基于DSP和CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究

一、背景及DSP+CPLD系統(tǒng)優(yōu)越性

作為電氣主設(shè)備，電動(dòng)機(jī)是數(shù)量最多的一種，電動(dòng)機(jī)及其保護(hù)的運(yùn)行正常與否，直接關(guān)系到國(guó)計(jì)民生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可靠的保護(hù)每年可減少約20萬(wàn)臺(tái)（次）以上的電動(dòng)機(jī)燒毀，減少經(jīng)濟(jì)損失數(shù)億元。

傳統(tǒng)智能儀器大多數(shù)都是在單片機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)的?；趩纹瑱C(jī)的保護(hù)裝置受其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘和總線的限制，運(yùn)算能力弱，實(shí)時(shí)性差，軟硬件通用性不強(qiáng)，系統(tǒng)靈活性不高，日益不能滿足上述需要。DSP處理器因內(nèi)部采用了區(qū)別于傳統(tǒng)單片機(jī)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的哈佛結(jié)構(gòu)而克服了取指令和數(shù)據(jù)都通過(guò)同一條總線完成而造成的傳輸通道瓶頸效應(yīng)的問(wèn)題。可編程邏輯器件（PLD）經(jīng)歷了從PROM、PLA、PAL、GAL等低密度的PLD，發(fā)展到CPLD和FPGA兩種大規(guī)模的PLD，開發(fā)工具越來(lái)越完善，應(yīng)用越來(lái)越普及。將CPLD/FPGA和DSP技術(shù)的結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP器件系統(tǒng)的解決方案，為測(cè)控儀器向高層次智能化方向發(fā)展提供了充分的現(xiàn)實(shí)可行性。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)大型設(shè)備智能在線監(jiān)測(cè)，本文以WSM2000 DSP智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置項(xiàng)目為背景，對(duì)一種DSP+CPLD新型的智能儀器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用美國(guó)TI 公司生產(chǎn)的浮點(diǎn)DSP器件TMS320C32作為底層主處理器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D采集得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并且把所有控制電路、地址分配等設(shè)計(jì)在EPM7128S中，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，體積小型化，功能多樣化。AD1674用來(lái)進(jìn)行信號(hào)的采集，F(xiàn)LASH Memory用來(lái)存放軟件代碼、主要功能參數(shù)、故障數(shù)據(jù)記錄等；SRAM的功能一是程序仿真時(shí)使用，二是在系統(tǒng)脫機(jī)運(yùn)行時(shí)，將FLASH Memory中的軟件搬運(yùn)到SRAM中運(yùn)行，提高軟的運(yùn)行效率。系統(tǒng)功能模塊圖1所示。

三、 CPLD開發(fā)流程

CPLD的開發(fā)是指用利用CPLD芯片并借助于其開發(fā)系統(tǒng)，按照開發(fā)系統(tǒng)的工作步驟，將用戶設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成CPLD配置數(shù)據(jù)并下載到CPLD芯片中實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)計(jì)要求的全過(guò)程。其設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

四、液晶顯示（LCD）模塊設(shè)計(jì)

1 硬件接口設(shè)計(jì)內(nèi)置

T6963C控制器型液晶顯示模塊接口，由指令鎖存器、數(shù)據(jù)鎖存器、數(shù)據(jù)緩沖器、狀態(tài)寄存器以及數(shù)據(jù)控制電路、數(shù)據(jù)棧區(qū)等組成。接口部實(shí)現(xiàn)了CPU和T6963C內(nèi)部寄存器及其所管理的顯示存儲(chǔ)器的存取操作，實(shí)現(xiàn)了CPU操作時(shí)序與T6963C內(nèi)部工作時(shí)序的轉(zhuǎn)換。CPU對(duì)T6963C的每次操作時(shí)，接口部的鎖存器保留了其發(fā)來(lái)的指令代碼或顯示數(shù)據(jù)，并立即封鎖了接口部的對(duì)外電路，將后續(xù)的處理過(guò)程轉(zhuǎn)換到T6963C控制部的工作時(shí)序上，直到處理完成，方釋放接口部對(duì)外電路，等待下一次訪問(wèn)。T6963C與TMS320C32和EPM7128S接口如圖3所示：

TMS320C32的/IOSTROB 、A1、A0、引腳進(jìn)行地址譯碼，參與系統(tǒng)的統(tǒng)一編址。/IOSTROB=0時(shí)，DSP對(duì)應(yīng)有效地址為810000H--82FFFFH，當(dāng)?shù)刂肪€A0為1時(shí)選通LCD，地址線A1用來(lái)實(shí)現(xiàn)液晶的數(shù)據(jù)通道和指令通道的區(qū)分，A1=1時(shí)為指令通道，A1=0時(shí)為數(shù)據(jù)通道。LCD接口地址為： 818003H為指令通道818001H 為數(shù)據(jù)通道。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)T6963C接口部設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)棧，在寫帶有參數(shù)的指令時(shí)，先向數(shù)據(jù)通道寫入?yún)?shù)，接口部將其存在數(shù)據(jù)棧中，然后通道寫入指令代碼。T6963C將根據(jù)指令代碼的含義將數(shù)據(jù)棧內(nèi)最近的數(shù)據(jù)作為其參數(shù)一同進(jìn)行處理。讀顯示數(shù)據(jù)時(shí)，先寫入操作的指令代碼，T6963C將所需的顯示數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)棧中，然后讀數(shù)據(jù)操作將數(shù)據(jù)棧中的數(shù)據(jù)讀出。

3 內(nèi)置T696 3C液晶顯示模塊的軟件實(shí)現(xiàn)

