nowe rozwiązania i aplikacje mikromodułów z...
Post on 06-Sep-2018
214 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej Nr 21
XV Seminarium ZASTOSOWANIE KOMPUTERÓW W NAUCE I TECHNICE’ 2005
Oddział Gdański PTETiS
NOWE ROZWIĄZANIA I APLIKACJE MIKROMODUŁÓW Z KONTROLERAMI DSP
Leszek DĘBOWSKI
Instytut Elektrotechniki Oddział w Gdańsku, 80-557 Gdańsk, ul. Narwicka 1 tel: (0-58) 343-12-91 fax: 343-12-95 e-mail: leszek.debowski@iel.gda.pl
Nowoczesne kontrolery DSP składają się z procesorowego rdzenia (ang. core) wykorzysty-wanego w szeroko rozpowszechnionych rodzinach procesorów DSP oraz licznych bloków układów peryferyjnych (timery/liczniki, bloki PWM, przetworniki A/C i C/A, interfejsy ko-munikacyjne, inteligentne linie I/O). W referacie zamieszczono zestawienie porównawcze podstawowych parametrów wybranych kontrolerów DSP przeznaczonych do sterowania przekształtników energoelektronicznych. Omówiono szczegółowo mikromoduły µDLH-F241 i µDLH-LF2403A. Podano przykład aplikacji dydaktycznej z wykorzystaniem mikromodułu serii µDLH.
1. WSTĘP
Rodzina mikromodułów µDLH należy do elastycznego systemu sterowania DLH zło-żonego z elementów wyposażonych w 16-/24-/32-bitowe procesory sygnałowe i kontrolery DSP oraz układy programowalne CPLD/FPGA. System przeznaczony jest do szybkiego prototypowania sterowników przekształtników energoelektronicznych o różnych topologiach oraz innych aplikacji wymagających zastosowania zaawansowanych algoryt-mów cyfrowego przetwarzania sygnałów. W skład systemu DLH wchodzą następując ele-menty: − autonomiczna karta sterująca DLH-01 ze stałoprzecinkowym procesorem sygnałowym, − karta bazowa DLH-02 z elastyczną 32-bitową magistralą sprzęgającą, − moduły jednostek centralnych z różnymi odmianami procesorów sygnałowych, − rodzina mikromodułów µDLH z kontrolerami DSP, − akcesoria dodatkowe (panel operatorski, moduły symulacyjne, sprzęgające i zadające).
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Recenzent: Prof. dr hab. inż. Elżbieta Bogalecka - Wydział Elektrotechniki i Automatyki
Politechniki Gdańskiej
- 64 -
Koncepcja architektury mikromodułów µDLH pojawiła się w wyniku analizy tenden-cji rozwojowych występujących we współczesnych układach mikroelektronicznych prze-znaczonych do sterowania urządzeń przekształtnikowych. Bezpośrednią przyczyną podję-cia prac była konieczność zastąpienia parametrycznego koprocesora napędowego ADMC200/201 (rys. 1) stosowanego w elastycznych kartach sterujących DLH-01/-02, elementem nowszym i w pełni programowalnym.
/RESET
/WR/IRQCLK
REFOUT
REFINCONVST
UVW
AUX
AAPB
BPCCP
STOP
PWMSYNC
/RD/CS
A ÷A0 3
/RESET
/WR/IRQCLK
REFOUT
REFINCONVST
AUX1AUX2AUX3
AUX0
UVW
PIO0PIO1PIO2PIO3PIO4PIO5
AUX
AAPBBPCCP
STOP
PWMSYNC
/RD/CS
A ÷A0 3
ADMC200 ADMC201
Rys. 1. Schematy blokowe koprocesorów napędowych ADMC200 i ADMC201
Poszukiwania nowych koncepcji układowych skierowane zostały w stronę rozwiązań pozwalających z jednej strony - na szybkie wykorzystanie pojawiających kolejnych genera-cji układów mikroprocesorowych dla energoelektroniki, jakimi są kontrolery DSP, z drugiej – dostosowanie ich do zmieniających się potrzeb aplikacyjnych użytkownika. Przyjmując jako punkt odniesienia koprocesor ADMC200/201 zaproponowano rozwiązanie w postaci rodziny mikromodułów µDLH, w których ustandaryzowano topologię wyprowadzeń dla zasilania i sygnałów występujących we wszystkich układach przeznaczonych do sterowania przekształtników (sygnały PWM, ERROR i RESET, wejścia analogowe, linie I/O), pozo-stawiając pewną swobodę w operowaniu sygnałami specyficznymi dla danego typu układu. Stworzona została nowa platforma szybkiego prototypowania umożliwiająca wykorzysty-wanie różnych kontrolerów DSP w układach sterowania. Kompatybilność złącza pod względem elektrycznym i mechanicznym powoduje, że pojawienie się konieczności doko-nania zmiany typu kontrolera nie pociąga za sobą kosztownych i czasochłonnych operacji. W zaproponowanym rozwiązaniu systemowym uwzględniono szereg wymagań i uwarun-kowań: − zastosowanie kontrolerów DSP różnych typów i producentów, − kompatybilność złącza pod względem elektrycznym i mechanicznym, − zestaw elementów peryferyjnych (układy E2PROM, RTC, watch-dog), − interfejsy systemowe (SPI, I2C, szeregowe łącza synchroniczne), − komunikacyjne (RS-232, RS-485, CAN) i programująco-monitorujące (JTAG), − możliwość pracy w systemie bazowym lub w układzie autonomicznym. Wypracowane w trakcie projektowania mikromodułów standardy i rozwiązania układowe pozwalają na kontynuację linii rozwojowej µDLH w miarę pojawiania się kontrolerów DSP kolejnych generacji.
