基于dsp的数控直流稳压电源的设计本科论文

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1、 2014 届毕业设计说明书 数控直流稳压电源的设计 院 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 指导教师： 职称 讲师 副指导老师： 职称 工程师 专 业： 班 级： 完成时间： 2014年6月 摘 要在我们生活的各个角落都可以见到直流稳压电源的身影，我们用的手机、笔记本电脑、工业用的各种电子仪表等，它无处不在，在电子设备中发挥着不可替代的作用。但是当前我们常见的直流稳压电源,多半是选用数字电位器来调节,通过调整数字电位器来调整输出电压。现有的数字电位器的分辨率有限，常见的有32抽头，64抽头有限精密分压器电路构成，不能够满足所需的设计要求。本文给以微处理器数据处理系统为核心部分，通过软件的

2、运转控制系统工作，从而完成预设参数的功能操作。将微处理器数字控制技术，有机地展。微处理器不但拥有良好的集成性能, 而且都具有在线编程接口, 融入直流稳压电源的设计中，实现了直流稳压电源数字化的设计。该设计是把220V的交流电压经过变压器变压成低电压的交流电，再经过整流电路变换为脉动的直流电压，后经过滤波电路滤去输出电压中的文波，最后通过采集电压信号，由DSP主控制器控制，DC/DC变换器输出所需要的稳压电源。该电源具有LCD液晶的显示、键盘的数字输入调压、数字电位器调压精度高的特点。通过软件编程，易于实现功能的扩还具备JTAG 仿真和下载功能; 含有片内看门狗电路、复位电路、时钟电路、键盘电路

3、、液晶显示电路、数模转换电路、直流稳压电路和DC/DC变换电路组成。本设计由微处理器控制输出数字信号，经过D/A转换器输出模拟量,在经过DC-CD变换器，最后输出设备所需要的电压。基于DSP的数控直流稳压电源，利用了DSP微处理器精准的数据采集与高速的数据处理能力，以完成对直流稳压电源的稳定的控制，从而改善输出电压的精准度。本电源可以用微处理器控制预设参数，以取代许多不准确的设计，带给我们不同程度的便利性和效率。关键词：DSP控制器；DC/DC变换电路；直流稳压电源ABSTRACT In every corner of our life can see the figure of dc reg

4、ulated power supply, we use mobile phones, notebook computers, industrial use a variety of electronic instrument, etc., it is everywhere, in the electronic equipment plays an irreplaceable role. But the current common dc regulated power supply, we mostly use digital potentiometer to adjust, by adjus

5、ting the digital potentiometer to adjust output voltage. Resolution of existing digital potentiometer is limited, common 32 tap, tap 64 limited precision voltage divider circuit composition, are not able to meet the design requirements. This paper give the microprocessor data processing system as th

6、e core part, through the operation control system of software, so as to complete the function of the preset parameters.The microprocessor digital control technology, organically. Microprocessor not only has good integrated performance, and have online programming interface, into the design of dc reg

7、ulated power supply, realized the digital dc regulated power supply design. This design is the 220 v ac voltage by transformer transformer into low voltage alternating current (ac), repass for pulsating DC voltage rectifier circuit transformation, after the filter circuit Wen Bo in the filter to the

8、 output voltage, final voltage signal through gathering, controlled by DSP main controller, DC/DC converter regulated power supply output needed. The power supply has a LCD digital display, a keyboard input voltage regulator, digital potentiometer, the characteristics of high precision voltage regul

9、ator. Through software programming, easy to realize the function expansion also has the JTAG simulation and download function; Contain internal watchdog circuit, reset circuit, clock circuit, keyboard circuit, liquid crystal display circuit, d/a conversion circuit, DC voltage circuit and DC/DC conve

10、rsion circuit. This design is controlled by A microprocessor output digital signal, through D/A converter output analog quantity, after DC - CD converter, finally the voltage output devices needed.Numerical control dc regulated power supply based on DSP, using the DSP microprocessor precise data acq

