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，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的一個協(xié)處理來考慮，而速度或位置環(huán)控制則由 DSP芯片來實(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來直接完成；但速度和電流環(huán)相對具有通用性，且互相關(guān)聯(lián)緊密，以致高性能的速度控制都離不開電流控制，因此完全可以把它們集成到一個芯片中處理，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，美國德州儀器生產(chǎn)的TMS320系列芯片廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其中TMS320C2000系列便是面向工業(yè)控制推出的DSP芯片。

　　TMS320F28335簡介

　　TMS320F28335數(shù)字信號處理器是屬于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，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過多的時間和精力，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，從而簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(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)一存儲器編程模型

　　-高效代碼（使用 C/C++ 和匯編語言）

　　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 2M × 16 地址范圍

　　片載存儲器

　　-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 SCI，SPI，CAN，I2C，McBSP，XINTF 和并行 I/O）

　　-標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)表

　　時鐘和系統(tǒng)控制

　　-支持動態(tài)鎖相環(huán) （PLL）比率變化

　　-片載振蕩器

　　-安全裝置定時器模塊

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

　　可支持全部58個外設(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 個脈寬調(diào)制（PWM）輸出

　　-高達(dá) 6 個支持 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 個事件捕捉輸入

　　-多達(dá)兩個正交編碼器接口

　　-高達(dá) 8 個 32 位定時器（6 個 eCAP 以及 2 個 eQEP）

　　-高達(dá) 9 個 32 位定時器（6 個ePWM 以及 3 個 XINTCTR）

　　三個 32 位 CPU 定時器

　　串行端口外設(shè)

　　-多達(dá) 2 個控制器局域網(wǎng) （CAN）模塊

　　-多達(dá) 3 個 SCI （UART）模塊

　　-高達(dá) 2 個 McBSP 模塊（可配置為 SPI）

　　-一個SPI模塊

　　-一個內(nèi)部集成電路（I2C）總線

　　12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），16 個通道

　　-80ns 轉(zhuǎn)換率

　　-2 x 8 通道輸入復(fù)用器

　　-兩個采樣保持

　　-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)測試端口和邊界掃面架構(gòu)

　　高級仿真特性

　　-分析和斷點(diǎn)功能

　　-借助硬件的實(shí)時調(diào)試

　　開發(fā)支持包括

　　-ANSI C/C++ 編譯器/匯編語言/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

　　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)時鐘

　　字節(jié)序：小端序

　　封裝選項(xiàng)：

　　-無鉛，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)字信號控制器（DSC）平臺。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)，但是還包括一個單精度（32 位）的 IEEE 754 浮點(diǎn)單元（FPU）。這是一個非常高效的的 C/C++ 引擎，它能使用戶用高層次的語言開發(fā)他們的系統(tǒng)控制軟件。這也使得能夠使用 C/C++ 開發(fā)算術(shù)算法。此器件在處理 DSP 算術(shù)任務(wù)時與處理系統(tǒng)控制任務(wù)時同樣有效而系統(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)中省卻了對第二個處理器的需要。 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)字分辨率問題。添加了帶有關(guān)鍵寄存器自動環(huán)境保存的快速中斷響應(yīng)，使得一個器件能夠用最小的延遲處理很多異步事件。此器件有一個具有流水線式存儲器訪問的 8 級深受保護(hù)管道。這個流水線式操作使得此器件能夠在高速執(zhí)行而無需求助于昂貴的高速存儲器。特別分支超前硬件大大減少了條件不連續(xù)而帶來的延遲。特別存儲條件操作進(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 之間移動數(shù)據(jù)。 C28x 內(nèi)存總線架構(gòu)包含一個程序讀取總線、數(shù)據(jù)讀取總線和數(shù)據(jù)寫入總線。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 能夠在一個單周期內(nèi)取一個指令、讀取一個數(shù)據(jù)值和寫入　一個數(shù)據(jù)值。所有連接在內(nèi)存總線上的外設(shè)和內(nèi)存對內(nèi)存訪問進(jìn)行優(yōu)先級設(shè)定。總的來說，內(nèi)存總線訪問的優(yōu)先級可概括如下：

　　最高級：數(shù)據(jù)寫入（內(nèi)存總線上不能同時進(jìn)行數(shù)據(jù)和程序?qū)懭搿＃?/p>

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

　　數(shù)據(jù)讀取

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

　　最低級：取指令（內(nèi)存總線上不能同時進(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獨(dú)立的 8 通道輸入模式，也可以通過配置 AdcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC=1，將其設(shè)置為一個 16 通道的級聯(lián)輸入模式。輸入的方式可以通過配置AdcRegs.ADCTRL1.bit.ACQ_PS=1，將其設(shè)置為順序采集。即從低通道開始到高通道結(jié)束。

