数字信号控制器原理及电机控制应用

1. 数字信号控制器原理及电机控制应用 TMS320LF240x系列

2. 教学内容 1. TMS320LF240x硬件概况； 2. TMS320LF240x系列内部资源； 3. TMS320C24x 寻址方式和指令系统； 4. 程序编写和调试环境； 5. 几个TMS320C24x的应用实例

4. 什么是DSP？ DSP —— 数字信号处理 Digital Signal Processing DSP —— 数字信号处理器 Digital Signal Processor

5. 数字信号处理Digital Signal Processing 利用计算机或专用处理设备以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 通常此类的处理过程需要大量的数学运算。

6. 数学理论 傅立叶级数：分析处理周期性信号 。 傅立叶变换：分析处理非周期性信号。 拉普拉斯变换：用于对系统的不稳定性作分析，从而找出使系统稳定的措施或找出系统不稳定的原因。 Z变换：用于离散系统，如设计数字滤波器。

7. 信号处理的这些数学理论基础早在1950年前就已经发展到一个成熟的阶段。信号处理的这些数学理论基础早在1950年前就已经发展到一个成熟的阶段。 但是在那个时代，由于数字电子计算器的技术尚为成熟，因此，在分析和处理信号时，往往需要花费大量时间才能处理分析少量的信号，无法像模拟系统能对信号做实时（ Real-time ）的处理。

8. 实时信号处理系统 实时信号处理系统：是对运算速度要求高，运算种类多的综合性信息处理系统。 • 特点 • 具有处理大数据量的能力，以保证系统的实时性； • 对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。

9. 实时信号处理算法：有对图像的求和、求差运算，二维梯度运算，图像分割及区域特征提取等不同层次、不同种类的处理。实时信号处理算法：有对图像的求和、求差运算，二维梯度运算，图像分割及区域特征提取等不同层次、不同种类的处理。 • 有的运算本身结构比较简单，但是数据量大，计算速度要求高； • 有些处理对速度并没有特殊的要求，但计算方式和控制结构比较复杂，难以用纯硬件实现。

10. 快速傅立叶转换 FFT：Fast Fouier Transform 算法 快速傅利叶转换的价值在于它使用更快的计算方式来节省计算器的时间，降低了数字信号处理中乘法的运算量，使得更多更复杂的信号得以快速的处理，改善了数字信号不能实时处理的问题，为数字信号的实时处理带来了希望。 到了20世纪70年代，大规模集成电路的进步，微电脑处理器兴起，各种通讯设备和仪器的数字化，使得计算机与软件的结合，导致高速高位的数字信号处理器出现，数字信号得以实时处理。

11. 实时信号处理系统中: 特点： 低层预处理算法：处理的数据量大，对处理速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用进行硬件实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。 高层处理算法：所处理的数据量较低层算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高，寻址方式灵活，通信机制强大的DSP芯片来实现。 由此，应运而生了各种DSP数字信号处理芯片。

12. 数字信号处理器Digital Signal Processors DSP器件：就是为了满足数字信号处理而制造的一类专用微处理器。 与一般计算机CPU相比——DSP对数学运算较擅长； 与单片机相比——DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，有可用于复杂的数字信号处理算法。

13. 强调控制 运算过程 FPGA/CPLD DSP芯片 模拟系统 DSP系统 模拟信号 数字信号 实时处理 模拟器件

14. DSP器件的特点 1. 独立的硬件乘法器，能用单周期完成乘、乘加运算的指令类。 2. 高速的运算能力 3.采用哈佛结构和流水线技术 4.独立的DMA总线和控制器 5.多处理器接口 6.芯片具有满足数字信号算法特殊要求的功能。 如循环寻址（Circular addressing）和位逆序（bit-reversed）寻址等特殊指令

15. 7.零消耗循环控制 8.执行时间的可预测性 9. 具有丰富的外设：DSP具有ADC、串口、PLL、定时器等外设。 目前的DSP处理器通常采用多个执行单元，每个执行单元都由算术逻辑运算单元（ALU）和一个多路器、累加器组成，而且这些执行单元可以并行执行。 DSP处理能力不仅靠越来越快的时钟速率来实现，而且还依赖于并行处理结构的进一步采用。

16. DSP器件发展 1) 20世纪70年代后期Intel公司推出Intel2920，从结构上它脱离了传统处理器的结构。 2) 1980年日本NEC公司推出Upd7720内部集成了硬件乘法器. 3) 1983年TI(德州仪器)推出它的第一枚DSP产品即TMS32010，它采用改进的哈佛结构，允许数据在程序空间和数据空间传送，标志着实时数据处理领域的一次重大突破，。 到目前为止，DSP器件的发展也呈现多元化趋势，比较有代表性的生产厂家有TI公司、AD公司、AT&T公司、MOTOROLA公司。

18. 三种新型TMS320 DSP系列的特点及应用 TMS320C2000——作控制用的最佳DSP，可以替代老的’C1X和’C2X。现在有趋势集中在以下两个方向上： a) ’C20X 16位定点DSP：速度为20MIPS，主要用途是电话、数字相机、售货机等，其中：’F206带有闪速存储器。 b) ’C24X 16位定点DSP：速度为20MIPS，用作数字马达（电动机）控制、工业自动化、电力转换系统、空调等。

19. TMS320C5000——低功耗高性能DSP，16位定点，速度40～200MIPS。主要用途是有线和无线通信、IP、便携式信息系统、寻呼机、助听器等。TMS320C5000——低功耗高性能DSP，16位定点，速度40～200MIPS。主要用途是有线和无线通信、IP、便携式信息系统、寻呼机、助听器等。 C5000系列中有三种新成员: ’C5402：廉价型的DSP，速度保持100MIPS，片内存储空间稍小一些，RAM为16K、ROM为4K。 主要应用对象是无线Modem、新一代PDA（Personal Digital Assistant ）、网络电话和其它电话系统以及消费类电子产品