11、uisition and high-speed data processing ability, to complete the control of the stability of dc regulated power supply, so as to improve the precision of output voltage. This power can use a microprocessor control default parameters, to replace many inaccurate design, bring us the convenience and ef

12、ficiency of different level.Key words： DSP controller. DC/DC conversion circuit; Dc regulated power supply目 录1 概论11.1 系统研究的背景和意义11.2 系统的研究现状及在发展趋势11.3 论文的总体结构22 系统总体设计方案42.1 系统的任务分析: 4 2.1.1 系统的功能特点分析4 2.1.2 性能指标42.2 系统的方案论证与选择4 2.2.1 方案一4 2.2.1 方案二52.3 总体设计方案63 系统硬件设计73.1 直流稳压电源的设计7 3.1.1 电源变压器7 3.

13、1.2 整流电路8 3.1.3 滤波电路9 3.1.4 稳压电路10 3.1.5 保护电路113.2 开关变换器的设计133.2.1 BUCK 变换器基本工作原理 133.2.2 滤波电容的设计143.2.3 滤波电感的设计143.2.4 占空比计算153.3 控制器的设计153.3.1 主控制器模块163.3.2 5V 电源的产生电路设计 183.3.3 复位和WATCH DOG电路设计183.3.4 时钟电路193.3.5 TMS320C5402 的电源设计 203.3.6 JTAG 仿真接口电路213.4 输入输出电路的设计 223.4.1 键盘接口电路设计223.4.2 液晶显示电路设

14、计243.4.3 模数转换模块253.4.4 数字电位器264 系统软件设计284.1 系统软件设计的方法及工具284.2 系统的主程序设计284.3 系统的子程序设计29 4.3.1 数模转换子程序模块29 4.3.2 键盘扫描子程序模块30 4.3.3 液晶显示子程序模块32 4.3.4 中断子程序模块325 系统的应用设计346 总结35致 谢 36参考文献 37附录一 38附录二 391 概 论1.1 系统研究的背景和意义随着科技技术的飞速进步,电子技术领域也得到了快速的提升,所以把电源技术带到了一个新的台阶。电源技术产品也已广泛应用到人们的日常生活屮去,可以说,电源产业支撑着我们的工

15、业,支撑着我们的日常中的生活。市场的全球化也促使电源产品的国际化,这种技术的快速流通和服务的全球化使得人们加弥对电源产品的设计研究以适应不同国情、不同环境的需要,这也就进一步刺激了电源的发展。正如我们都知道，很多工厂技术项目是和电源分不开的，在这些工厂技术项目往往比较注重电压的等级、电流的大小等多个性能指标，但是，当前我们使用的直流稳压电源很多的输出电压的精度与稳定度不够高；在测量中，传统的功率一般用模拟或数字显示器的电压或电流，一个电位器，以调整所需的电压和电流输出值；但是要调整准出精确的电压，需要使用监测的显示仪表。但是我们使用的电位器的阻值特性是非线性，调节电压的输出时，需要一定的时间，

16、而且要提防漂移，它是非常的不便。所以，若直流稳压电源不仅要拥有良好电压输出质量，还要有一定的通用性和智能性，通过键盘预设参数，这将带来不同程度的便利和高效，以取代许多不精确的人为操作和失误。因此，直流电源未来的发展目标，不仅要实现高效率在性能方面之一，功能上，努力实现数控，和更多的功能，智能网络。我这次做的是为机械厂的皮带称重系统服务的电子设备提供稳压电源，电子设备的正常工作关系着整个皮带滚动系统的正常运作，而电子设备工作的质量好坏和直流电源的电压，电流，精度等有着密切的关系，所以为这些电子设备提供合适的直流稳压电源成为本文要解决的问题。1.2 系统的研究现状及发展趋势在我国，以电力电子科技为

