高性能数字信号处理器TMS320LF2407A及应用

1 引言
数字信号处理器（DSP）已经发展了20多年，初仅在信号处理领域内应用。近年来， 随着半导体技术的发展，其高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，在控制领域内也得到很好的应用。数字控制系统克服了模拟控制系统电路功能单一、控制不高的缺点，它抗干扰能力强，可靠性高，可实现复杂控制，增强了控制的灵活性。
TMS320LF2407A是美国TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路于一体，在数字控制系统中得以广泛应用 [1]。本文介绍其体系结构、功能特性及其在控制领域中的应用，为数字控制系统的设计提供参考。
2 体系结构和功能特性
2.1 系统组成
TMS320LF2407A系统组成包括：40MHz、40MIPS的低电压3.3V　CPU、片内存储器、事件管理器模块、片内集成外围设备[2]。其体系结构框图如图1所示。
2.2 CPU及总线结构
TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定点低功耗内核。体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行，可在一个处理周期内完成乘法、加法和移位运算。其中央算术逻辑单元（CALU）是一个独立的算术单元，它包括一个32位算术逻辑单元（ALU）、一个32位累加器、一个16×16位乘法器（MUL）和一个16位桶形移位器，同时乘法器和累加器内部各包含一个输出移位器。完全独立于CALU的辅助寄存器单元（ARAU）包含八个16位辅助寄存器，其主要功能是在CALU操作的同时执行八个辅助寄存器（AR7至AR0）上的算术运算。两个状态寄存器ST0 和ST1用于实现CPU各种状态的保存。
TMS320LF2407A采用增强的哈佛结构，芯片内部具有六条16位总线，即程序地址总线（PAB）、数据读地址总线（DRAB）、数据写地址总线（DWAB）、程序读总线（PRDB）、数据读总线（DRDB）、数据写总线（DWEB），其程序存储器总线和数据存储器总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，因此CPU的读/写可在同一周期内进行，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波、神经网络、遗传算法等复杂控制算法得以实现。
2.3 存储器配置
TMS320LF2407A地址映象被组织为三个可独立选择的空间：程序存储器（64K）、数据存储器（64K）、输入/输出（I/O）空间（64K）。这些空间提供了共192K字的地址范围。
其片内存储器资源包括：544字×16位的双端口数据/程序DARAM、2K字×16位的单端口数据/程序SARAM、片内32K×16位的Flash程序存储器、256字×16位片上Boot ROM、片上Flash/ROM具有可编程加密特性。
TMS320LF2407A的指令集有三种基本的存储器寻址方式：立即寻址方式、直接寻址方式、间接寻址方式。
2.4 事件管理器模块
TMS320LF2407A包含两个专用于电机控制的事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器模块包括通用定时器（GP）、全比较单元、正交编码脉冲电路以及捕获单元。

① 通用定时器。TMS320LF2407A共有四个16位通用定时器，可用于产生采样周期，作为全比较单元产生PWM输出以及软件定时的时基。通用定时器有四种可选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式和连续增/减计数模式。每个通用定时器都有一个相关的比较寄存器TxCMPR和一个PWM输出引脚T xPWM。每个通用定时器都可以独立地用于提┮桓鯬WM输出通道，可产生非对称或对称PWM波形，因此，四个通用定时器多可提供4路PWM输出。

② 全比较单元。每个事件管理器模块有3个全比较单元（1、2和3（EVA）； 4、5和6（EVB）），每个比较单元各有一个 16位比较寄存器 CMPRx，各有两个CMP / PWM输出引脚，可产生2路 PWM输出信号控制功率器件，其输出引脚极性由控制寄存器 (ACTR)的控制位来决定，根据需要，选择高电平或低电平作为开通信号，通过设置T1为不同工作方式，可选择输出对称PWM波形、非对称PWM波形或空间矢量PWM波形。

死区控制单元 (DBTCON)用来产生可编程的软件死区，使得受每个全比较单元的两路CMP / PWM输出控制的功率器件的间次开启周期间没有重叠，可编程的软件死区时间达16μs。
③ 正交编码脉冲电路。正交编码脉冲（QEP）电路可以对引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2上的正交编码脉冲进行解码和计数，可以直接处理光电编码盘的2路正交编码脉冲，正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期（90°）的固定相位偏移，对输入的2路正交信号进行鉴相和4倍频。通过检测2路信号的相位关系可以判断电机的正/反转，并据此对信号进行加/减计数，从而得到当前的计数值和计数方向，即电机的角位移和转向，电机的角速度可以通过脉冲的频率测出。
④ 捕获单元。捕获单元用于捕获输入引脚上信号的跳变，两个事件管理器模块总共有六个捕获单元。EVA模块有三个捕获单元引脚CAP1、CAP2和CAP3，它们可以选择通用定时器1或2作为时基，但CAP1和CAP2一定要选择相同的定时器作为时基；EVB模块也有三个捕获单元引脚CAP4、 CAP5和CAP6，它们可以选择通用定时器3或4作为时基，但CAP4和CAP5一定要选择相同的定时器作为时基。每个单元各有一个两级的FIFO缓冲堆栈。当捕获发生时，相应的中断标志被置位，并向CPU发中断请求。
2.5 片内集成外设
TMS320LF2407A片内集成了丰富的外设，大大减少了系统设计的元器件数量。

