基于PSD3XX与ADMC401接口设计的无功发生器系统

    关键词：PSD3XX ADMC401 PWM SVG

随着微机控制技术的广泛应用以及控制系统复杂性和实时性要求的不断提高，很多控制系统都对高速、多功能、大容量控制器的被控对象提出了各种要求控制。尤其是在工业应用领域中，系统需要快速地完成大量数据的采集和处理以及控制信号的接收和发送等诸多功能，这样，一般的单片机系统很难满足要求。因此，如何设计一个实用、经济、合理的高性能控制系统已成为设计的关键。

１　ＰＳＤ芯片说明

对于一个单片机系统，如果采用常规的ＲＡＭ、ＲＯＭ和逻辑器件分离的系统连接方式，必定会使整个控制电路过于庞杂，从而给设计和调试带来很大的困难，同时也会降低系统的稳定性。而美国ＷＳＩ公司生产的可编程外围逻辑器件ＰＳＤ系列芯片内集成有ＥＰＲＯＭ、ＳＲＡＭ和ＰＬＤ阵列等部件，它将单片机所需的多个外围芯片集成在一个芯片内，从而大大地简化了硬件电路的设计，减少了印制电路板的面积，缩短了开发周期。图１是ＰＳＤ３系列器件的组成结构。

从图中可以看到ＰＳＤ３ＸＸ内部有２５６ｋ位到１Ｍ位不等的ＥＰＲＯＭ，它们被均匀地分为８个相同大小的区，每个区都有相应的选择信号，通过ＰＳＤ中ＰＬＤ译码部分可产生相应的选择信号。还有一些主要的功能部件，如多个单独可配置Ｉ／Ｏ端口、两个可编程阵列（ＰＡＤ Ａ和ＰＡＤ Ｂ）、１６ｋ位静态ＲＡＭ等。对于较大的系统，还可以通过水平级联（以增加总线宽度为特点）或垂直级联（以增加子系统深度为特点）等方式并配置多个ＰＳＤ３ＸＸ来完成。ＰＳＤ３ＸＸ可以和多路复用或非多路复用总线的１６位微控制器接口。并支持多种ＭＣＵ，例如Ｉｎｔｅｌ的８０１９６、８０３８６ＥＸ，Ｍｏｔｏｒｏｌａ的６８ＨＣ１６、６８３ＸＸ，Ｐｈｉｌｉｐｓ的８０Ｃ５１ＸＡ以及ＡＤ公司的ＡＤＳＰ２１０５等。如此大的储存空间和功能单元极大地方便了单片机的嵌入式设计，同时地为用户提供了更为简单灵活的解决方案。图２是常规的单片机系统和由ＰＳＤ组成的系统进行硬件结构比较的示意图，可见运用ＰＳＤ后，系统结构得到极大简化。

图2 常规单片机系统和由PSD组成的两片系统比较图

２　ＡＤＭＣ４０１芯片说明

对于系统设计者来说，数字信号处理（ＤＳＰ）的普遍使用正在成为一股潮流。ＡＤＭＣ４０１?１??２?芯片即是一个基于单片ＤＳＰ的控制器，适合工业应用领域中的高性能控制。该芯片集成了一个２６ＭＩＰＳ定点内核ＡＤＳＰ－２１７１，其编码与ＡＤＳＰ－２１ｘｘ ＤＳＰ 系列完全兼容。该内核具有一套完备的外围控制接口，可以在高度集成环境中快速实现对元器件的控制。另外，它还包含三个计算单元、两个数据地址发生器和一个程序定序器，其中计算单元包含一个算术逻辑单元ＡＬＵ、一个乘法／累加器?ＭＡＣ?和一个桶式移位器，而内核也增加了位操作、平方、四舍五入和全局中断屏蔽等指令。除此之外，ＡＤＭＣ４０１芯片还包括两个灵活的双缓冲器以及双向同步串行口。图３为ＡＤＭＣ４０１的功能框图。从图中可以看到：该芯片提供有２ｋ×２４位的内部程序储存器ＲＡＭ、２ｋ×２４位的内部程序存储器ＲＯＭ、１ｋ×１６位的内部数据存储器ＲＡＭ、一个高性能８通道１２位模数转换ＡＤＣ系统（它能经过４对输入实现双通道同时采样）、一个三相１６位中心对称的ＰＷＭ发生器（能以最小开销产生高精度的ＰＷＭ信号）、一个增量编码器接口单元、２个可调频的辅助ＰＷＭ输出、１２条Ｉ／Ｏ数字信号线、一个双通道事件捕获系统一个１６位看门狗定时器和２个１６位内部定时器等。