　　時鐘

　　TMS320F28335 上有一個基于 PLL 電路的片上時鐘模塊，為 CPU 及外設(shè)提供時鐘有兩種方式：一種是用外部的時鐘源，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)生時鐘，用 30MHz 的晶體和兩個 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。我們常用第二種來產(chǎn)生時鐘。此時鐘將通過一個內(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 位來決定。

　　外部中斷

　　支持8 個被屏蔽的外部中斷（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 16 位自由運(yùn)行的上數(shù)計(jì)數(shù)器，當(dāng)檢測到一個有效的中斷邊沿時，該計(jì)數(shù)器復(fù)位為 0。這個計(jì)數(shù)器可被用于為中斷精確計(jì)時。與 281x 器件不同，沒有用于外部中斷的專用引腳。 XINT1，XINT2 和 XINT 中斷可接受來自 GPIO0-GPIO31 引腳的輸入。 XINT3–XINT7 中斷可接受來自 GPIO32-GPIO63 引腳的輸入。

　　電機(jī)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域

　　電機(jī)控制：AC 感應(yīng)

　　電機(jī)控制：低電壓

　　電機(jī)控制：步進(jìn)電機(jī)

　　電機(jī)控制：永久磁性

　　電機(jī)控制：高電壓

　　工程師開發(fā)過程中常見問題總結(jié)

　　1.SPI驅(qū)動TLE7241E出現(xiàn)返回值不對的問題。主要是由于時序的不對，導(dǎo)致TLE7241E輸入采樣時數(shù)據(jù)還沒有建立，所以TLE7241E收到的命令不正確，所以返回值不正確。

　　2.SPI驅(qū)動EEPROM時，如果用金屬物觸到clock pin時，能正確運(yùn)行，否則不能正確運(yùn)行。出現(xiàn)次問題也是由于時序的問題，金屬物觸到clock導(dǎo)致clock出現(xiàn)微小幅度的偏移，導(dǎo)致正好和 eeprom的時序?qū)ι希挥媒饘傥镉|碰時時序不正常，當(dāng)使dsp MOSIpin數(shù)據(jù)發(fā)送提前半個周期后，eeprom工作正常。

　　3.示波器有時會導(dǎo)致顯示的波形被消尖，所以用示波器測量時周期不能太大。

　　TMS320F28335部分模塊使用經(jīng)驗(yàn)

　　1.TMS320F28335+總線：

　　硬件連接情況（28335+cpld+ad7606）：Cpld負(fù)責(zé)對地址譯碼，16位數(shù)據(jù)線接并口AD7606的D0～D15，再用幾個GPIO分別接ad7606的busy、reset、CONVST.

　　軟件思想：timer0控制采樣速率，busy配置為外部中斷輸入腳，轉(zhuǎn)換完成即可觸發(fā)中斷，在外部中斷函數(shù)里把轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取。

　　遇到問題：數(shù)據(jù)線上只有D0～D7有數(shù)據(jù)變換，D8～D15全為0。

　　問題分析：D8～D15和地短路了，busy時間太短、不能觸發(fā)中斷，ad配置為了8位模式，等等…

　　解決問題：把問題一個個排除，最后原因是數(shù)據(jù)線D8～D15在cpld連接部分未定義。

　　2.TMS320F28335+SCI模塊：

　　硬件連接：F28335有三個串口，SCIA、SCIB、SCIC，這里用SCIC+232芯片接口即可與 PC機(jī)通信。

　　功能驗(yàn)證：使用串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)，28335收到數(shù)據(jù)后再發(fā)給PC

　　軟件設(shè)計(jì)：使用FIFO、查詢方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、配置好相應(yīng)的寄存器就可以使用了，主要代碼分享如下。

　　for（）

　　{

　　while（ScicRegs.SCIFFRX.bit.RXFFST == 0）; { }

　　data = ScicRegs.SCIRXBUF.all;

　　ScicRegs.SCITXBUF= data;

　　while（ScicRegs.SCIFFTX.bit.TXFFST ！= 0）;

　　}

　　void scic_init（） //初始化

　　{

　　ScicRegs.SCICCR.all =0x0007;

　　ScicRegs.SCICTL1.all =0x0003; // enable TX， RX， internal SCICLK，

　　// Disable RX ERR， SLEEP， TXWAKE

　　ScicRegs.SCICTL2.all =0x0;

　　#if （CPU_FRQ_150MHZ）

　　ScicRegs.SCIHBAUD =0x0001; // 9600 baud @LSPCLK = 37.5MHz.

