基于TMS320VC33的磁懸浮列車速控系統(tǒng)

　　基于DSP的磁懸浮列車速控系統(tǒng)采用速度控制系統(tǒng)后，駕駛臺給出的不再是控制力的大小，而是速度大小，由速度控制平臺根據(jù)算法動態(tài)改變列車牽引力。司機只需要改變級位，其它工作都由速控系統(tǒng)來完成。這樣既減輕了司機的工作負擔，同時又有助于提高列車的駕駛質量。考慮到主控PLC并不適合進行數(shù)學運算，我們?yōu)樗倏叵到y(tǒng)專門設計了硬件平臺，它以TMS320VC33(以下簡稱VC33)DSP為核心，配以相應的接口，實現(xiàn)速度控制。

　　1 速控系統(tǒng)總體結構

　　磁懸浮列車的運行速度很高，因此要求速度控制系統(tǒng)具有極高的實時處理速度。VC33 DSP是一種32位浮點處理器，它采用0.18微米制造工藝，是C3X家族的最新一代產(chǎn)品。VC33的功能結構與C31相似，但由于在時鐘、電源、存儲區(qū)設計上做了優(yōu)化，其工作速度更快(每條指令執(zhí)行只需13ns)、功耗更小，并集成了較大的片內存儲區(qū)。

　　圖1虛線框中是速度控制系統(tǒng)的硬件平臺。它分為三部分：與駕駛臺的接口、DSP處理器、與PLC的接口。駕駛臺和PLC都是對數(shù)字I/O量進行操作，I/O量使用的是110V電源電壓，而DSP平臺的數(shù)字I/O量都為3.3V~5V，因此必須在I/O接口實現(xiàn)110V I/O量與3.3V I/O量之間的轉換。檢測系統(tǒng)測量并通過CAN總線上傳列車的速度與位置信息，主控PLC和DSP使用RS485接口接收。

　　2 數(shù)字I/O量接口板的設計

　　I/O接口板(見圖2)用光耦芯片TLP521-4實現(xiàn)110V開關量與3.3V開關量之間的電平轉換。用LVT16245作為DSP目標板與數(shù)字I/O轉換接口之間的鎖存器，控制數(shù)據(jù)流的方向，同時用作數(shù)據(jù)驅動器。它為三態(tài)輸出，未被選通時呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。指示燈指示開關量信息。需要注意，R1、R2是限流電阻，考慮到功耗的關系，應選用大功率電阻(如2W)。

　　3 DSP控制面板的設計

　　3.1 電源時鐘電路

　　不同于C3X家族的其它成員，VC33使用兩種電源供電，3.3V作為芯片的工作電壓，1.8V作為芯片核心的工作電壓。采用兩種供電電壓既可以保證芯片對外圍電路的驅動能力，又可以有效地降低芯片功耗，減小發(fā)熱量。通常的電源僅提供5V的標準電源電壓，因此使用TPS767D318進行5V到3.3V和1.8V的電壓轉換，它可同時輸出3.3V和1.8V兩種電壓，最大可提供1A的電流。電源時鐘電路如圖３所示，圖中的二極管起保持輸出端電壓差的作用。

　　VC33 DSP強化了時鐘電路的作用，共有5個引腳作為時鐘電路的接入引腳。EXTCLK接外部時鐘源，此時DSP使用外部時鐘作為系統(tǒng)時鐘，不用時該引腳接地；XIN、XOUT接外部晶體振蕩器，作為DSP的基準時鐘源；CLKMD0、CLKMD1為時鐘模式選擇引腳，可基于基準時鐘源調整DSP的運行頻率，可選時鐘模式見表1。

　　3.2 存儲區(qū)電路設計

　　加大了片載存儲區(qū)容量是VC33明顯優(yōu)于C3X家族其它成員的地方。VC33共有34K32位存儲區(qū)，24位地址線最大可訪問16M存儲空間。微處理器模式和微計算機模式分別定義了不同的存儲空間分配方式。處于微處理器模式時，DSP在仿真器監(jiān)控的條件下運行經(jīng)仿真器下載到SRAM存儲區(qū)中的程序；當處于微計算機模式時，DSP中的BOOTLOADER將存儲在ROM或FLASH中的程序下載至SRAM區(qū)并開始運行，此時仿真器不起作用。