（1）、地址分配及定義

.data

LCDC_ADD .equ 820003H；指令通道

LCDD_ADD .equ 820001H；數(shù)據(jù)通道

（2）、狀態(tài)字檢測(cè)子程序

LCDR_ST： LDI @LCDC_ADD，R0

RETS

由此程序派生出判斷有關(guān)標(biāo)志位的子程序：

《1》判斷狀態(tài)位STA1和STA0子程序，在寫指令的讀、寫數(shù)據(jù)之前，這兩個(gè)標(biāo)志位必須同時(shí)為“1”。

LCDST01： CALL LCDR_ST

LDI R0，R1

AND 01H，R1

BZ LCDST01

AND 02H，R0

BZ LCDST01

RETS

《2》判斷狀態(tài)位STA3子程序（數(shù)據(jù)自動(dòng)寫狀態(tài)）

LCDST3： CALL LCDR_ST

AND 08H，R0

BZ LCDST3

RETS

（3）、寫指令和寫數(shù)據(jù)子程序

LCDPR1 ： CALL LCDST01；雙字節(jié)參數(shù)指令寫入入口

LDI AR1，R0

CALL LCDPR13

LCDPR11： CALL LCDST01 ；單字節(jié)參數(shù)指令寫入入口

LDI AR2，R0

CALL LCDPR13

LCDPR12： CALL LCDST01 ；無(wú)參數(shù)指令寫入入口

LDI AR3，R0

LCDPR14： STI R0，@LCDC_ADD ；寫入指令操作

RETS

LCDPR13： STI R0，@LCDD_ADD；寫入數(shù)據(jù)操作

RETS

（4）、讀數(shù)據(jù)子程序

LCDPR2： CALL LCDST01 ；判狀態(tài)位

LDI @LCDD_ADD，R0 ；讀數(shù)據(jù)操作

RETS

五、 系統(tǒng)在線編程

因系統(tǒng)最終要脫仿真器獨(dú)立運(yùn)行，所以要把程序燒寫到掉電非丟失存儲(chǔ)器FLASHROM中。本系統(tǒng)開發(fā)所采用的將存儲(chǔ)器安裝到用戶電路板上進(jìn)行編程的方法將用戶程序代碼裝入 FLASH存儲(chǔ)器的。它包括現(xiàn)在普遍采用的在系統(tǒng)編程（In System Programming，ISP），通過(guò)系統(tǒng)的微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的編程。

1、 FLASH在線編程實(shí)現(xiàn)

對(duì)FLASH的基本操作主要有讀、字節(jié)編程、復(fù)位、扇區(qū)擦除、片擦除等。Am29F010B閃爍存儲(chǔ)器讀操作與普通的存儲(chǔ)器操作相同，不需要特定的時(shí)序，在電路上電或內(nèi)部編程等操作技術(shù)后，自動(dòng)進(jìn)入讀數(shù)據(jù)狀態(tài)。而擦除和寫操作相對(duì)復(fù)雜一些。它不能簡(jiǎn)單的直接寫入，.OUT文件不能LOAD到FLASH中，CCS和C Source Debugger中的LOAD命令均不能對(duì)FLASH寫入，需要專門的程序?qū)懭胍幌盗蠪lash Memory的命令寄存器，然后調(diào)用嵌入式算法的內(nèi)部程序來(lái)完成相應(yīng)的命令。Am29F010B編程一般步驟是復(fù)位、擦除、字節(jié)編程等。

2、 系統(tǒng)軟件加載程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件加載程序的主要作用是在系統(tǒng)上電處理器初始化后，開始執(zhí)行的一段代碼，將用戶實(shí)時(shí)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)從外部低速FLASH Memory中加載到內(nèi)部或外部高速靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器中，然后跳到程序的進(jìn)入點(diǎn)開始全速運(yùn)行。

TMS320C32 DSP芯片引導(dǎo)裝載程序的執(zhí)行過(guò)程將復(fù)位中斷向量表中存放引導(dǎo)程序的起始地址，上電復(fù)位或手動(dòng)復(fù)位之后，程序指針將指向引導(dǎo)程序。在運(yùn)行搬移程序之前，要注意關(guān)中斷。向量如果MC/MP#=1，而且系統(tǒng)沒(méi)有接在仿真器上，那么DSP芯片自動(dòng)運(yùn)行固化在0h~0fffh中的引導(dǎo)裝載程序。這一程序會(huì)自動(dòng)判斷是INT0~INT2，還是INT3中斷。如果是INT0~INT2中斷，DSP將存放在BOOT1~BOOT3中的一段程序裝載到片內(nèi)RAM或片外SRAM中；如果是INT3中斷，則DSP將從串口中把程序裝載到片內(nèi)RAM或SRAM中。如果沒(méi)有中斷，DSP根據(jù)0H單元中的復(fù)位矢量，跳到該矢量所指出的單元為首地址，執(zhí)行一段引導(dǎo)裝載程序。TMS320C32引導(dǎo)裝載程序關(guān)鍵代碼如下：

LDI 01H，AR0

LDI *AR0，AR0

LDI 02H，AR2

LDI *AR2，AR1

LDI 87，RC

RPTB dload

LDI *AR0++，R0

Dload： STI R0，*AR1++

LDI 03H，AR0

LDI *AR0，AR0

LDI 04H，AR2

LDI *AR2，AR1

LDI 4000H，RC

RPTB pload

LDI *AR0++，R0

Pload： STI R0，*AR1++

BR 900000H

六、結(jié)束語(yǔ)

上述討論的方法在軟、硬件上都已得到實(shí)現(xiàn)，效果理想。利用了Flash ROM的嵌入式算法，體現(xiàn)了DSP高效性和靈活性。非常適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，解決了只能依賴于燒錄器的問(wèn)題，也可經(jīng)常調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)，降低了系統(tǒng)成本、縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。