程序和数据ＲＡＭ可以通过串行口引导程序装入，内部程序和数据ＲＡＭ也可以从外围设备经地址总线和数据总线引导程序装入。此外，ＡＤＭＣ４０１芯片还可充分利用ＤＳＰ内核的地址和数据总线，同时增添了重要的外存储器和外设扩展能力，因而可扩展外部程序存储器和数据存储器容量，并使得ＤＳＰ内核能够寻址到１４ｋ×２４ 位的外部程序存储器和１３ｋ×１６ 位的外部数据存储器，从而为其与ＰＳＤ接口提供方便。

图3 单片数字信号处理（DSP）器ADMC401功能框图

３　ＡＤＭＣ４０１与ＰＳＤ３１１的接口设计

由于ＰＳＤ３ＸＸ内部提供了许多应用系统所需要的全部元件和“外围”，这使得设计两片式计算机系统成为可能。对于８０５１，８０１９６和６８ＨＣ１１等微控制器来说，与ＰＳＤ相配合是极为方便的。同样，对于提供了外扩程序、数据存储空间的ＡＤＭＣ４０１来说，也可以和ＰＳＤ相配合。考虑到系统成本，推荐使用的ＰＳＤ芯片为ＰＳＤ３１１（现有价格最低的产品）。

ＡＤＭＣ４０１芯片的引导程序装载可以通过引脚ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ的各种不同状态来完成，如果引脚ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ所加的电压都为“０”，那么ＡＤＭＣ４０１将工作在所谓的ＥＰＲＯＭ引导程序模式，其中被称为“引导存储器”的专用外部存储空间将允许芯片和字节宽度的ＥＰＲＯＭ相连，并在上电时通过存储器接口从外部装载程序；而如果引脚ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ设置为其它电位，那么将会产生不同的引导模式。另外，ＡＤＭＥ４０１芯片还有一个专门的低电平有效信号ＢＭＳ（Ｂｏｏｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ｓｅｌｅｃｔ，引导存储器选择），可用于简化引导存储器的接口。以上这些功能极大地方便了ＡＤＭＣ４０１和ＰＳＤ的接口设计。图４为ＡＤＭＣ４０１和ＰＳＤ３１１的接口电路图（图中还包括一些其它外围）。

图4 ADMC401-PSD311接口电路图

    由图可见，ＡＤＭＣ４０１与ＰＳＤ３１１的连接几乎和它与标准的ＥＰＲＯＭ连接一样简单。由于总线的通路布在ＡＤＭＣ４０１内部，因此，ＰＳＤ３１１的８根数据线并不是像常用的与ＡＤＭＣ４０１的Ｄ７～Ｄ０相连，而是与Ｄ１５～Ｄ８相连。另外，还要注意，地址的最高位是由ＡＤＭＣ４０１的Ｄ２２线提供的（在ＡＤＭＣ４０１中没有Ａ１４地址线）。其ＢＭＳ信号可用于ＥＰＲＯＭ的片选并与ＰＳＤ３１１的Ａ１９输入相连，Ａ１９在ＰＳＤ的程序里将被定义为芯片使能信号，而由ＡＤＭＣ４０１生成低有效读和写选通脉冲，它们通常与对应于ＰＳＤ３１１的ＲＤ和ＷＲ输入相连，这些选通脉冲在传输中可用来选通ＰＳＤ３１１的ＥＰＲＯＭ和ＲＡＭ。

ＡＤＭＣ４０１有２ｋ×２４位的内部程序存储空间。在采用ＥＰＲＯＭ引导程序模式时（ＭＭＡＰ＝０，ＢＭＯＤＥ＝０），外部程序可通过ＡＤＭＣ４０１内部的定序器按照本身的２４位命令格式一次性全部下载到其内部程序存储空间。当然，应用程序可能大于ＡＤＭＣ４０１内部的程序存储空间。但是，无需担心，程序如果执行到后面的代码，ＡＤＭＣ４０１会自动重新引导。引导程序存储器由八页组成，每页８ｋ字节。一页中除了第一个字节外，每隔三个字节有一个空字节，第一个字节是该页的长度，在两个相邻空字节中，每组三个字节包含一个要装入ＤＳＰ 内部程序存储器的２４位指令，也就是说，２ｋ×２４位的内部程序存储空间需要８ｋ×８位的外部存储空间。在ＡＤＭＣ４０１的开发工具中，有一个程序存储器ＰＲＯＭ的分配器实用程序“ＳＰＬ２１．ｅｘｅ”可为用户程序计算正确的页长度，并且根据适当的协议为用户程序的字节进行排序，从而极大地方便了程序代码的生成，这些代码可以直接写入ＰＳＤ３１１。ＰＳＤ３１１的具体配置电路各有不同，或登陆ｗｗｗ．ｗａｆｅｒｓｃａｌｅ．ｃｏｍ站点查询。