　　VC33的片內存儲區(qū)在實際應用中難以滿足運行程序與存儲數(shù)據(jù)的需要，因此必須為系統(tǒng)擴展外部存儲區(qū)，包括靜態(tài)SRAM區(qū)和永久ROM區(qū)。SRAM區(qū)在系統(tǒng)工作時與VC33內部存儲區(qū)結合使用，作為系統(tǒng)的工作區(qū)，ROM區(qū)則永久保存運行程序和特定參數(shù)，系統(tǒng)上電時由引導程序將ROM區(qū)中的程序和數(shù)據(jù)讀至SRAM區(qū)中。

　　VC33的高速特點要求擴展的SRAM必須有極高的存取速度，這里選用兩片64K×16bit的IDT71V016 SRAM組成64K×32bit片外存儲區(qū)，其地址訪問時間僅為12ns，能夠滿足存取速度的要求。

　　由于系統(tǒng)只在上電和復位時訪問永久ROM，對它的存取時間要求不太高，采用一片512K×16bit的am29lv800b FLASH ROM，其訪問時間為60~120ns。FLASHROM可多次重復擦拭，數(shù)據(jù)保存時間長，寫入程序不需要額外的工具。瑞泰創(chuàng)新公司提供了專用的FLASH寫入程序，也可根據(jù)實際情況自己編寫，靈活性很好。

　　圖4是電路設計原理圖，用G20V8B進行地址選通，后面還會詳細介紹DSP板的地址選通邏輯。圖中CLKR0是串口式時鐘引腳，這里作I/O端口(可通過設置串口控制寄存器實現(xiàn))，接收FLASH狀態(tài)信號。

3.3 數(shù)字I/O接口設計

　　數(shù)字I/O接口用來與I/O接口板相連，發(fā)送和接收32位開關量控制信息。LVT16245用作32位數(shù)據(jù)線的總線驅動與數(shù)據(jù)鎖存器，保證信號的傳輸質量。32位信號經(jīng)32位數(shù)據(jù)總線發(fā)送和接收，由相應的地址選通邏輯控制信號的讀取方向。因為DSP從駕駛臺讀取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC，地址選通邏輯在控制LVT16245的數(shù)據(jù)方向的同時，還必須兼顧I/O接口板的數(shù)據(jù)流方向。

　　3.4 串口設計

　　DSP系統(tǒng)板需要采集來自RS485端口的速度位置信息。DSP自身帶有串口引腳，但其傳輸為同步方式，無法與異步方式的RS485接口相連。因此選用有自動流控功能的異步通信芯片TL16C550C實現(xiàn)DSP的串口通信(見圖5)。

　　TL16C550C(ACE)在從外設或Modem接收數(shù)據(jù)時實現(xiàn)從串口到并口的轉換，當從CPU接收數(shù)據(jù)時實現(xiàn)并口到串口的轉換，CPU可在任何時候讀取芯片的狀態(tài)。ACE包含完全的Modem控制能力和處理器中斷系統(tǒng)，可配合來最小化通信連接軟件管理。

　　ACE包含波特率發(fā)生器，可對輸入時鐘分頻和倍頻，規(guī)則包含了接收器的16倍頻時鐘，ACE有1M波特的串口傳輸率，因此每一位耗時1μs，一個字節(jié)耗時10μs。

　　ACE包含了12個完全可訪問的寄存器，DSP可通過對這些寄存器的讀寫操作控制ACE的工作狀態(tài)。用A0~A2選擇寄存器地址，D0~D7讀寫寄存器內容。

　　ACE可直接進行9線模式的串口通信。為提高串口的驅動能力，適應RS232和RS485標準，額外為其增加了兩片串口芯片MAX232、MAX485，使DSP板通過串口傳遞信息時不再需要額外的設備。通過跳線進行不同串口通信模式的轉換。

　　3.5 地址的分配與選通

　　上面介紹的存儲區(qū)、數(shù)字I/O端口、串口都需要占用DSP的16M地址空間，合理分配地址和選通引腳成為關鍵。VC33提供了一個專用的地址選通引腳STRB，它與預解碼引腳PAGE0~PAGE3配合使用，能夠快速訪問特定地址。本系統(tǒng)的地址分布比較復雜，使用GAL20V8B進行邏輯運算。表2是地址空間分配表。