Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej Nr 21

XV Seminarium ZASTOSOWANIE KOMPUTERÓW W NAUCE I TECHNICE’ 2005

Oddział Gdański PTETiS

NOWE ROZWIĄZANIA I APLIKACJE MIKROMODUŁÓW Z KONTROLERAMI DSP

Leszek DĘBOWSKI

Instytut Elektrotechniki Oddział w Gdańsku, 80-557 Gdańsk, ul. Narwicka 1 tel: (0-58) 343-12-91 fax: 343-12-95 e-mail: leszek.debowski@iel.gda.pl

Nowoczesne kontrolery DSP składają się z procesorowego rdzenia (ang. core) wykorzysty-wanego w szeroko rozpowszechnionych rodzinach procesorów DSP oraz licznych bloków układów peryferyjnych (timery/liczniki, bloki PWM, przetworniki A/C i C/A, interfejsy ko-munikacyjne, inteligentne linie I/O). W referacie zamieszczono zestawienie porównawcze podstawowych parametrów wybranych kontrolerów DSP przeznaczonych do sterowania przekształtników energoelektronicznych. Omówiono szczegółowo mikromoduły µDLH-F241 i µDLH-LF2403A. Podano przykład aplikacji dydaktycznej z wykorzystaniem mikromodułu serii µDLH.

1. WSTĘP

Rodzina mikromodułów µDLH należy do elastycznego systemu sterowania DLH zło-żonego z elementów wyposażonych w 16-/24-/32-bitowe procesory sygnałowe i kontrolery DSP oraz układy programowalne CPLD/FPGA. System przeznaczony jest do szybkiego prototypowania sterowników przekształtników energoelektronicznych o różnych topologiach oraz innych aplikacji wymagających zastosowania zaawansowanych algoryt-mów cyfrowego przetwarzania sygnałów. W skład systemu DLH wchodzą następując ele-menty: − autonomiczna karta sterująca DLH-01 ze stałoprzecinkowym procesorem sygnałowym, − karta bazowa DLH-02 z elastyczną 32-bitową magistralą sprzęgającą, − moduły jednostek centralnych z różnymi odmianami procesorów sygnałowych, − rodzina mikromodułów µDLH z kontrolerami DSP, − akcesoria dodatkowe (panel operatorski, moduły symulacyjne, sprzęgające i zadające).

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Recenzent: Prof. dr hab. inż. Elżbieta Bogalecka - Wydział Elektrotechniki i Automatyki

Politechniki Gdańskiej

- 64 -

Koncepcja architektury mikromodułów µDLH pojawiła się w wyniku analizy tenden-cji rozwojowych występujących we współczesnych układach mikroelektronicznych prze-znaczonych do sterowania urządzeń przekształtnikowych. Bezpośrednią przyczyną podję-cia prac była konieczność zastąpienia parametrycznego koprocesora napędowego ADMC200/201 (rys. 1) stosowanego w elastycznych kartach sterujących DLH-01/-02, elementem nowszym i w pełni programowalnym.