① 串行通信口。TMS320LF2407A设有一个异步串行外设通信口（SCI）和一个同步串行外设通讯口（SPI），用于与上位机、外设及多处理器之间的通信。SCI即通用异步收发器（UART）支持 RS－232和RS－485的工业标准全双工通信模式，用来与上位机的通信；SPI可用于同步数据通信，典型应用包括TMS320LF2407A之间构成多机系统和外部I/O扩展，如显示驱动。
② A/D转换模块。包括两个带采样/保持的各8路10位A/D转换器，具有自动排序能力，可执行多16个通道的自动转换，可工作在8个自动转换的双排序器工作方式或一组16个自动转换通道的单排序器工作方式。A/D转换模块的启动可以有事件管理器模块中的事件源启动、外部信号启动、软件立即启动等三种方式。
③ 控制器区域网（CAN）。是现场总线的一种，主要用于各种设备的监测及控制。TMS320LF2407A片上CAN控制器模块是一个16位的外设模块，该模块完全支持CAN2.0B协议，6个邮箱(其中0、1用于接收；4、5用于发送；2、3可配置为接收或发送)每次可以传送0~8个字节的数据，具有可编程的局部接收屏蔽、位传输速率、中断方案和总线唤醒事件、超强的错误诊断、自动错误重发和远程请求回应、支持自测试模式等功能。
CAN总线通信可靠性高，节点数有110个，传输速度高达1Mb/s（此时距离长为40m），直接通信距离可达10km（速率5kb/s以下），采用双绞线差动方式进行通信，有很强的抗干扰能力。
④ 锁相环电路（PLL）和等待状态发生器。前者用于实现时钟选项；后者可通过软件编程产生用于用户需要的等待周期，以配合外围低速器件的使用。
⑤ 看门狗定时器与实时中断定时器。均为8位增量计数器，前者用于监控系统软件和硬件工作，在CPU出错时产生复位信号；后者用于产生周期性的中断请求。
⑥ 外部存储器接口。可扩展为192K字×16位的可寻址存储器空间（64K字程序存储器、 64K字数据存储器、64K字I/O空间）。
⑦ 数字I/O。TMS320LF2407A有40个通用、双向的数字I/O引脚，其中大多数都是基本功能和一般I/O复用引脚。
⑧ JTAG接口。由于TMS320LF2407A结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、引脚排列密集等原因，传统的并行仿真方式已不适合于TMS320LF2407A的开发应用。TMS320LF2407A 具有符合IEEE1149.1规范的5线JTAG（边界扫描逻辑）串行仿真接口，能够极其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试。
⑨ 外部中断。有五个外部中断（功率驱动保护、复位、不可屏蔽中断NMI及两个可屏蔽中断）。
3 主要应用
TMS320LF2407A为高性能的控制提供先进、可靠、高效的信号处理与控制的平台，它将数字信号处理的运算能力与面向高性能控制的能力集于一体，可以实现用软件取代模拟器件，可方便地修改控制策略，修正控制参数，兼具故障监测、自诊断和上位机管理与通信等功能，将成为控制系统开发的主流处理器 [3]，可广泛应用于：工业电机驱动；能量交换器如UPS、通信电源；自动化系统如电力控制、抗锁死制动；磁盘/光盘伺服控制和大容量存储产品；打印机、复印机和其他办公产品；仪器、仪表；机器人控制。
TMS320LF2407A被广泛用于数字化控制中，一个基于DSP的逆变电源控制系统原理框图见图2。系统主要由DSP（TMS320LF2407A）、电压电流反馈、PWM驱动放大电路、键盘显示及上位机组成。当DSP接受主机发出的参考输入后，将其转换为PWM输出，经过驱动放大送给逆变主电路，产生输出。逆变电路输出的电压、电流反馈信号送入A/D转换器引脚。通过光电编码器检测电机的转动方向及转角，反馈回DSP的正交编码脉冲电路（QEP），形成闭环控制，实时有效地控制交流电机。键盘和显示由SPI同步串行口实现，用于读取键盘输入和写输出到显示器。DSP与上位机之间的通信由SCI异步串行口实现。JTAG接口用于系统的在线仿真和测试。

4 结束语
随着工业控制性能要求的提高，控制方案的选择变得越来越关键，逐步形成了由数字控制代替模拟控制的局面。TMS320LF2407A为数字控制应用提供了理想的解决方案。