17、核心的电源行业，从20世纪60年代中期形成到20世纪90年代，电源行业已进入了一个快速发展时期。在一方面，电源行业在加速规模发展;另一方面，由中国国家自然科学基金和创新资本的指导下，电力电子技术吸收和跟踪研究前沿和创新动力产业的发展涌现出了一批技术要求高的，具有国际先进水平的产品，同时也产生了大量的有代表性的研究成果和产品;目前还开展了前沿的研究课题或研究为基础的创新轨道的国际方面。然而，我国的电源行业，和欧美国家相比较，还有显著差距和不足：电源的质量，可靠性，开发投入，生产规模，技术水平，先进的检测设备，智能化，网络化，还有持续创新技术能力等方面有近10年的差距，特别是在直流电源，完成智能网

18、络还有很多需要研究。直流稳压电源在未来会越来越趋向于智能化、数字化、模块化、绿色化。在现在的的控制仪表中对精度、性能、多功能上的要求非常高，所以对微处理器的采用非常普遍。以微处理器为主体的测量电子仪表将取代传统的仪器仪表，将数字技术和测量控制技术相结合，构成新型智能控制的直流稳压电源。智能化的直流稳压电源简化了系统电路，提高了系统可靠性。直流稳压电源数字化的利用避免了信号失真、增强了抗干扰能力、便于远程控制。直流稳压电源的模块化的使用缩小了整机体积、取消了传统连线，同时也方便了电路故障检查，保障了电路的可靠性。直流稳压电路的绿色化，体现在为各种电子仪器提供稳定的低电压，节电量，降低环境的污染。

19、该项目的目标是利用DSP微处理器精确的数据采集与高速的数据处理能力，以完成对直流电源的稳定的控制，从而改善输出电压的精准度。 DSP 微处理器芯片是由模拟信号变换成数字信号之后进行高速实时处理的专用微处理器，它的处理速度是最快的CPU的10-50倍，拥有处理速度快、功能好、性能价格比好和速度功耗比高等特征，被普及应用于具有实时处理要求的场合。DSP 微处理系统基于DSP芯片，它的优点如下：1高速性，DSP 运行速度高达 100MIPS 以上。2编程简易，可编程的DSP 可以在开发过程中使设计人员灵活方便的对软件进行修改和升级。3稳定性能好，DSP 微处理器系统以数字处理为基础，受环境和温度的影

20、响比较小，可靠性能高。4可重复性好，数字体系的性能基本上不受元器件参数性能的影响，便于测试、调试和大规模生产。5集成方便，DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。6性价比高。1.3 论文的总体结构本论文是基于DSP的数控直流稳压电源，是由变压器、整流电路、滤波电路，与DSP的最小系统相结合电压输出电路，其设计的额定输出电压为正5V到正15V、额定输出电流为1.5A、电压步进为5Mv、电压的分辨率为10mV，直流稳压电源。主要内容如下：首先，简要的介绍了本课题的背景、设计的目的、意义、稳压电源的发展现状及其用到的相关技术。其次，提出了实现数控直流稳压电源的两种设计方案，从电压的性

21、能指标出发，比较了这两种方案的可行性，最终采用了TMS320VC5402 DSP系统为主控制器的方案，并且阐述了该方案的设计理论及其优势。再次，详细的对数控直流稳压电源的各个组成模块进行了阐述，包括变压器、整流电路、滤波电路、保护电路、键盘电路、LCD液晶显示电路、复位和WATCH DOG电路、JTAG仿真接口电路、电源系统电路、数字电位器电路、时钟电路等。简单的阐述了系统软件设计，对键盘系统、中断系统、数模转换系统、LCD液晶显示系统的软件设计思路做了分析介绍。最后，简要的介绍了本次设计的应用方向，对其应用领域进行了简介，并对本次设计做了最后总结，提出本次设计的不足之处。2 系统总体设计方案

