)決定。

　　外部中斷

　　支持8 個(gè)被屏蔽的外部中斷（XINT1–XINT7， XNMI）。 XNMI 可被連接至 INT13 或者 CPU 的 NMI 中斷。這些中斷中的每一個(gè)可被選擇用于負(fù)邊沿、正邊沿或者正負(fù)邊沿觸發(fā)，并且可被啟用或禁用（包括XNMI 在內(nèi)）。 XINT1， XINT2，和 XNMI 還包含一個(gè) 16 位自由運(yùn)行的上數(shù)計(jì)數(shù)器，當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)有效的中斷邊沿時(shí)，該計(jì)數(shù)器復(fù)位為 0。這個(gè)計(jì)數(shù)器可被用于為中斷精確計(jì)時(shí)。與 281x 器件不同，沒(méi)有用于外部中斷的專用引腳。 XINT1，XINT2 和 XINT 中斷可接受來(lái)自 GPIO0-GPIO31 引腳的輸入。 XINT3–XINT7 中斷可接受來(lái)自 GPIO32-GPIO63 引腳的輸入。