- 65 -
2. KONTROLERY DSP
Pierwsze cyfrowe procesory sygnałowe pojawiły się w połowie lat 80-tych (TMS32010, 1983). Były to szybkie jednostki arytmetyczno-logiczne wyposażone w odpo-wiednie magistrale systemowe, lecz praktycznie pozbawione peryferiów. Kolejne modele i rodziny procesorów DSP były systematycznie doskonalone. Z początkiem lat 90-tych po-szerzył się zakres aplikacji i wówczas opracowano pierwsze dedykowane kontrolery DSP (TMS320C14/E14 – energoelektronika/sterowanie, TMS320C17/E17 - teletransmisja). Ich poważnym mankamentem był jednak brak zintegrowanych przetworników A/C. Pierwszym kompletnym specjalizowanym kontrolerem DSP, wyposażonym w pełen zestaw peryferiów (w tym dwa 8-kanałowe 10-bitowe przetworniki A/C) niezbędnych do sterowania prze-kształtnikami energoelektronicznymi był układ TMS320F240 (1997). Współczesne kontro-lery DSP są zaawansowanymi elementami elektronicznymi, które składają się ze standardo-wego rdzenia wykorzystywanego w szeroko rozpowszechnionych rodzinach procesorów sygnałowych oraz licznych wewnętrznych bloków peryferyjnych, które w przeszłości były charakterystyczne jedynie dla mikrokontrolerów: − wielokanałowe bloki PWM, układy czasowo-licznikowe, − bloki wewnętrznych pamięci RAM i FLASH, − rozbudowane bloki detekcji zdarzeń, − przetworniki A/C, − interfejsy komunikacyjne (SCI, SPI, I2C, CAN, porty synchroniczne), − linie I/O ogólnego przeznaczenia, − układy monitorujące „watch-dog”. Niektóre z kontrolerów DSP posiadają interfejs enkodera przyrostowego oraz złącze JTAG. Najbardziej znaczącymi producentami kontrolerów DSP przeznaczonych do zastosowań energoelektronicznych są aktualnie firmy Analog Devices , Texas Instruments i Motorola. Tablice 1 i 2 zawierają zestawienie podstawowych parametrów wybranych układów.
Tablica 1. Parametry koprocesora ADMC201 i kontrolerów DSP Analog Devices
Wewn. pamięć PROGRAMU Kontroler DSP MIPS
Nap.
zasil. FLASH ROM RAM
Pamięć
DANYCH
Pamięć
ZEWN.
Wy. PWM,
we. FAULT, we. Isense
Przetworniki
A/C Ts+cnv Timery
Interfejs
enkodera
przyrost.
SCI
/SPI
/CAN
Monitor
(ROM)
ADMC201
(koprocesor) 5V - - - - Mag. 12-bit
[A0÷A3]
6/1/- 1
7 kanałów 11-bit
3.2µs /kanał
- - - -
ADMC300
(rdzeń ADSP-2171) 25
(40ns) 5V - 2K×24
(f.mat.) 4K×24 1K×16 - 8/1/- 5
16-bit ENOB>12-bit
30.7µs (min.)
32.55kHz (max.)