22、2.1 系统的任务分析2.1.1系统的功能特点分析1.利用微处理器对键盘和显示控制。键盘与显示是数控直流稳压电源最突出的特点，和传统直流稳压电源设计上最大的不同。按键操作简易、雅观，相比传统电位器的开关或者旋钮，可以避免因手动控制的人为误差。由于信息量大，在液晶显示屏液晶显示，操作员和微处理器会话技能之间的优势大大增强。2.系统自保护功能。系统具有过电流，过电压，过温度的保护功能，当外部输入电压高于限定值时，输出电流高于限定值时，系统可以自动切断输入和输出； 3.自检，自诊断功能。这是常闭的直流电源的一个重要特征是从传统的直流电源的不同。同是时，准确地确定位置和仪表故障的特点，不仅大大方便了维

23、护，同时也保证了输出的可靠性。2.1.2 性能指标输出电压：双路5-15V；额定输出电流：1.5A；电压步进：5mV；电压分辨率：10mV2.2 系统的方案论证与选择2.2.1 方案一选用单片机+数字电位器方案。方案一如图1所示，此方案就是把常用的电位器调节电源中的机械式电位器用数字电位器代替。数字电位器没有机械抽头，具有更小和更少的振动耐受性高的机械的可靠性，并且它可以被编程以容许返回，以重复相同的抽头位置的能力，因此这种解决方案线是简单，可靠。但是，现有的传统数字电位器分辨率非常有限，常见的32抽头，64抽头有限精密分压器电路构成，不能满足本次电源设计要求。图1 方案一2.2.2 方案二微

24、处理器+ DC-DC转换器。方案二如图2所示，该方案产生直接利用DSP微处理器编程来产生的PWM来控制处理器的DC- DC转换器的输出，用数字控制器来代替模拟控制器，电路简单，可靠。在一般情况下，微控制器可以从几赫兹产生数几十千赫兹的PWM的，因此要控制在一定值的常规DC-DC变换器的输出电压，完全满足要求。但是，DSP微处理器单个周期的指令执行的时间是微秒级，若是你要导出几十千赫兹的PWM，则指令的执行时间只有几个到几十个的单周期指令执行时间，使DC- DC转换器实现微输出，有必要对相应的PWM输出脉冲宽度或频率进行精确计算的值的每一个步骤和调整时必要的软件编程，以具有大量复杂的计算和控制算

25、法，例如一个普通的微控制器是满足不了要求。然而，若咱们使用的是DSP ，情形就不同了。 DSP在内部利用的是程序空间与数据空间分开的哈佛结构，许可同时取指令与取操作数，而且很多是多片DSP内部总线结构，用以保证在一个机器周期内可以做到访问程序空间与数据空间很多次，在得指令的执行过程中取出，解码和执行该取重叠的几个阶段，加之其内部的处理单元和一些特殊的DSP微处理器指令的执行，因此，它所执行的指令周期短，运算精度高；第五代的DSP微处理器接口功能较强，处理器的片内有主机接口、DMA控制器，软件控制的等待状态发生器， PLL时钟发生器和片上仿真完成符合测试访问端口IEEE1149.1标准，也较容易

26、实现系统设计。因此，我们选择方案二。图2 方案二2.3 总体设计方案数控直流稳压电源的系统设计方案框图如图3如下，它的主要电路有液晶显示电路、键盘电路、DSP系统、数模转换电路、直流稳压电源电路与DC/DC变换电路、保护电路构成。 设计方案将采用以DSP数据处理系统为核心部分，他通过软件的运行来控制整个仪器工作，从而完成设定的功能操作。DSP微处理器系统是全部系统的核心，微处理器接收来自键盘输入的讯息，。DSP微处理器对输入的信息进行处理，从而确定设备的工作状态和输出电压的大小。图3 整体系统框图3 系统硬件设计3.1 直流稳压电源的设计当接入220V/50赫兹的交流电后，先通过变压器，将22