/RESET

/WR/IRQCLK

REFOUT

REFINCONVST

UVW

AUX

AAPB

BPCCP

STOP

PWMSYNC

/RD/CS

A ÷A0 3

/RESET

/WR/IRQCLK

REFOUT

REFINCONVST

AUX1AUX2AUX3

AUX0

UVW

PIO0PIO1PIO2PIO3PIO4PIO5

AUX

AAPBBPCCP

STOP

PWMSYNC

/RD/CS

A ÷A0 3

ADMC200 ADMC201

Rys. 1. Schematy blokowe koprocesorów napędowych ADMC200 i ADMC201

Poszukiwania nowych koncepcji układowych skierowane zostały w stronę rozwiązań pozwalających z jednej strony - na szybkie wykorzystanie pojawiających kolejnych genera-cji układów mikroprocesorowych dla energoelektroniki, jakimi są kontrolery DSP, z drugiej – dostosowanie ich do zmieniających się potrzeb aplikacyjnych użytkownika. Przyjmując jako punkt odniesienia koprocesor ADMC200/201 zaproponowano rozwiązanie w postaci rodziny mikromodułów µDLH, w których ustandaryzowano topologię wyprowadzeń dla zasilania i sygnałów występujących we wszystkich układach przeznaczonych do sterowania przekształtników (sygnały PWM, ERROR i RESET, wejścia analogowe, linie I/O), pozo-stawiając pewną swobodę w operowaniu sygnałami specyficznymi dla danego typu układu. Stworzona została nowa platforma szybkiego prototypowania umożliwiająca wykorzysty-wanie różnych kontrolerów DSP w układach sterowania. Kompatybilność złącza pod względem elektrycznym i mechanicznym powoduje, że pojawienie się konieczności doko-nania zmiany typu kontrolera nie pociąga za sobą kosztownych i czasochłonnych operacji. W zaproponowanym rozwiązaniu systemowym uwzględniono szereg wymagań i uwarun-kowań: − zastosowanie kontrolerów DSP różnych typów i producentów, − kompatybilność złącza pod względem elektrycznym i mechanicznym, − zestaw elementów peryferyjnych (układy E2PROM, RTC, watch-dog), − interfejsy systemowe (SPI, I2C, szeregowe łącza synchroniczne), − komunikacyjne (RS-232, RS-485, CAN) i programująco-monitorujące (JTAG), − możliwość pracy w systemie bazowym lub w układzie autonomicznym. Wypracowane w trakcie projektowania mikromodułów standardy i rozwiązania układowe pozwalają na kontynuację linii rozwojowej µDLH w miarę pojawiania się kontrolerów DSP kolejnych generacji.

- 65 -

2. KONTROLERY DSP

Pierwsze cyfrowe procesory sygnałowe pojawiły się w połowie lat 80-tych (TMS32010, 1983). Były to szybkie jednostki arytmetyczno-logiczne wyposażone w odpo-wiednie magistrale systemowe, lecz praktycznie pozbawione peryferiów. Kolejne modele i rodziny procesorów DSP były systematycznie doskonalone. Z początkiem lat 90-tych po-szerzył się zakres aplikacji i wówczas opracowano pierwsze dedykowane kontrolery DSP (TMS320C14/E14 – energoelektronika/sterowanie, TMS320C17/E17 - teletransmisja). Ich poważnym mankamentem był jednak brak zintegrowanych przetworników A/C. Pierwszym kompletnym specjalizowanym kontrolerem DSP, wyposażonym w pełen zestaw peryferiów (w tym dwa 8-kanałowe 10-bitowe przetworniki A/C) niezbędnych do sterowania prze-kształtnikami energoelektronicznymi był układ TMS320F240 (1997). Współczesne kontro-lery DSP są zaawansowanymi elementami elektronicznymi, które składają się ze standardo-wego rdzenia wykorzystywanego w szeroko rozpowszechnionych rodzinach procesorów sygnałowych oraz licznych wewnętrznych bloków peryferyjnych, które w przeszłości były charakterystyczne jedynie dla mikrokontrolerów: − wielokanałowe bloki PWM, układy czasowo-licznikowe, − bloki wewnętrznych pamięci RAM i FLASH, − rozbudowane bloki detekcji zdarzeń, − przetworniki A/C, − interfejsy komunikacyjne (SCI, SPI, I2C, CAN, porty synchroniczne), − linie I/O ogólnego przeznaczenia, − układy monitorujące „watch-dog”. Niektóre z kontrolerów DSP posiadają interfejs enkodera przyrostowego oraz złącze JTAG. Najbardziej znaczącymi producentami kontrolerów DSP przeznaczonych do zastosowań energoelektronicznych są aktualnie firmy Analog Devices , Texas Instruments i Motorola. Tablice 1 i 2 zawierają zestawienie podstawowych parametrów wybranych układów.

Tablica 1. Parametry koprocesora ADMC201 i kontrolerów DSP Analog Devices

Wewn. pamięć PROGRAMU Kontroler DSP MIPS

Nap.

zasil. FLASH ROM RAM

Pamięć

DANYCH

Pamięć

ZEWN.

Wy. PWM,

we. FAULT, we. Isense

Przetworniki

A/C Ts+cnv Timery

Interfejs

enkodera

przyrost.

SCI

/SPI

/CAN

Monitor

(ROM)

ADMC201

(koprocesor) 5V - - - - Mag. 12-bit

[A0÷A3]

6/1/- 1

7 kanałów 11-bit

3.2µs /kanał

- - - -

ADMC300

(rdzeń ADSP-2171) 25

(40ns) 5V - 2K×24

(f.mat.) 4K×24 1K×16 - 8/1/- 5

16-bit ENOB>12-bit

30.7µs (min.)

32.55kHz (max.)

