采用電力電子應用平臺DSP通用板的設(shè)計原理

摘要：隨著電力電子市場需求與日俱增,為了縮短電力電子硬件設(shè)計的開發(fā)時間，本文設(shè)計開發(fā)了DSP56F803通用板作為各種電力電子應用的硬件開發(fā)平臺。為了增強它的應用靈活性，該通用板在擴展出DSP主要功能模塊的同時，通過采用復雜可編程邏輯器件XC95XL144實現(xiàn)各種保護邏輯以及輸入輸出口的擴展功能.DSP和CPLD綜合利用作為通用板的核心是本文設(shè)計的主要特色。

引言

為了與電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展同步, 同時提高電力電子硬件開發(fā)的模塊化，縮短硬件開發(fā)的時間，本文設(shè)計開發(fā)了DSP56F803通用板作為各種電力電子應用的硬件開發(fā)平臺。此外，復雜可編程邏輯器件CPLD具有可編程性強和應用靈活的特點，可以極大的降低系統(tǒng)開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。為了提高該通用板的應用靈活性，本文采用Xilinx公司的高性能低電壓的復雜可編程邏輯器件CPLD XC95XL144 實現(xiàn)了各種保護邏輯以及四組輸入輸出口的擴展,DSP56F803和XC95XL144的綜合應用作為通用板的核心部分是本文設(shè)計的主要特色。

電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，電力電子控制裝置也廣泛應用于各種領(lǐng)域。例如：不停電電源、開關(guān)電源、機車輔助電源、蓄電池充電放電、電子模擬負載、電力機車、電傳動內(nèi)燃機車等。此外，在有些國家，例如丹麥、德國、美國等，電力電子控制并網(wǎng)逆變器已經(jīng)逐步應用于太陽能發(fā)電以及風能發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)的連接。

1 設(shè)計思想

本文設(shè)計通用板遵循的主要原則是在滿足功能盡量全面的同時提高抗干擾能力和應用靈活性，這樣可以大大的降低電力電子應用的硬件開發(fā)成本，縮短開發(fā)時間，提高應用穩(wěn)定性。本文設(shè)計的通用板綜合使用DSP和CPLD作為核心部分，開發(fā)了豐富靈活的外圍電路。本文首先基于Xilinx Foudation 3.li軟件用硬件描述語言VHDL編程進行仿真綜合，最后，本文采用了Xlinx公司的XC95XL144高性能的可編程邏輯器件CPLD 實現(xiàn)了各種保護邏輯以及四組輸入輸出口的擴展。

設(shè)計DSP通用板時首先考慮是應該擴展的功能模塊。1、脈寬調(diào)制技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于各種電力電子控制場合，因此首先擴展了脈寬調(diào)制模塊PWM的輸出。DSP56800系列的PWM的頻率和占空比可以連續(xù)變化，這樣可以實現(xiàn)無級變頻調(diào)速。2、電力電子控制必然要采樣各種電壓、電流信號，因此，本文擴展了DSP的8路12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC。3、目前大部分的電力電子控制需要進行DSP與DSP或DSP與PC機的通信，因此本文擴展了異步串行通信模塊SCI，為了提高抗干擾能力，增長傳輸距離，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，本文采用RS-485差分通信。4、越來越多的電力電子裝置是并網(wǎng)運行的，因此需要檢測電網(wǎng)的過零點和周期，本文擴展了定時器模塊TIMER，它的接口可用于各種信號的過零點和周期檢測。5、電力電子應用一般只需要記錄少量的故障數(shù)據(jù)，因此本文僅擴展了64K鐵電非易失性存儲器FM24CL64，它讀寫只需要兩根線，而且讀寫沒有延時。6、一般的系統(tǒng)都會有時鐘，記錄故障時同時記錄故障發(fā)生的時刻，以備分析故障數(shù)據(jù)。本文擴展了實時時鐘X1226，它和FM24CL64共用時鐘線和讀寫信號線，只是兩個器件的物理地址不同。7、最后，本文還擴展了電源監(jiān)測和硬件看門狗芯片MAX706RESA。MAX706.pdf MAX707.pdf MAX708.pdf

DSP56F803和XC95XL144的接口主要包括電力電子主電路檢測到的過壓、過流保護信號通過CPLD的邏輯操作后觸發(fā)DSP外中斷或PWM出錯保護引腳PWMFAULT來實現(xiàn)保護功能；利用低位地址線和低位數(shù)據(jù)線來擴展輸入輸出口。

DSP56F803外設(shè)模塊的子程序的編寫采用Embedded SDK，因為它提供各種外設(shè)模塊的驅(qū)動程序和接口，即使不需要熟悉DSP的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)也可以方便的使用。對于DSP56F803對XC95XL144的讀寫操作，本文根據(jù)DSP56800系列匯編指令集，開發(fā)自己的SDK軟件包。

2 硬件設(shè)計

印制電路板（PCB）的抗干擾設(shè)計與具體電路有著密切的聯(lián)系，在設(shè)計通用板的硬件時，本文充分考慮了抗干擾設(shè)計的要求。為了提高通用板的穩(wěn)定性以及抗干擾能力，本文設(shè)計了高速四層板，中間兩層分別鋪電源和地，上下兩個表面走信號線。為了提高電源和地的抗干擾能力，數(shù)字電源和模擬電源之間以及數(shù)字地和模擬地之間使用磁珠相連，模擬地和模擬電源以及數(shù)字地和數(shù)字電源之間連接電容。為了消除公共阻抗耦合，每個芯片的關(guān)鍵部位都配置了容量適當?shù)娜ヅ弘娙荨?/P>

圖一：DSP通用版硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1核心芯片介紹

本文采用的DSP是DSP56800系列數(shù)字信號處理器中的DSP56F803。DSP56800系列采用哈佛結(jié)構(gòu)，將程序空間和地址空間分開編址，這樣在處理數(shù)據(jù)空間運算與數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r可以并行的從程序空間讀取下一條指令，提高處理速度。DSP56800系列數(shù)字信號處理器具有豐富的I/O口和多種外圍設(shè)備。DSP芯片上集成了通用輸入輸出模塊GPIO、異步串行通信模塊SCI、脈寬調(diào)制模塊PWM、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC、同步串行通信模塊SSI、控制局域網(wǎng)模塊CAN2.0A/B、定時器模塊TIMER等多種外設(shè)模塊，實現(xiàn)完全的單片化。

XC95XL144是Xilinx公司推出的一款高性能低電壓的可編程邏輯器件，它共有100 個引腳，內(nèi)部集成了3200個典型可用門，有144個邏輯單元，74個可用I/O口，可單獨配置為輸入、輸出及雙向工作方式，3個全局時鐘及3個全局使能端和1個全局清除端，它支持3.3V和2.5V電壓工作，其傳輸延時僅為5 ns。同時，XC95XL144支持在線編程，程序通過JTAG接口下載，使用簡單方便。