27、0V的交流电高电压改变为低电压输出至整流桥，通过整流桥的整流输出频率比较大的直流电，再由滤波电路滤波，利用储能元件电容两端的电压不能突变的特证, 过滤掉整流电路中输出电压的交流成分，留下其中的直流成分，最后就会得到平滑的输出电压。整 流 电 路滤 波 电 路稳 压 电 路u1u2u3u4uo图4 各模块输出波形3.1.1 电源变压器电源变压器就是让变压器实现降压，它是使电网220V/50赫磁的交流电压变换成符合我们所需要的低电压交流电，并把它送于整流电路中。变压器的变压比是初级电压与次级电压的比值，由变压器的副边输出来电压确定。电源变压器电路如图5所示。变压器的主要参数有：变压比：是初级电压和

28、次级电压的比值。额定功率：是在变压器在不高出规定温度，并在指定的频率与电压下连续工作的输出电压。效率：是输出功率与输入功率之比，它可以让我们知道变压器自身损耗的程度。空载电流：是变压器在工作电压空载电流变压器次级空载（二次电流是零），电流通过初级线圈称为空载电流。电源电路的空载电流超过额定电流的10%，变压器的损耗也增大、效率就会变低。绝缘电阻和抗电强度：抗电强度是指电容器两个引出端之间连接起来的引出端与金属外壳之间所能承受的最大电压。绝缘电阻是指变压器的线圈之间、线圈与铁心之间和引线之间的电阻。图5 电源变压器电路3.1.2 整流电路整流电路是把交流电压变换为脉动的直流电压。再把一些大的纹波

29、成分通过滤波电路滤除，使直流电压的纹波输出变小。我们经常使用的整流滤波电路有单相半波整流滤波电路、桥式整流滤波电路等。 半波整流：使用具有单向导电性的二极管，只输出具有交流成份的正电压部分，电路十分的简单方便，二极管使用的数量也比较少。然而，因为半波整流使用了交流电压的半个周期，则输出的电压较低，交流分量大，效率不高。所以该电路只适用于整流电流小，对脉动要求也不是很高的地方。单相桥式整流电路：是四个二极管构成，它的原理是，在整个时期的二次侧电压，负载电压与电流方向始终不发生变化。其完成全波整流电路的设计，它使得副边输出电压的负半周期得以利用，让变压器副边电压在有效值相同的情况下，输出电压的平均

30、值达到半波整流电路的双倍。因此，综合考虑，本电路设计采用单相桥式整流电路。单相桥式整流电路图如图6所示：图6 单相桥式整流电路由于变压器“1”端是正、“2”端是负，二极管的VD2与VD4会因为正向电压而导通，VD1与VD3因为反向电压而截止。这时，变压器的“1”端经过VD4而流至RL，再通过VD2而返回到“2”端。当“1”端为负、“2”端为正时，二极管的VD1与VD3导通，VD2与VD4截止，电流则由“2”端通过VD3流经RL，再通过VD1返回到“1”端3.1.3 滤波电路滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件构成，如在负载电阻的两端并联一个电容器C，或者和负载串联电感器L，以及

31、由电容，电感共同组成而成各种复式的滤波电路。因为电路输出的电流有些大，我们用的电感原件虽然能够滤除整流电压的纹波，但是会使大量电能浪费，电源的无功功率增大，所以用的是电容并联式滤波电路。用电容滤波，因为电容滤波的时间常数（Td=RLC）越大，放电过程越慢，输出电压越高，同时脉动成分越小，滤波效果也就越好。为了使负载电压正常，一般取时间常数Td=RLC（35）T/2,负载直流电压与负载电流成负相关，随着负载电流的增加而减少。VL随IL的变化关系称为输出特性或是外特性。当C值一定时且空载电压VL=1.4V2；当电容C=0时，即纯阻性负载时，VL=0.9V2 。在整流电路通过电容滤波，会因为电容C充

