基于雙CPU系統(tǒng)的工作原理及實(shí)現(xiàn)接口電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)

作者：劉建;程漢湘;朱約章;吳春芳

在SVG（靜止無功發(fā)生器）裝置中涉及到大量的復(fù)雜計(jì)算（如濾波計(jì)算?瞬時(shí)無功計(jì)算）和先進(jìn)的控制手段（如矢量控制）以及諸多信號(hào)的采集和發(fā)送，使得單個(gè)CPU很難滿足系統(tǒng)要求?因此采用高集成度的嵌入式處理器與DSP芯片組成雙CPU系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制?

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的組成及原理

雙CPU系統(tǒng)的原理圖框圖如圖1所示?系統(tǒng)采用80C196KC和ADMC401兩個(gè)芯片作為核心處理器?ADI公司的ADMC401芯片是基于DSP的控制器，非常適于工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的高性能控制?該芯片集成了一個(gè)高速的DSP內(nèi)核，且其內(nèi)核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成的環(huán)境中快速實(shí)現(xiàn)控制?Intel公司的80C196（KB/KC）是一款高性能且價(jià)格低廉的16位單片機(jī)，同樣適用于高速控制和需要多個(gè)外設(shè)的場(chǎng)合?兩個(gè)CPU在運(yùn)行時(shí)獨(dú)立執(zhí)行存放在不同器件中的程序，同時(shí)保持相互之間的協(xié)調(diào)工作?考慮到系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，如果使用傳統(tǒng)的RAM?ROM和邏輯譯碼器件分離的系統(tǒng)接線方式，必定會(huì)使得整個(gè)控制電路過于龐雜，給調(diào)試帶來很大困難，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性?因此，該系統(tǒng)用到了可編程系統(tǒng)外圍接口器件PSD產(chǎn)品中的PSD4235和PSD311?它們分別作為兩個(gè)CPU的外部擴(kuò)展器件，并和CPU組成一個(gè)雙CPU-PSD系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱雙CPU系統(tǒng)），如圖1所示?兩個(gè)CPU間的相互通信采用了雙口RAM（IDT7132），通過它可以順利實(shí)現(xiàn)兩個(gè)CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸?鍵盤管理部分用82C79接口芯片?輸出顯示部分用以SED1520為驅(qū)動(dòng)芯片的MGLS-12032A液晶模塊（LCD）?系統(tǒng)中專門增加了額外的串行E2PROM，主要用于掉電時(shí)數(shù)據(jù)的保護(hù)以及記錄部分操作參數(shù)?此外，組成系統(tǒng)的還有WATCHDOG電路?UART電路等?它們?cè)谙到y(tǒng)中的資源分配?功能實(shí)現(xiàn)都是通過對(duì)控制器的軟件編程來完成?下面將詳細(xì)介紹各部分的接口電路設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的工作原理?

1.2 80C196KC部分設(shè)計(jì)

16位的80C196KC芯片是Intel公司MCS-96系列單片機(jī)中重要的新成員，也是目前該系列單片機(jī)中性能最強(qiáng)的產(chǎn)品之一，在各類自動(dòng)控制系統(tǒng)?數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高級(jí)智能儀器中都有廣泛的應(yīng)用?80C196KC芯片的特點(diǎn)如下：振蕩信號(hào)頻率達(dá)16MHz，指令的運(yùn)算速度更快，16位乘法1.75μs，32位除法3.0μs;8個(gè)A/D通道，可以方便地實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象多點(diǎn)電壓和電流采樣;通過CPU的串行口可實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)之間的通信;新增100H~1FFH內(nèi)部RAM，在垂直窗下具有更靈活的運(yùn)用;具有三路脈寬調(diào)制（PWM）輸出;在80C196KB的基礎(chǔ)上又增加了5條（KB已經(jīng)增加了6條），使程序編制更加方便;16位多路復(fù)用地址數(shù)據(jù)/地址線可以與PSD直接接口，同時(shí)通過鎖存器后，可將地址和數(shù)據(jù)分別接至雙口RAM，實(shí)現(xiàn)多個(gè)CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?詳細(xì)的性能參數(shù)和特點(diǎn)請(qǐng)參見文獻(xiàn)［1~2］?在雙CPU系統(tǒng)中，80C196主要完成的功能有鍵盤控制?顯示輸出?數(shù)據(jù)保存?信號(hào)傳送等?由于涉及的內(nèi)容復(fù)雜，而且還需要與很多外圍接口，所以用到了大容量?多端口的PSD4000系列芯片與它配合，圖2所示即為80C196KC部分的電路圖?

