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一種基于DSP+FPGA的控制系統方案設計

發布時間:2010-8-13 11:43    發布者:lavida
關鍵詞: 控制系統
一、前言  

本文提到的控制系統控制通信設備的正常工作,是整個通信設備的重要組成部分。該控制系統要實現的功能為: 接收外來的信息、實時采集輸入的信號,控制設備的工作狀態、參數、頻率、電壓及完成設備的故障檢測等;要求具備大量的通信功能和復雜的管理控制功能,且具備實時性、準確性。  

原來普遍采用單片機加外圍器件來完成這些功能,需要大量的外部電路,增加了系統成本,也增加了系統的復雜性,系統的可靠性也會受一定的影響。  

本文所提出的基于DSP+FPGA的控制系統方案,利用FPGA的容量大、可編程實現很多功能,結合DSP具有高速的信息處理能力的特點,使得本控制系統非常簡潔,結構靈活,通用性強,系統也易于維護和擴展。該方案基于軟件無線電的思想,是采用通用平臺的設計。?  

二、硬件設計  

系統硬件組成如圖1所示。  



  


該硬件平臺由DSP、FPGA、A/D、D/A、密鑰存儲單元、實時鐘、接口電路及程序存儲器組成。各關鍵部分的主要功能為:  

(1)DSP:參數的處理、數據的分幀、組幀、編碼、通過中斷實時監控各種輸入信號等;  

(2)FPGA:總線控制、通信接口、數據采集、整形、組合邏輯生成、時鐘信號產生等;  

(3)密鑰存儲單元:具有EEPROM特性,掉電保護各種參數。  

主要器件的選型如下。  

(1)DSP器件  

所選用的TI公司的TMS320LF2407是一種低價格、高性能的DSP芯片,其控制能力強,同時具有較高的運算能力,能夠滿足系統對微處理器的要求,從而實現較強的通信功能和復雜的管理控制功能。  

(2) FPGA 器件  

選用XILINX公司的XCV100:  

(1)其資源為10萬門;  

(2)工作頻率最高可達200M;  

(3)I/O端口多,端口功能可編程自定義;  

(4)內核采用2.5 V供電,端口供電電壓為3.3 V,可直接與TMS320LF2407接口;  

(5)同樣封裝的FPGA,其資源可達100萬門,有利于系統的升級。 ?  

三、軟件設計  

系統對軟件的設計提出了較高的要求,因此,筆者完全采用VHDL和C語言來編寫系統內部執行軟件。?  

1?DSP的軟件設計  

DSP軟件設計在CCS2000的開發系統下用C語言設計, DSP軟件采用自頂向下的設計思路,按功能劃分軟件模塊,使程序組成模塊化,主要由如圖2所示的幾個模塊組成。  



  


其中總線控制模塊和通信模塊是2個主要的軟件模塊。  

總線控制模塊的工作流程如圖3所示,通信模塊的工作流程如圖4所示。  







  


2?FPGA的軟件設計  

FPGA在XILINX的軟件開發系統下,用VHDL語言設計,主要實現以下功能:  

(1) 總線控制的實現  

本控制統要控制大量的分離信號、大量的參數及系統的工作參數、電壓值,完成故障信息的采集、綜合和上報。要求用簡單、易控的串行同步通信總線控制方式(為RS—485總線接口)。總線控制的原理框圖如圖5所示。  



  


總線按位串行,雙向同步方式傳輸信號;只由5條信號線組成:2條差分時鐘線CLK+和CLK-,2條差分數據線DATA+和DATA-,一條地線GND。發送時,數據的緩存、轉換及數據在時鐘作用下按位串行傳輸;接收時,數據的同步、緩存、轉換及接收中斷的產生,都用VHDL語言在FPGA中實現。  

(2)通信接口的實現  

本控制系統對內、對外通信接口較多:與上方系統控制命令接口、與上方系統數據接口、設備內數據接口等。這些接口采用異步串行通信方式(SCI)通信。 FPGA內異步串口設計的原理如圖6所示。  



  


這里充分利用FPGA的硬件可編程性,把要擴展多個異步串口,用VHDL語言在FPGA里實現,使系統硬件平臺簡單,而且能靈活設置波特率和通信方式。  

(3) 狀態采集的實現  

有些信號是需要控制系統實時處理的,通過FPGA的采集、整形,在信號的上升和下降沿產生一定寬度的脈沖,作為DSP的中斷信號。DSP在中斷程序中實時讀取信號的狀態,控制設備工作在新的狀態。?  

四、結束語  

目前,DSP速度越來越快,成本越來越低,FPGA 的容量越來越大,封裝越來越小,使得DSP+FPGA 組成的系統成為解決系統設計的重要選擇方案之一。本文介紹了一種基于DSP+FPGA的控制系統設計方案,由該設計方案實現的控制系統完全達到了技術指標要求,系統工作穩定可靠。而它提供的硬件平臺對于系統的升級和功能擴展非常有利,對于控制系統來講具有較好的通用性。
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