32、电的瞬时电流值过大，容易使得二极管损坏，所以在选则二极管时，其最大整流电流参数要保留有充足的余量，一般都需要23倍的IL。因为负载电流对电流值的要求比较大，则我们选择大容量电容。滤波电路结构图如图7所示： 图7 滤波电路基本结构图3.1.4 稳压电路 稳压电路是为了确保其输出直流电压稳定而存在的，不因为交流电网的电压和负载变化而发生变化。它通过调节流过稳压管的电流大小来满足负载电流的改变，并与限流电阻配合将电流的变化转换成电压的变化以适应电网电压的波动。我们经常使用的集成稳压器是固定式三端稳压器。三端固定式稳压IC有正输出与负输出两种类型，正输出稳压IC有W78xx系列，W78Mxx系列，W7

33、8Lxx系列，负输出稳压IC有W79xx系列、W79Mxx系列、W79Lxx系列，最常用的是正输出大电流的W78xx系列。Xx是表示稳压数值，比如：W7805表示稳定输出电压是5V，W7815表示稳定输出电压是15V。78、79系列稳压IC主要参数如表1所示：表1 78、79系列稳压IC主要参数参数类型型 号最大输出电流峰值输出电流固定输出电压最高输入电压最低输入电压备注78系列正输出W78xx1.5A3.5A5v.6v8v.9v12v.15v18v.24v35VU0+2V(U015V时)功率大过1W时需加散热片，随着功耗的增加，散热片的面积、厚度也会增大W78Mxx0.5A1.5AW78Lx

34、x0.1A0.2A79系列负输出W79xx1.5A3.5A-5v.-6v-8v.-9v-12v.-15v-18v.-24v35VU0+（2V）(|U0|15V时)W79Mxx0.5A1.5AW79Lxx0.1A0.2A3.1.5 保护电路1过电流保护电路 在数控直流电源电路中,为了使电路不因为电路短路、过电流时不被烧坏，其根本方法是,当输出电流高过规定值时,调整管会反向偏置,从而截止,自动把电路的电流切断.如下图 2 所示,过电流保护电路是由分压电阻和三极管构成，电路正常工作时,经过 R4 与 R5 的分压作用,会使得三极管 BG2 的基极电位高于发射极电位,反向电压通过发射结.因此 三极管B

35、G2 处于截止状态,稳压电路不受其影响.当电路短路时,输出电压是零, 三极管BG2 的发射极可看作接地,所以三极管 BG2 处于饱和导通的状态(可看作短路),从而使调整管 BG1 基极与发射极近于短路,而变成截止状态,切断电路的电流,以达到保护电路的目的.过电流保护电路如图8所示：图8 过电流保护电路2过电压保护电路 在数控直流稳压电源中，主电路的过电压保护包含输入过电压保护与输出过电压保护.若开关稳压器所使用的未稳压直流电源(诸如整流器)的电压高于限定值,就会使得开关稳压器不可以正常工作,乃至毁坏内部的电子元器件,所以在开关电源中非常有必要加入输入过电压保护。如下图所示：三极管T1为开关管，

36、电阻R1、电阻R2的串联分压，DZ为稳压二极管，R4为限流电阻，D1为可控硅，方框的三端为三引脚的稳压芯片。 过电压保护的工作原理：当输入正常时，由电阻R1、电阻R2的串联分压值小于DZ时会截止。三极管T1导通，输入的电压加至三引脚芯片，使电路稳定保持正常工作；当输入电压超过我们所设的规定值时，DZ的反击电压会小于电阻R2两端电路分压，稳压二极管DZ击穿后使可控硅D1导通，三极管T1的基极没有偏压所以截止，三极管T1断开，达到过电压保护。过电压保护电路如图9所示： 图9 输入过电压保护电路3过热保护电路 数控直流稳压电源中开关稳压器因为高集成化与量轻体积小,使得其单位体积内的功率密度会大步提高