20. ’C5420：拥有两个DSP核，速度达到200MIPS，200K片内RAM，功耗0.32mW/MIPS，200MIPS全速工作时不超过120mW，为业内功耗最低的DSP。’C5420：拥有两个DSP核，速度达到200MIPS，200K片内RAM，功耗0.32mW/MIPS，200MIPS全速工作时不超过120mW，为业内功耗最低的DSP。 是当今集成度最高的定点DSP，适合于做多通道基站、服务器、Modem和电话系统等要求高性能、低功耗、小尺寸的场合 。 ’C5416：是TI公司0.15μm器件中的第一款，速度为160MIPS，有三个多通道缓冲串行口（McBSPs），能够直接与T1或E1高容量数字线路联接，不需要外部逻辑电路，有128K片内RAM。应用对象是IP、通信服务器、PBX（专用小交换机）和计算机电话系统等。

21. TMS320C6000 ——这是TI公司1997年2月推向市场的高性能DSP，综合了目前DSP的所有优点，具有最佳的性价比和低功耗。 ’C6000系列中又分成定点和浮点两类。 a)   ’C62XX 16位定点DSP：速度为1200～2000MIPS，用于无线基站、ADSL Modem、网络系统、中心局交换机、数字音频广播设备等。 b)  ’C67XX 32位浮点DSP：速度为1GFLOPS ( 即每秒钟完成1G个浮点操作)，用于基站数字波束形成、医学图像处理、语音识别、3-D图形。 C6000在向两个方向发展，一是追求更高的性能，二是在保持高性能的同时向廉价型发展。

22. TMS320 DSP系列

23. 由于DSP的优越性，它自20世纪60年代以来，迅速得到广泛的应用。由于DSP的优越性，它自20世纪60年代以来，迅速得到广泛的应用。 DSP应用几乎遍及整个电子领域，典型应用有通信、语音处理、图形／图像处理、自动控制、仪器仪表及医学电子等。 随着人们对实时信号处理要求的不断提高和大规模集成电路技术的迅速发展，DSP的黄金时代正在来临。

24. 选择芯片考虑的因素 1．DSP芯片的运算速度 MAC时间：一次乘法和一次加法的时间。大部分DSP芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法操作。 FFT执行时间：运行一个N点FFT程序所需时间。由于FFT运算在数字信号处理中很有代表性，因此FFT运算时间常作为衡量DSP芯片运算能力的一个指标。 MIPS：每秒执行百万条指令。 MOPS：每秒执行百万次操作。 MFLOPS：每秒执行百万次浮点操作。 BOPS：每秒执行十亿次操作。

25. 2．DSP芯片的价格 如果采用价格昂贵的DSP芯片，即使性能再好，其应用范围也受到一定限制，尤其是民用产品。 3．DSP芯片的硬件资源 不同DSP芯片所提供的硬件资源不同，如片内RAM、ROM的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口、I/O接口等。 4．DSP芯片的运算精度 一般的定点DSP芯片字长为16位，少数24位。浮点芯片的字长一般为32位，累加器为40位。

26. 5．DSP芯片的开发工具 在DSP系统的开发过程中，如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的DSP系统几乎是不可能的。功能强大的开发工具，可使开发时间大大缩短。 6．DSP芯片的功耗 便携式的DSP设备、手持设备、野外应用的DSP设备等对功耗有特殊的要求。 7．其他因素 除了上述因素外，还要考虑到封装形式、质量标准、供货情况、生命周期等。

27. 一般地讲： 定点DSP芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。 浮点DSP芯片的优点是运算精度高，用C语言编程调试方便，但价格稍高，功耗较大。 DSP应用系统的运算量是确定选用DSP芯片处理能力的基础。运算量小，则可选用处理能力不是很强的DSP芯片，降低系统成本。 如果单片DSP芯片达不到要求，则需选用多个DSP芯片并行处理。

28. 软件编程 硬件设计 软件调试 硬件调试 DSP系统的设计思路 DSP应用 定义系统性能指标 选择DSP芯片 系统集成 系统调试

29. 其它因素的考虑 成本 供货能力 技术支持 开发系统 体积 功耗 工作环境温度 DSP A/D D/A RAM 性能指标

30. C语言 汇编语言 混合语言 目标文件 软件设计阶段 源程序 汇编器汇编 链接器连接 可执行文件 软件仿真 调试器调试 代码转换

31. 硬件实现方案 器件的选型 硬件设计阶段 DSP芯片、A/D D/A、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等 性能指标 工期 成本等 确定最优硬件实现方案 画出硬件系统框图

32. 器件的选型原则 根据是用于控制还是计算目的，选择： 不同的厂商 不同系列 不同工作频率 不同工作电压 不同工作温度 采用定点或浮点型芯片 DSP芯片

33. 根据采样频率、精度： 确定A/D型号 是否要求片上自带采样保持器 多路器 基准电源等。 A/D变换 根据信号频率、精度： 是否要求基准电源 多路器 输出运放等。 D/A变换 器件的选型原则

34. 器件的选型原则 RAM、EPROM（或EEPROM、Flash Memory），主要考虑： 工作频率 内存容量位长（8位/16位/32位） 接口方式（串行/并行）、 工作电压（5V/3.3V或其他）。 存储器

35. 课程要求 • 作业 • 实验 • 联系方式及地址：517 严老师13456141726