雖然CPU的數(shù)據(jù)與地址線可以直接與PSD連接，但是在雙口RAM時(shí)，數(shù)據(jù)與地址信號(hào)必須分離?所需用到的鎖存器在圖2中省略了?PSD4235芯片是WSI公司2000年最新推出PSD4000系列產(chǎn)品，它能夠適應(yīng)多種不同的微處理器?其片內(nèi)集成了4M位的閃速存儲(chǔ)器，16個(gè)輸出微單元?24個(gè)輸入微單元的CPLD?譯碼PLD，52個(gè)單獨(dú)可配置I/O端口，JTAG串行接口等，并且有支持掉電模式的低功耗可編程電源管理單元?PSD芯片對(duì)外地址分配和各接口的邏輯譯碼由專用的軟件PSDSOFTTMLITE實(shí)現(xiàn)，具體情況請(qǐng)參考文獻(xiàn)?使用PSD后極大地簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，減少了印制電路板的面積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性?顯示部分通過單片機(jī)控制圖形液晶模塊MGLS-12032實(shí)現(xiàn)?該模塊有直接訪問方式和間接訪問方式兩種?本系統(tǒng)以間接訪問方式為基礎(chǔ)?圖2所示即為間接訪問方式的電路?顯示模塊的時(shí)序通過對(duì)80C196編程實(shí)現(xiàn)?液晶模塊MGLS-12032A是兩片SED1520級(jí)聯(lián)在一起，一片處于主工作方式，一片處于從工作方式，它們分別控制顯示屏幕的左?右半屏?在編程時(shí)要特別注意漢字和字符顯示時(shí)在邊界區(qū)域兩片SED1520間的切換?模塊詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和具體的編程實(shí)現(xiàn)方法可查閱文獻(xiàn)?

系統(tǒng)中外部擴(kuò)展了串行的E2PROM電路，用來存放系統(tǒng)的一些固定參數(shù)等，使用的芯片是Atmel公司的AT24C02?它只需通過80C196KC的高速輸入?輸出通道（HIS和HSO）產(chǎn)生連續(xù)的高低電平序列，便可實(shí)現(xiàn)與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸?從硬件的角度來看，該芯片不占用任何數(shù)據(jù)總線，連接簡(jiǎn)單且節(jié)約大量系統(tǒng)資源?

1.3 ADMC401部分設(shè)計(jì)

ADMC401芯片是一個(gè)基于單片DSP的控制器，適合工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中高性能控制?該芯片集成了一個(gè)26MIPS（13MHz晶振）定點(diǎn)內(nèi)核ADSP-2171，單條指令執(zhí)行時(shí)間為38.5ns，其編碼與ADSP-21xxDSP 系列完全兼容?內(nèi)核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成環(huán)境中快速實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件的控制;它還包含三個(gè)計(jì)算單元?兩個(gè)數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個(gè)程序定序器?其中計(jì)算單元包含一個(gè)算術(shù)邏輯單元ALU?一個(gè)乘法/累加器（MAC）和一個(gè)桶式移位器?內(nèi)核還增加了位操作?平方?四舍五入和全局中斷屏蔽等指令?除此之外，ADMC401芯片包括兩個(gè)靈活的雙緩沖器?雙向的同步串行口?圖3為ADMC401的功能框圖?ADMC401芯片提供2K×24位的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器RAM?2K×24位的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM?1K×16位的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM?1個(gè)高性能8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC系統(tǒng)（它能經(jīng)過4對(duì)輸入實(shí)現(xiàn)雙通道同時(shí)采樣）?1個(gè)三相16位中心對(duì)稱的PWM發(fā)生器（能以最小開銷產(chǎn)生高精度的PWM信號(hào)）?1個(gè)靈活的增量編碼器接口單元?2個(gè)可調(diào)頻的輔助PWM輸出?12條I/O數(shù)字信號(hào)線?1個(gè)雙通道事件捕獲系統(tǒng)?1個(gè)16位看門狗定時(shí)器?2個(gè)16位內(nèi)部定時(shí)器等?

PSD3XX芯片內(nèi)部同樣提供了許多應(yīng)用系統(tǒng)需要的全部元件和外圍?對(duì)于8051?80196和68HC11等微控制器來說與PSD相配合是極為有用的?ADMC401與它結(jié)合同樣非常有效?考慮到ADMC401內(nèi)部程序的長(zhǎng)度以及接口并不象80196控制器那么多（80196需要完成人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)?信號(hào)傳送?外圍器件接口等），所以采用PSD311（現(xiàn)有價(jià)格最低的3系列產(chǎn)品）?ADMC401芯片的引導(dǎo)程序裝載可以通過兩個(gè)引腳MMAP和BMODE的各種不同狀態(tài)產(chǎn)生?如果引腳MMAP和BMODE電位都為0，那么ADMC401芯片工作在所謂的EPROM引導(dǎo)程序模式，其中被稱為“引導(dǎo)存儲(chǔ)器”的專用外部存儲(chǔ)空間將允許芯片和字節(jié)寬度的EPROM相連，并在上電時(shí)通過存儲(chǔ)器接口從外部裝載程序;如果引腳MMAP和BMODE設(shè)置為其它電位將會(huì)產(chǎn)生不同的引導(dǎo)模式;另外，401芯片有一個(gè)專門的低電平有效信號(hào)--引導(dǎo)存儲(chǔ)器選擇BMS（Boot Memory Select）簡(jiǎn)化了引導(dǎo)存儲(chǔ)器的接口?以上這些功能極大地方便了ADMC401與PSD接口?