1 1 1/-/- +

ADMC331

(rdzeń ADSP-2171) 26

(38.5ns) 5V - 2K×24

(f.mat.) 2K×24 1K×16 - 8/1/- 4

7 kanałów 12-bit

159µs (12-bit) /20µs

(9-bit) 1 - 1/-/- +

ADMCF327

(rdzeń ADSP-2171) 20

(50ns) 5V 4K×24 4K×24 512×24 512×16 - 8/1/-

4 6 kanałów

12-bit

205µs (12-bit) /13µs

(8-bit) 1 - 1/-/- +

ADMCF340

(rdzeń ADSP-21xx) 20

(50ns) 5V 4K×24 4K×24 512×24 512×16 - 8/1/3

4 10 kanałów

12-bit

205µs (12-bit) /13µs

(8-bit) 1 - 1/1/- +

ADMCF341

(rdzeń ADSP-21xx) 20

(50ns) 5V 4K×24 4K×24 512×24 512×16 - 8/1/3

4 6 kanałów

12-bit

205µs (12-bit) /13µs

(8-bit) 1 - 1/1/- +

ADMC401

(rdzeń ADSP-2171) 26

(38.5ns) 5V - 2K×24 2K×24 1K×16

Mag. 24-bit

[A0÷A13]

8/1/- 8 12-bit

1.88µs (12-bit)

1 1 1/-/- +

ADSP-21990

(rdzeń ADSP-219x)

150 (6.67ns)

160 (6.25ns)

3.3V

(I/O)

2.5V

(rdzeń)

- 4K×24 4K×24 4K×16 Mag. 24-bit

[A0÷A19] 8/2/-

1 8 kanałów

14-bit

375ns (1 kan.) 725ns

(2 kan.)

3 1 1/1/- JTAG

ADSP-21992

(rdzeń ADSP-219x)

150 (6.67ns)

160 (6.25ns)

3.3V

(I/O)

2.5V

(rdzeń)

- 4K×24 32K×24 16K×16 Mag. 24-bit

[A0÷A19] 8/2/-

1 8 kanałów

14-bit

375ns (1 kan.) 725ns

(2 kan.)

3 1

1/1/1

CAN 2.0B

JTAG

- 66 -

Tablica 2. Zestawienie parametrów kontrolerów DSP firmy Texas Instruments

WEWN. PAMIĘĆ PROGRAMU I DANYCH Kontroler DSP MIPS

Nap.

zasil.FLASH RAM

Boot

LOADER

Pamięć

ZEWN. Wy. PWM,

we. FAULT

Przetworniki A/C Ts+cnv Timery

Interfejs

enkodera

przyrost.

SCI/SPI

/CAN/I2C JTAG

TMS320F240 20 (50ns)

5V 16K×16 DA:

544×16 SCI P/D/IO /GLOB

224K×16 12/1

2 8 kanałowe

10-bit

6.1µs /kanał

3 1 1/1/-/- +

TMS320F241 20 (50ns)

5V 8K×16 DA:

544×16 SCI SPI - 8/1

1 8 kanałowy

10-bit

1700ns (2 we.) 900ns (1 we.)

1µs max.

2 1

1/1/1/-

CAN 2.0B

+

TMS320LF2407 30 (33ns)

3.3V 32K×16

DA: 544×16

SA: 2K×16

SCI SPI

P/D/IO 192K×16

16/2 1

16 kanałowy 10-bit

500ns /kanał

4 2

1/1/1/-

CAN 2.0B

+

TMS320LF2401A

40 (25ns)

40 MHz

3.3V 8K×16

DA: 544×16

SA: 512×16

SCI - 7/1 1

5 kanałowy 10-bit

500ns /kanał

2 - 1/-/-/- +

TMS320LF2402A

40 (25ns)

40 MHz

3.3V 8K×16

DA: 544×16

SA: 512×16

SCI SPI - 8/1

1 8 kanałowy

10-bit

500ns /kanał

2 1 1/1/-/- +

TMS320LF2403A

40 (25ns)

40 MHz

3.3V 16K×16

DA: 544×16

SA: 512×16

SCI SPI - 8/1

1 8 kanałowy

10-bit

500ns /kanał

2 1

1/1/1/-

CAN 2.0B

+

TMS320LF2406A

40 (25ns)

40 MHz

3.3V 32K×16

DA: 544×16

SA: 2K×16

SCI SPI - 16/2

1 16 kanałowy

10-bit

500ns /kanał

4 2

1/1/1/-

CAN 2.0B

+

TMS320F2810

150 (6.67n

s) 150

MHz

3.3V (I/O) 1.8V

(rdzeń)

64K×16

1K×16 OTP ROM

SA: 18K×16

Boot ROM

4K×16 (f. mat.)

- 16/4

1 16 kanałowy

(2 uklady S/H i multiplekser)

12-bit

120ns 8.33MSPS

(2 we.) 80ns

12.5MSPS (1 we.)