需要注意的是，ＡＤＭＣ４０１的汇编语言调试源程序在用汇编语言编辑完毕后，还应利用ＡＤＭＣ４０１提供的汇编、连接程序ＡＳＭ２１．ｅｘｅ和ＬＤ２１．ｅｘｅ进行编译连接?以便最终生成一个“．ｅｘｅ”文件。这个可执行文件才是调到ＡＤＭＣ４０１的软件调试执行程序。而ＰＳＤ３１１的软件主要是对ＰＳＤ的逻辑电路、Ｉ／Ｏ通道以及存储空间分配进行编辑，最后生成的文件将和ＡＤＭＣ４０１生成的程序代码一起写入到ＰＳＤ３１１中。

图5 SVG装置结构图

４ 在ＳＶＧ装置中的应用

ＳＶＧ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）—静止无功发生器也被称为ＳＴＡＴＣＯＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ），是灵活交流输电系统ＦＡＣＴＳ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓ-ｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）技术中一个重要的基础部件。该部件与其它的无功补偿装置相比，虽然ＳＶＧ装置的成本要高一些，但其灵活的动态调节特性、优越的补偿效果以及更小的设备体积都是其它装置不能比拟的。在ＳＶＧ装置中，由于要涉及到大量的复杂计算（如滤波计算、瞬时无功计算）和各种控制手段（如矢量控制、ＰＩ控制）以及诸多信号的采集和发送。因此，系统对控制器的运算速度、接口资源、稳定性以及成本等方面要求很高。ＳＶＧ装置的关键部件就是它的逆变桥路部分，而ＡＤＭＣ４０１集成的专用６路ＰＷＭ波形发生器正好提供了灵活的控制方法。此外，ＡＤＭＣ４０１的高速流水线式８路Ａ／Ｄ采样端口也为电压电流的快速采集提供了保证。图５为基于ＡＤＭＣ４０１和ＰＳＤ３１１的ＳＶＧ装置结构图。该系统共分为３个主要部分：第一部分是由ＡＤＭＣ４０１和ＰＳＤ３１１构成的检测控制部分，第二部分是由ＩＧＢＴ模块构成的逆变电路，第三部分是由电力二极管构成的全波整流电路。整流电路采用日本富士公司的三相全波整流模块６ＲＩ１００Ｇ－１６０，其主要作用是将三相线路上的交流电压变为直流输出，从而维持直流电容两端的电压稳定，并为逆变电路提供一个稳定的直流电。使用该模块可在不轻微改变逆变器的触发工作角情况下提高和稳定系统中电容上的电压。逆变电路部分采用的是富士电机推出的Ｒ系列ＩＰＭ模块７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０ ，它将过去的ＩＧＢＴ单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块之中，从而极大地提高了实际应用系统的稳定性、简化了设计难度、缩小了装置体积。电流的检测则利用ＫＴ１００－Ｐ型电流传感器来完成，电压的检测利用的是ＣＨＶ－５０Ｐ电压传感器。输出显示部分采用以ＳＥＤ１５２０为驱动的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶模块。以上各部件的功能均可通过对ＡＤＭＣ４０１数字信号处理芯片进行软件编程来实现。

５　结束语

通过将ＡＤＭＣ４０１和ＰＳＤ３１１相结合，可真正实现只用两个芯片组成一个功能强大的低成本最小单片机系统之结果，而且应用范围相当广泛，尤其适合于那些要求低功耗、小体积、多外设、高速度的场合。本文介绍的在ＳＶＧ装置中的应用涉及到了其中很多的功能，但是系统本身还有很大的扩展空间。使用时可以根据实际情况充分地利用其资源，以便完成更加复杂的任务。