　　ScicRegs.SCILBAUD =0x00E7;

　　#endif

　　#if （CPU_FRQ_100MHZ）

　　ScicRegs.SCIHBAUD =0x0001; // 9600 baud @LSPCLK = 20MHz.

　　ScicRegs.SCILBAUD =0x0044;

　　#endif

　　ScicRegs.SCIFFTX.bit.TXFIFOXRESET=0;

　　ScicRegs.SCIFFRX.bit.RXFIFORESET=0;

　　ScicRegs.SCIFFTX.all=0xE040;

　　ScicRegs.SCIFFRX.all=0x2040;

　　ScicRegs.SCIFFCT.all=0x0;

　　ScicRegs.SCICTL1.all =0x0023; // Relinquish SCI from Reset

　　}

　　3.TMS320F28335+I2C模塊：

　　注意一下兩點(diǎn)

　　（1）、從機(jī)地址：

　　由于28335的I2C模塊會自動添加R/W位，應(yīng)將從機(jī)地址右移一位。如：選用模塊7位地址模式時，若使用的I2C芯片從機(jī)地址為0xD0，則設(shè)置時應(yīng)置從機(jī)地址為0x68。

　　（2）、子地址：

　　I2C器件的子地址有的是8位、有的是16位，16位的發(fā)送子地址的時候要發(fā)送2次、分別發(fā)高8位和低8位，因?yàn)?8335的I2C模塊數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器是8位的。

　　4.TMS320F28335+SPI模塊：

　　（1）、主設(shè)備配置SPI模塊的時鐘模式時要根據(jù)從設(shè)備的時鐘要求，要搞清楚從設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是在時鐘的上升沿還是下降沿。時鐘配置正確后，數(shù)據(jù)才能被準(zhǔn)確的發(fā)送和接收。

　　（2）、主設(shè)備讀取數(shù)據(jù)時必須先發(fā)送一個無意義的數(shù)以啟動時鐘。

　　典型設(shè)計(jì)案例

　　1.高速數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

　　針對超聲波流量計(jì)中高速數(shù)據(jù)采集的需求，采用32位浮點(diǎn)實(shí)時MCU 芯片 TMS320F28335和高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS805E設(shè)計(jì)了一種12位分辨率，20MSPS的高速數(shù)據(jù)采集電路。數(shù)據(jù)接口通過外部擴(kuò)展接口 Xintf擴(kuò)展，使用DMA高速讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，控制接口通過GPIO口實(shí)現(xiàn)。文中給出了硬、軟件設(shè)計(jì)及測試結(jié)果，該接口電路具有高性能，接口簡單，低成本等特點(diǎn)，已經(jīng)在研制的超聲波流量計(jì)中應(yīng)用。

　　詳情請閱：

　　基于TMS320F28335的高速數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

　　2.三相SPWM波在TMS320F28335中的實(shí)現(xiàn)

　　載波相移正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)是一種適用于大功率電力開關(guān)變換裝置的高性能開關(guān)調(diào)制策略，在有源電力濾波器中有良好的應(yīng)用前景。本文介紹了如何利用高性能數(shù)字信號處理器TMS320F28335的片內(nèi)外設(shè)事件管理器（EV）模塊產(chǎn)生三相SPWM波，給出了程序流程圖及關(guān)鍵程序源碼。該方法采用不對稱規(guī)則采樣算法，參數(shù)計(jì)算主要采用查表法，計(jì)算量小，實(shí)時性高。在工程實(shí)踐中表明，該方法既能滿足控制精度要求，又能滿足實(shí)時性要求，可以很好地控制逆變電源的輸出。

　　詳情請閱：

　　三相SPWM波在TMS320F28335中的實(shí)現(xiàn)

　　3.PMSM伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　交流永磁同步電機(jī)（PMSM）伺服系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于在工業(yè)領(lǐng)域。為了提高系統(tǒng)的控制性能，設(shè)計(jì)了以數(shù)字信號控制器TMS320F28335為控制核心，主電路為AC/DC/AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用矢量控制策略的高性能PMSM伺服系統(tǒng)，并將所構(gòu)成的系統(tǒng)與基于TMS320F2812的系統(tǒng)進(jìn)行了比較。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有更好的響應(yīng)速度和控制精度。