1 1 1/-/- +
ADMC331
(rdzeń ADSP-2171) 26
(38.5ns) 5V - 2K×24
(f.mat.) 2K×24 1K×16 - 8/1/- 4
7 kanałów 12-bit
159µs (12-bit) /20µs
(9-bit) 1 - 1/-/- +
ADMCF327
(rdzeń ADSP-2171) 20
(50ns) 5V 4K×24 4K×24 512×24 512×16 - 8/1/-
4 6 kanałów
12-bit
205µs (12-bit) /13µs
(8-bit) 1 - 1/-/- +
ADMCF340
(rdzeń ADSP-21xx) 20
(50ns) 5V 4K×24 4K×24 512×24 512×16 - 8/1/3
4 10 kanałów
12-bit
205µs (12-bit) /13µs
(8-bit) 1 - 1/1/- +
ADMCF341
(rdzeń ADSP-21xx) 20
(50ns) 5V 4K×24 4K×24 512×24 512×16 - 8/1/3
4 6 kanałów
12-bit
205µs (12-bit) /13µs
(8-bit) 1 - 1/1/- +
ADMC401
(rdzeń ADSP-2171) 26
(38.5ns) 5V - 2K×24 2K×24 1K×16
Mag. 24-bit
[A0÷A13]
8/1/- 8 12-bit
1.88µs (12-bit)
1 1 1/-/- +
ADSP-21990
(rdzeń ADSP-219x)
150 (6.67ns)
160 (6.25ns)
3.3V
(I/O)
2.5V
(rdzeń)
- 4K×24 4K×24 4K×16 Mag. 24-bit
[A0÷A19] 8/2/-
1 8 kanałów
14-bit
375ns (1 kan.) 725ns
(2 kan.)
3 1 1/1/- JTAG
ADSP-21992
(rdzeń ADSP-219x)
150 (6.67ns)
160 (6.25ns)
3.3V
(I/O)
2.5V
(rdzeń)
- 4K×24 32K×24 16K×16 Mag. 24-bit
[A0÷A19] 8/2/-
1 8 kanałów
14-bit
375ns (1 kan.) 725ns
(2 kan.)
3 1
1/1/1
CAN 2.0B
JTAG
- 66 -
Tablica 2. Zestawienie parametrów kontrolerów DSP firmy Texas Instruments
WEWN. PAMIĘĆ PROGRAMU I DANYCH Kontroler DSP MIPS
Nap.
zasil.FLASH RAM
Boot
LOADER
Pamięć
ZEWN. Wy. PWM,
we. FAULT
Przetworniki A/C Ts+cnv Timery
Interfejs
enkodera
przyrost.
SCI/SPI
/CAN/I2C JTAG
TMS320F240 20 (50ns)
5V 16K×16 DA:
544×16 SCI P/D/IO /GLOB
224K×16 12/1
2 8 kanałowe
10-bit
6.1µs /kanał
3 1 1/1/-/- +
TMS320F241 20 (50ns)
5V 8K×16 DA:
544×16 SCI SPI - 8/1
1 8 kanałowy
10-bit
1700ns (2 we.) 900ns (1 we.)
1µs max.
2 1
1/1/1/-
CAN 2.0B
+
TMS320LF2407 30 (33ns)
3.3V 32K×16
DA: 544×16
SA: 2K×16
SCI SPI
P/D/IO 192K×16
16/2 1
16 kanałowy 10-bit
500ns /kanał
4 2
1/1/1/-
CAN 2.0B
+
TMS320LF2401A
40 (25ns)
40 MHz
3.3V 8K×16
DA: 544×16
SA: 512×16
SCI - 7/1 1
5 kanałowy 10-bit
500ns /kanał
2 - 1/-/-/- +
TMS320LF2402A
40 (25ns)
40 MHz
3.3V 8K×16
DA: 544×16
SA: 512×16
SCI SPI - 8/1
1 8 kanałowy
10-bit
500ns /kanał
2 1 1/1/-/- +
TMS320LF2403A
40 (25ns)
40 MHz
3.3V 16K×16
DA: 544×16
SA: 512×16
SCI SPI - 8/1
1 8 kanałowy
10-bit
500ns /kanał
2 1
1/1/1/-
CAN 2.0B
+
TMS320LF2406A
40 (25ns)
40 MHz
3.3V 32K×16
DA: 544×16
SA: 2K×16
SCI SPI - 16/2
1 16 kanałowy
10-bit
500ns /kanał
4 2
1/1/1/-
CAN 2.0B
+
TMS320F2810
150 (6.67n
s) 150
MHz
3.3V (I/O) 1.8V
(rdzeń)
64K×16
1K×16 OTP ROM
SA: 18K×16
Boot ROM
4K×16 (f. mat.)
