磁懸浮軸承控制器中MAX115與DSP的接口設(shè)計(jì)

引言
在五自由度主動(dòng)磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中，采用由工控PC+DSP控制器的架構(gòu)是一種較好的方法，而DSP核心控制器則是磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中非常重要的一部分，對(duì)主軸位置信號(hào)的精確采集是DSP控制器的首要任務(wù)。在本控制器中采用MAX115對(duì)主軸位置的模擬信號(hào)進(jìn)行采集。

圖1 磁懸浮軸承DSP控制器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2  MAX115與TMS320F240 DSP之間的接口電路圖

磁懸浮控制器中的ADC選擇
在磁懸浮主軸控制器的設(shè)計(jì)中，對(duì)主軸位置的測(cè)量是至關(guān)重要的。位置傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理電路處理后被傳送到A/D采樣通道，ADC把得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，芯片采樣的精度和分辨率以及采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間是非常重要的技術(shù)參數(shù)，它們直接決定著控制速度和控制精度。本控制器中采用的傳感器是一種電渦流位移傳感器。它是一種高精度無(wú)接觸式傳感器。
本系統(tǒng)要求能分辨1mm位置信號(hào)，根據(jù)傳感器的傳感特性，必須要求有至少為12位的分辨率。同時(shí)本系統(tǒng)中要求絕對(duì)精度不低于±1LSB。 由于磁力軸承系統(tǒng)要求的控制周期很短(一般小于200ms),故要求ADC的采樣時(shí)間也必須很快(一般在20ms內(nèi))。
綜上考慮選用Maxim公司的MAX115作為ADC來(lái)完成主軸位置信號(hào)的采集。MAX115是12位2×4通道同步采樣逐次比較型ADC，其具有兩組ADC，每組4通道連續(xù)采集保持；單通道轉(zhuǎn)換時(shí)間為2ms；轉(zhuǎn)換精度±1/2LSB；4通道傳輸率為16ksps；并且內(nèi)部具有2.5V參考電壓和10MHz時(shí)鐘，極大地精簡(jiǎn)了外部附加電路；其高速的并行接口可以方便地與DSP相連。

MAX115與TMS320F240
的接口電路
圖1是磁懸浮軸承DSP控制器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中4路主軸位置信號(hào)經(jīng)由MAX115進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，采集結(jié)果通過(guò)中斷方式輸入到DSP內(nèi)。DSP經(jīng)過(guò)濾波算法處理后，將采集數(shù)據(jù)寫(xiě)到雙口RAM內(nèi)，計(jì)算機(jī)通過(guò)ISA總線訪問(wèn)雙口RAM并將其中的數(shù)據(jù)取走，進(jìn)行上位機(jī)的圖形顯示、數(shù)據(jù)分析等功能。同時(shí)DSP進(jìn)行控制算法計(jì)算，計(jì)算之后將控制數(shù)據(jù)通過(guò)控制器板卡上的4路DAC輸出給功率放大器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸的控制。這樣，利用DSP處理速度快的特點(diǎn)來(lái)完成算法的計(jì)算，利用PC機(jī)強(qiáng)大的多媒體處理特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸位置監(jiān)視和數(shù)據(jù)分析，DSP和PC同時(shí)相對(duì)獨(dú)立工作，互不影響，從而加快了系統(tǒng)的處理速度。
MAX115和DSP硬件的接口設(shè)計(jì)如圖2所示，MAX115引腳A0-A3和引腳D0-D11是具有三態(tài)的雙向接口，可以直接和DSP相關(guān)引腳進(jìn)行連接。為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和增加可靠性，系統(tǒng)中使用的是內(nèi)部基準(zhǔn)電源，此時(shí)要將REFIN引腳接上一個(gè)0.1mF的旁路電容；同時(shí)使用內(nèi)部時(shí)鐘10MHz，并將CLK引腳接上VCC。
MAX115與TMS320F240進(jìn)行接口設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是MAX115數(shù)據(jù)線和控制模式線共用問(wèn)題。由于MAX115的D1/A3，D0/A2為數(shù)據(jù)和地址共用引腳，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)不能將此引腳同時(shí)連接到DSP的地址線和數(shù)據(jù)線，此處即為DSP和MAX115接口連接的難點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)用一種全新的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镈SP有16位的數(shù)據(jù)線，而MAX115只需要12位數(shù)據(jù)線和2根工作模式控制引腳，所以通過(guò)將DSP的14根數(shù)據(jù)線直接接到MAX115上的地址和數(shù)據(jù)線，即D0接AD_A0，D1接AD_A1，D2接AD_D0，D3接AD_D1，D4接AD_D2......D13接AD_D11，當(dāng)對(duì)MAX115進(jìn)行編程時(shí)，通過(guò)可編程邏輯器件MAX7128進(jìn)行地址選通，MAX7128編程采用Altera公司的Max+plusⅡ集成環(huán)境，使用AHDL語(yǔ)言編寫(xiě)。
... ...
MAX115的和信號(hào)線由DSP的和分別直接連接即可。通過(guò)DSP的數(shù)據(jù)線的D0-D3作為編程地址線從而對(duì)其工作模式進(jìn)行編程。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，要從ADC中讀取數(shù)據(jù)，讀到14位數(shù)據(jù)D13-D0時(shí)，再將所得數(shù)據(jù)左移2位，即屏蔽掉低2位無(wú)效的輸入后，即可得到12位A/D采集數(shù)據(jù)。另一個(gè)問(wèn)題是MAX115與DSP接口的速度匹配問(wèn)題，由于DSP速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致MAX115無(wú)法正常工作，所以系統(tǒng)中采用軟件的方法插入等待狀態(tài)，具體操作見(jiàn)下文的軟件設(shè)計(jì)。
控制器中MAX115的片選()信號(hào)、轉(zhuǎn)換開(kāi)始()信號(hào)及讀()寫(xiě)()信號(hào)都是由MAX7128產(chǎn)生的。MAX7128編程方便，易于調(diào)試，用其實(shí)現(xiàn)快速地址選通等功能來(lái)加快系統(tǒng)的處理速度。其中DSP的參與地址譯碼。