3 (CPU)

4 (GPT)

2

2/2/1/-

(1 McBSP)

eCAN 2.0B

+

TMS320F2808

100 (10ns)

100 MHz

3.3V (I/O) 1.8V

(rdzeń)

64K×16

1K×16 OTP ROM

SA: 18K×16

Boot ROM

4K×16 (f. mat.)

- 12/6

1 16 kanałowy

(2 uklady S/H i multiplekser)

12-bit

160ns

6.25MSPS (2 we.)

3 (CPU)

6 (GPT)

2 2/4/2/1

eCAN 2.0B +

3. MIKROMODUŁY µDLH

3.1. Mikromoduł µDLH-F241 W projekcie mikromodułu µDLH-F241 wykorzystany został 16-bitowy kontroler DSP

TMS320F241 (rodzina TMS320C2000), którego podstawowe parametry zamieszczone zostały w tablicy 2. Kontroler ten jest kompatybilny pod względem kodu źródłowego z najstarszymi przedstawicielami tej rodziny – procesorami sygnałowymi TMS320C25/C26. Rozszerzona wersja kontrolera TMS320F241 posiadająca dodatkowo wyprowadzone magi-strale danych i adresów oraz sygnały sterujące dla zewnętrznych przestrzeni pamięci pro-gramu, danych oraz I/O nosi oznaczenie TMS320F243. Schemat blokowy mikromodułu przedstawiono na rys. 2.

ZASILANIEZEWNĘTRZNE 5VDC

STOSOWANE W TRYBIEAUTONOMICZNYM

+5V

GND

ANVZ

VCC VCC VCC VCC VCC VCC

VCC

INTERFEJS

INTERFEJS

INTERFEJS

CANTX

CANL

A

TxRx

B

CANH

Linie I/OPIO0÷PIO5

Sygnały PWMSA-SAPSB-SBPSC-SCP

Linia we./PDPINT(ERROR)

Wejścia analogoweANU, ANV, ANW,

AX0, AX1, AX2, AX3

ADCIN07

/RS

/MR

WDI

CANRX

SCITXD

SCIRXD

RXD

RXD

INTERFEJS

UKŁADmonitorujący“watch-dog”

UKŁADmonitorujący“watch-dog”

ZEGAR

RT

RT

PAMIĘĆ

MAGISTRALA

SDA

SCL

6I/O I/O I

6

7

ZŁĄCZE

Z PODSTAWKĄZGODNYCH 12

3

5

7

911

1214

1315

1618

1719212325

2426

28

29 30

31 32

33 34

35 36

37 38

39 40

41 42

43 45

44 46

47

48

49 51

50

53

52

55

54

57

56

59

58 60

62 61

6364

6566

68 67

27

22 20 10

8

6

4

Rys. 2. Schemat blokowy mikromodułu µDLH-F241 wraz z układem prototypowym

- 67 -

Do komunikacji mikromodułu µDLH-F241 z urządzeniami zewnętrznymi wykorzystać można wszystkie szeregowe interfejsy transmisyjne kontrolera TMS320F241: asynchroniczny SCI, sieciowy CAN oraz synchroniczny SPI. Prowadzenie prac urucho-mieniowych z mikromodułem µDLH-F241 jest możliwe z wykorzystaniem oprogramowa-nia narzędziowego starszej (asembler, kompilator C, HLL Debugger), nowszej (Code Com-poser) lub najnowszej (Code Composer Studio) generacji dla rodziny TMS320C2000. Ła-dowanie kodu i monitoring pracy oprogramowania wymaga zastosowania odpowiedniego emulatora JTAG: XDS510/PP/+ lub innego przystosowanego do współpracy z procesorami serii TMS320 zasilanymi napięciem 5V. Dla użytkownika nie posiadającego zaawansowa-nych narzędzi wspomagających dostępna jest opcja ładowania i zapisu programu w we-wnętrznej pamięci FLASH poprzez interfejs SCI (komunikacja z komputerem PC przez RS-232) lub SPI za pomocą programu ładującego (Boot-loader).

3.2. Mikromoduł µDLH-LF2403A W najnowszym rozwiązaniu mikromodułu µDLH-LF2403A zastosowany został szyb-ki (40MIPS) 16-bitowy kontroler DSP TMS320LF2403A (rodzina TMS320C2000). Jest on jednym z przedstawicieli większej podrodziny kontrolerów DSP TMS320LF240xA, w której znajdują się układy o identycznym rdzeniu, lecz różnym stopniu złożoności peryfe-riów (Tablica 2). Schemat blokowy mikromodułu µDLH-LF2403A oraz jego prototyp przedstawia rys. 3.