- 16/4
1 16 kanałowy
(2 uklady S/H i multiplekser)
12-bit
120ns 8.33MSPS
(2 we.) 80ns
12.5MSPS (1 we.)
3 (CPU)
4 (GPT)
2
2/2/1/-
(1 McBSP)
eCAN 2.0B
+
TMS320F2808
100 (10ns)
100 MHz
3.3V (I/O) 1.8V
(rdzeń)
64K×16
1K×16 OTP ROM
SA: 18K×16
Boot ROM
4K×16 (f. mat.)
- 12/6
1 16 kanałowy
(2 uklady S/H i multiplekser)
12-bit
160ns
6.25MSPS (2 we.)
3 (CPU)
6 (GPT)
2 2/4/2/1
eCAN 2.0B +
3. MIKROMODUŁY µDLH
3.1. Mikromoduł µDLH-F241 W projekcie mikromodułu µDLH-F241 wykorzystany został 16-bitowy kontroler DSP
TMS320F241 (rodzina TMS320C2000), którego podstawowe parametry zamieszczone zostały w tablicy 2. Kontroler ten jest kompatybilny pod względem kodu źródłowego z najstarszymi przedstawicielami tej rodziny – procesorami sygnałowymi TMS320C25/C26. Rozszerzona wersja kontrolera TMS320F241 posiadająca dodatkowo wyprowadzone magi-strale danych i adresów oraz sygnały sterujące dla zewnętrznych przestrzeni pamięci pro-gramu, danych oraz I/O nosi oznaczenie TMS320F243. Schemat blokowy mikromodułu przedstawiono na rys. 2.
ZASILANIEZEWNĘTRZNE 5VDC
STOSOWANE W TRYBIEAUTONOMICZNYM
+5V
GND
ANVZ
VCC VCC VCC VCC VCC VCC
VCC
INTERFEJS
INTERFEJS
INTERFEJS
CANTX
CANL
A
TxRx
B
CANH
Linie I/OPIO0÷PIO5
Sygnały PWMSA-SAPSB-SBPSC-SCP
Linia we./PDPINT(ERROR)
Wejścia analogoweANU, ANV, ANW,
AX0, AX1, AX2, AX3
ADCIN07
/RS
/MR
WDI
CANRX
SCITXD
SCIRXD
RXD
RXD
INTERFEJS
UKŁADmonitorujący“watch-dog”
UKŁADmonitorujący“watch-dog”
ZEGAR
RT
RT
PAMIĘĆ
MAGISTRALA
SDA
SCL
6I/O I/O I
6
7
ZŁĄCZE
Z PODSTAWKĄZGODNYCH 12
3
5
7
911
1214
1315
1618
1719212325
2426
28
29 30
31 32
33 34
35 36
37 38
39 40
41 42
43 45
44 46
47
48
49 51
50
53
52
55
54
57
56
59
58 60
62 61
6364
6566
68 67
27
22 20 10
8
6
4
Rys. 2. Schemat blokowy mikromodułu µDLH-F241 wraz z układem prototypowym
- 67 -
Do komunikacji mikromodułu µDLH-F241 z urządzeniami zewnętrznymi wykorzystać można wszystkie szeregowe interfejsy transmisyjne kontrolera TMS320F241: asynchroniczny SCI, sieciowy CAN oraz synchroniczny SPI. Prowadzenie prac urucho-mieniowych z mikromodułem µDLH-F241 jest możliwe z wykorzystaniem oprogramowa-nia narzędziowego starszej (asembler, kompilator C, HLL Debugger), nowszej (Code Com-poser) lub najnowszej (Code Composer Studio) generacji dla rodziny TMS320C2000. Ła-dowanie kodu i monitoring pracy oprogramowania wymaga zastosowania odpowiedniego emulatora JTAG: XDS510/PP/+ lub innego przystosowanego do współpracy z procesorami serii TMS320 zasilanymi napięciem 5V. Dla użytkownika nie posiadającego zaawansowa-nych narzędzi wspomagających dostępna jest opcja ładowania i zapisu programu w we-wnętrznej pamięci FLASH poprzez interfejs SCI (komunikacja z komputerem PC przez RS-232) lub SPI za pomocą programu ładującego (Boot-loader).
3.2. Mikromoduł µDLH-LF2403A W najnowszym rozwiązaniu mikromodułu µDLH-LF2403A zastosowany został szyb-ki (40MIPS) 16-bitowy kontroler DSP TMS320LF2403A (rodzina TMS320C2000). Jest on jednym z przedstawicieli większej podrodziny kontrolerów DSP TMS320LF240xA, w której znajdują się układy o identycznym rdzeniu, lecz różnym stopniu złożoności peryfe-riów (Tablica 2). Schemat blokowy mikromodułu µDLH-LF2403A oraz jego prototyp przedstawia rys. 3.