圖4為ADMC401與PSD311的接口電路圖（圖中還包括了一些其它外圍）?ADMC401與PSD311的連接幾乎和它與標(biāo)準(zhǔn)的EPROM連接一樣簡(jiǎn)單?由于總線的通路布在ADMC401內(nèi)部，PSD311的8根數(shù)據(jù)線并不與ADMC401的D7~D0相連，而是與D15~D8C相連?還要注意，地址的最高位由ADMC401的D22線提供（在ADMC401中沒有A14地址線）?BMS信號(hào)充當(dāng)EPROM的片選并與PSD311的A19輸入相連接?A19在PSD的程序里將被定義為芯片使能信號(hào)?ADMC401生成低有效讀和寫選通脈沖，它們與PSD311的RD和WR輸入相連?這些選通脈沖在傳輸中用來選通PSD311的EPROM和RAM?ADMC401有2K×24位的內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間?在采用EPROM引導(dǎo)程序模式時(shí)（MMAP=0，BMODE=0），外部程序通過ADMC401內(nèi)部的定序器按照24位命令格式一次性全部下載到其內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間?當(dāng)然應(yīng)用程序可能大于ADMC401內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間，不過程序如果執(zhí)行到后面的代碼，ADMC401會(huì)自動(dòng)重新引導(dǎo)?引導(dǎo)程序存儲(chǔ)器由八頁組成，每頁8K字節(jié)長(zhǎng)?

一頁中除了第一個(gè)字節(jié)外每隔三個(gè)字節(jié)是一個(gè)空字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)是該頁的長(zhǎng)度，在兩個(gè)相鄰空字節(jié)中每組三個(gè)字節(jié)包含一個(gè)要裝入DSP 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的24位指令?也就是說2K×24位的內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間需要8K×8位的外部存儲(chǔ)空間?在ADMC401的開發(fā)工具中有一個(gè)程序存儲(chǔ)器PROM分配器實(shí)用程？quot;SPL21.exe“?它為用戶程序計(jì)算正確的頁長(zhǎng)度，并且根據(jù)適當(dāng)?shù)膮f(xié)議為用戶程序的字節(jié)排序，極大地方便了程序代碼的生成?這些生成的代碼可以直接寫入PSD311?

2 80C196KC-ADMC401兩片系統(tǒng)在SVG裝置中的應(yīng)用

SVG（Static Var Generator）--靜止無功發(fā)生器也被稱為STATCOM（Static Synchronous Compensator），是靈活交流輸電系統(tǒng)FACTS（Flexible AC Transmission System）技術(shù)中一個(gè)重要的基礎(chǔ)部件?雖然SVG裝置的成本要高一些，但其靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性?優(yōu)越的補(bǔ)償效果以及更小的設(shè)備體積都是其他無功補(bǔ)償裝置不能比擬的?很多文獻(xiàn)資料對(duì)SVG裝置的原理和研制都有介紹?圖5為兩片系統(tǒng)的SVG裝置結(jié)構(gòu)圖?

系統(tǒng)共分為三個(gè)主要部分?第一部分是由80C196KC-ADMC401兩片系統(tǒng)構(gòu)成的檢測(cè)控制部分?80196主要負(fù)責(zé)人機(jī)界面的完成以及向上位機(jī)發(fā)送信號(hào)等功能?ADMC401的高速流水線式的8路A/D采樣端口也為電壓電流的快速采集提供了保證，同時(shí)ADMC401還要完成數(shù)字濾波計(jì)算?無功計(jì)算?PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生發(fā)送等功能?第二部分是由IGBT模塊構(gòu)成的逆變電路?SVG裝置的關(guān)鍵部件就是它的逆變橋路部分，而ADMC401集成的專用6路PWM波發(fā)生器正好提供了靈活的控制方法?此外，逆變電路部分采用富士電機(jī)最新推出的R系列IGBT-IPM模塊7MBP100RA-120?

它將過去的IGBT單元?驅(qū)動(dòng)電路?保護(hù)電路等結(jié)合在一個(gè)模塊中，極大地提高了實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的難度，縮小了裝置的體積?第三部分是由電力二極管構(gòu)成的全波整流電路?整流電路采用日本富士公司的三相全波整流模塊6RI100G-160?主要將三相線路上的交流電壓變?yōu)橹绷鬏敵觯瑥亩S持直流電容兩端電壓的穩(wěn)定，為逆變電路提供一個(gè)直流電?這樣避免了要輕微改變逆變器的觸發(fā)工作角來達(dá)到提高和穩(wěn)定電容上電壓的情況?電流的檢測(cè)是利用KT100-P型電流傳感器完成，電壓的檢測(cè)是利用CHV-50P電壓傳感器完成?輸出顯示部分是用以SED1520為驅(qū)動(dòng)芯片的MGLS-12032A液晶模塊?以上各部件功能都是通過對(duì)ADMC401數(shù)字信號(hào)處理芯片和80C196KC軟件編程實(shí)現(xiàn)? 80C196KC和ADMC401組成的兩片系統(tǒng)，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，非常適合計(jì)算量大?多外設(shè)?高速度的場(chǎng)合?

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