ZASILANIEZEWNĘTRZNE 5VDC

STOSOWAN E W TRYBIEAUTO N OMIC ZNYM

+5V+3.3V

GND

ANVZ

VCC

VCC VCCVCC VCC

VCC

VC C

VCC

INTERFEJS

INTERFEJS

INTERFEJS

CANTX

CANL

A

TxRx

B

CANH

Linie I/OPIO0÷PIO5

Sygnały PWM1÷6SA-SAPSB-SBPSC-SCP

Linia we./PDPINT(ERROR)

Wejścia analogoweANU, ANV, ANW,

AX0, AX1, AX2, AX3

ADCIN07

/RS

Vccp

SPISCI

Bootload

Flash Exe.BootROM

/MR

WDI

CANRX

SCITXD

SCIRXD

RXD

RXD

INTERFEJSUKŁADmonitorujący“watch-dog”

UKŁADmonitorujący“watch-dog”

RT

RT

PAMIĘĆ

MAGISTRALA

MAGISTRALA

SDA

SIMO

SCL

SOMICLK

6I/O I

6ZŁĄCZE

Z PODSTAW KĄZGODNYC H 12

3

5

7

911

1214

1315

1618

1719212325

2426

28

29 30

31 32

33 34

35 36

37 38

39 40

41 42

43 45

44 46

47

48

49 51

50

53

52

55

54

57

56

59

58 60

62 61

6364

6566

68 67

27

22 20 10

8

6

4

+UKŁAD

PRZESUNIĘCIAPOZIOMU NAP.

REGULATORNAPIĘCIA

CZUJNIKTEMP.

77

ZŁĄCZESPI

Rys. 3. Schemat blokowy mikromodułu µDLH-LF2403A i układ prototypowy 4. PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA DYDAKTYCZNEGO

Mikromoduł µDLH-F241 wykorzystany został w układzie sterowania trójfazowego mostka tyrystorowego 3×400V zbudowanego podczas realizacji pracy dyplomowej magi-sterskiej w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej. Wykonawcy zaprojektowali i uruchomili własną płytkę bazową z układem pro-gramowalnym CPLD (MAX7000S), w której został osadzony mikromoduł. Podczas prze-prowadzonych eksperymentów wykorzystano nową koncepcję algorytmu sterowania zapro-ponowaną przez prof. Piroga [2]. Zestaw stanowi obecnie wyposażenie laboratorium stu-

- 68 -

denckiego (rys. 4). W wersji docelowej jako obciążenie zastosowany zostanie silnik prądu stałego.

Rys. 4. Schemat blokowy układu sterowania mostka tyrystorowego oraz stanowisko laboratoryjne

4. WNIOSKI KOŃCOWE

Mikromoduły µDLH umożliwiają przyspieszenie procesu projektowania zaawanso-wanych układów sterowania wymagających techniki DSP. Nowe rozwiązanie znalazło zastosowanie w eksperymentach badawczych. Jego walory dydaktyczne wykorzystano w trakcie realizacji prac dyplomowych. Wśród potencjalnych aplikacji wymienić można układy sterowania przekształtnikami energoelektronicznymi oraz zestawy laboratoryjno-dydaktyczne z zakresu energoelektroniki i cyfrowego przetwarzania sygnałów.

5. BIBLIOGRAFIA

1. Dębowski L.: Elastyczne układy sterowania z wykorzystaniem procesorów DSP i zło-żonych układów programowalnych CPLD/FPGA – dydaktyczne wykorzystanie nowo-czesnej platformy sprzętowej i narzędzi programowych, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Nr 17, Gdańsk 2001, s. 37-43, ISSN 1425-5766

2. Piróg S.: Sterowanie trójfazowego mostkowego prostownika tyrystorowego zmniejsza-jącego składową bierną podstawowej harmonicznej prądu źródła, IV Konferencja Na-ukowa „Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym”, SENE, Łódź-Arturówek 1999, s. 555-564, ISBN 83-912711-0-2

NEW MICROMODULES AND APPLICATIONS BASED ON DSP CONTROLLERS

The paper presents an architecture of µDLH micromodules family. The µDLH mi-cromodules are dedicated for the basic DLH flexible control system support and for simple autonomous applications. Basic features of selected DSP controllers are summarized. The µDLH-F241 and µDLH-LF2403A micromodules are presented in details with an applica-tion example.