ZASILANIEZEWNĘTRZNE 5VDC
STOSOWAN E W TRYBIEAUTO N OMIC ZNYM
+5V+3.3V
GND
ANVZ
VCC
VCC VCCVCC VCC
VCC
VC C
VCC
INTERFEJS
INTERFEJS
INTERFEJS
CANTX
CANL
A
TxRx
B
CANH
Linie I/OPIO0÷PIO5
Sygnały PWM1÷6SA-SAPSB-SBPSC-SCP
Linia we./PDPINT(ERROR)
Wejścia analogoweANU, ANV, ANW,
AX0, AX1, AX2, AX3
ADCIN07
/RS
Vccp
SPISCI
Bootload
Flash Exe.BootROM
/MR
WDI
CANRX
SCITXD
SCIRXD
RXD
RXD
INTERFEJSUKŁADmonitorujący“watch-dog”
UKŁADmonitorujący“watch-dog”
RT
RT
PAMIĘĆ
MAGISTRALA
MAGISTRALA
SDA
SIMO
SCL
SOMICLK
6I/O I
6ZŁĄCZE
Z PODSTAW KĄZGODNYC H 12
3
5
7
911
1214
1315
1618
1719212325
2426
28
29 30
31 32
33 34
35 36
37 38
39 40
41 42
43 45
44 46
47
48
49 51
50
53
52
55
54
57
56
59
58 60
62 61
6364
6566
68 67
27
22 20 10
8
6
4
+UKŁAD
PRZESUNIĘCIAPOZIOMU NAP.
REGULATORNAPIĘCIA
CZUJNIKTEMP.
77
ZŁĄCZESPI
Rys. 3. Schemat blokowy mikromodułu µDLH-LF2403A i układ prototypowy 4. PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA DYDAKTYCZNEGO
Mikromoduł µDLH-F241 wykorzystany został w układzie sterowania trójfazowego mostka tyrystorowego 3×400V zbudowanego podczas realizacji pracy dyplomowej magi-sterskiej w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej. Wykonawcy zaprojektowali i uruchomili własną płytkę bazową z układem pro-gramowalnym CPLD (MAX7000S), w której został osadzony mikromoduł. Podczas prze-prowadzonych eksperymentów wykorzystano nową koncepcję algorytmu sterowania zapro-ponowaną przez prof. Piroga [2]. Zestaw stanowi obecnie wyposażenie laboratorium stu-
- 68 -
denckiego (rys. 4). W wersji docelowej jako obciążenie zastosowany zostanie silnik prądu stałego.
Rys. 4. Schemat blokowy układu sterowania mostka tyrystorowego oraz stanowisko laboratoryjne
4. WNIOSKI KOŃCOWE
Mikromoduły µDLH umożliwiają przyspieszenie procesu projektowania zaawanso-wanych układów sterowania wymagających techniki DSP. Nowe rozwiązanie znalazło zastosowanie w eksperymentach badawczych. Jego walory dydaktyczne wykorzystano w trakcie realizacji prac dyplomowych. Wśród potencjalnych aplikacji wymienić można układy sterowania przekształtnikami energoelektronicznymi oraz zestawy laboratoryjno-dydaktyczne z zakresu energoelektroniki i cyfrowego przetwarzania sygnałów.
5. BIBLIOGRAFIA
1. Dębowski L.: Elastyczne układy sterowania z wykorzystaniem procesorów DSP i zło-żonych układów programowalnych CPLD/FPGA – dydaktyczne wykorzystanie nowo-czesnej platformy sprzętowej i narzędzi programowych, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Nr 17, Gdańsk 2001, s. 37-43, ISSN 1425-5766
2. Piróg S.: Sterowanie trójfazowego mostkowego prostownika tyrystorowego zmniejsza-jącego składową bierną podstawowej harmonicznej prądu źródła, IV Konferencja Na-ukowa „Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym”, SENE, Łódź-Arturówek 1999, s. 555-564, ISBN 83-912711-0-2
NEW MICROMODULES AND APPLICATIONS BASED ON DSP CONTROLLERS
The paper presents an architecture of µDLH micromodules family. The µDLH mi-cromodules are dedicated for the basic DLH flexible control system support and for simple autonomous applications. Basic features of selected DSP controllers are summarized. The µDLH-F241 and µDLH-LF2403A micromodules are presented in details with an applica-tion example.
top related