軟件設(shè)計(jì)
DSP作為下層的CPU來(lái)控制數(shù)據(jù)采集的整個(gè)過(guò)程。本控制器設(shè)計(jì)使用的編程軟件是TI公司的CCS，采用C語(yǔ)言及嵌入式匯編編程，這樣編寫(xiě)的程序簡(jiǎn)潔，易于讀懂。
本控制器采用4通道連續(xù)轉(zhuǎn)換，A3A2A1A0=0011。上電后DSP給MAX115寫(xiě)入工作方式，然后送信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始，轉(zhuǎn)換完成后，MAX115發(fā)出請(qǐng)求AD_INT變低，DSP中斷立刻開(kāi)始讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。MAX115的與DSP的XINT1相連，作為DSP的外部中斷輸入。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，變低，DSP進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出。這種方法應(yīng)用于快速轉(zhuǎn)換，只要中斷來(lái)了便進(jìn)行轉(zhuǎn)換，充分利用了CPU的資源。下面給出了中斷方式下DSP控制A/D轉(zhuǎn)換的部分程序。其中主要以中斷子程序?yàn)橹?，其它中斷初始化及其DSP中斷向量程序均省略。
_____ A/D轉(zhuǎn)換電路   _____
data＝0X03;                 /*MAX115工作方式選擇A3A2A1A0=0011*/
asm(" OUT  _data,0003h ");  
/*選擇ADC,并寫(xiě)入工作模式*/
asm("rpt  XXX ");          
/*XXX為一個(gè)數(shù)值 其大小應(yīng)根據(jù)實(shí)際調(diào)試而決定*/
  asm(" nop ");               
/*延時(shí) 匹配速度*/
asm(" OUT  _data,1003h ");  
/*A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始用地址1003h來(lái)選中信號(hào)*/
_____A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取_____
void  AD_INT()
{  asm(" IN  _ad_result1,0003h ");   /*讀入AD_CH1A轉(zhuǎn)換結(jié)果*/ 
  ad_result1=ad_result1&0x0fff; 
  ad_result1=ad_result1*2;   
/* CH1A通道最后結(jié)果ad_result1*/
asm(" rpt  XXX "); 
  asm(" nop ");          
   asm(" IN  _ad_result2,0003h ");  /*讀入AD_CH2A轉(zhuǎn)換結(jié)果*/ 
   ad_result2=ad_result2&0x0fff;
   ad_result2=ad_result2*2; 
/* CH2A通道最后結(jié)果ad_result2*/
asm(" rpt  XXX "); 
   asm(" nop ");          
   asm(" IN  _ad_result3,0003h ");   /*讀入AD_CH3A轉(zhuǎn)換結(jié)果*/ 
   ad_result3=ad_result3&0x0fff;
   ad_result3=ad_result3*2; 
/* CH3A通道最后結(jié)果ad_result3*/
asm("rpt  XXX "); 
   asm(" nop ");         
   asm(" IN  _ad_result4,0003h ");   /*讀入AD_CH4A轉(zhuǎn)換結(jié)果*/
   ad_result4=ad_result4&0x0fff;       
   ad_result4=ad_result4*2; 
/* CH4A通道最后結(jié)果ad_result4*/
}
調(diào)試程序時(shí)一定要注意MAX115與DSP的時(shí)序配合問(wèn)題，參考Maxim公司的MAX115產(chǎn)品資料，根據(jù)資料所標(biāo)示出的時(shí)序圖來(lái)調(diào)試電路。在送A/D工作模式后，再送信號(hào)，12ms后MAX115輸出信號(hào)，此信號(hào)可以作為A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成的標(biāo)志。如果是多通道A/D采集，在讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，要在讀每通道之間加不小于45ns的延時(shí)，這樣才能保證讀出數(shù)據(jù)是可靠真實(shí)的模擬信號(hào)。

結(jié)語(yǔ)
本文主要探討了12位ADC MAX115與TMS320F240之間的硬件接口電路，并給出了采集程序的流程，在實(shí)際的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)中采用了中斷采集法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁懸浮主軸位置的精確測(cè)量，達(dá)到了很好的效果。