37、,所以若工作环境温度过高，而电源内部元器件又不能适应，就会使得电路性能变差,元器件寿命下降.因此我们设计的数控直流稳压电源中应该设计过热保护电路.如图所示：芯片温度正常，热敏元件T2截止；当芯片温度上升至限定值时，温度的系数电阻R3增大，电压降增加，但负温度系数的T2的基极到发射极的be结的正向压降下降，从而让T2导通，对调整管进行分流，减小输出电流，稳压器功率消耗受限，芯片温度控制在一定范围内，保护芯片不受过热而损坏。过热保护电路如图10所示：图10 过热保护电路3.2 开关变换器的设计3.2.1 Buck变换器基本工作原理Buck电路是由负载串联和一个功率晶体管开关Q组成的，Buck电路如

38、下图所示，功率晶体管Q的导通和截止由驱动信号ub周期地控制。如果晶体管导通时，忽略它的饱和压降，输出电压值uo就等于输入电压的值；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，输出电压为0。变换器电路如图11，主要工作波形如图12所示。图11 Buck变换器电路图12 Buck变换器的主要工作波形3.2.2 滤波电容的设计滤波电容是指把大容量的电解电容直接接在直流电源的正极与负极之间，用以滤除直流电源中所不需要的交流成分，让直流电压变得平滑。由于输出纹波的电压只和电容的容量及ESR相关， （1）电解电容器制造厂商很少会给出ESR，但是电容C和RC的乘积近于常数，大约是5080*F3.2.3 滤波电感的

39、设计电感通直阻交的特点，当通过电感的电流变化时，电感线圈阻止电流的变化，当经过电感的电流变大时，阻止电流的变大，当经过电感的电流变小时，阻止电流变小，则通过电感滤波后，负载电流与电压的脉动会变小，波形变平滑，并且整流二极管的导通角变大。开关管闭合和导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(2)、(3)所示： （2） （3） (4)由上得： (5)3.2.4 占空比计算占空比指的是在一串理想的脉冲周期序列中，正脉冲的持续时间和脉冲总周期的一个比值。 根据： (6)3.3 控制器的设计基于DSP芯片TMS320C5402的最小系统系统框图如图所示。该DSP最小系统主要是由复位模块和WATCH DOG、时

40、钟模块、JTAG的仿真调试接口模块、供电源系统等构成。系统框图如图13所示：图13 系统框图3.3.1 主控制器模块处理而专门设计的，其采用改进的哈佛结构，具有高的操作灵活性和运行速度。TMS320C5402DSP是IT公司于1996年推出的16位定点数字信号处理芯片，其外设工作电压时3.3V，内核工作电压为1.8V，是针对低功耗、高性能的高速实时信号。 TMS320C5402采用的低压供电，使得控制器的功耗降低，以100MIPS的速度执行，单周期指令的时间为10纳秒，高至16K的数据程序片内存储器与4K*16bit片外存储器空间的地址线一共20根，可寻址1M与64K字数区程序区，拥有64KI

41、/O的空间，100MIPS的处理速度。TMS320C5402用4条地址总线与4条程序/数据总线，用以运算速度的增强与灵活性的提高。其采用的指令流水线是一个六级深度的，每条流水线之间相互独立，一至六条不同指令可以在任何一个机器周期内同时进行工作，每条指令是工作在不同流水线上，所以指令的执行时间减小到最小，同时让处理器的吞吐量增大。TMS320C5402具有如下特点。(1)中央处理器利用自身专用的硬件逻辑和高度并行性使芯片的处理性能得到大大提高。(2) 存储器拥有192 K字可寻址存储空间。(3) 指令集的专业化使算法能够快速地完成并把其用于优化编程的语言。(4) 片内外设和专用电路采用模块化的结

42、构设计，可以快速地推出新的系列产品。(5) TMS320C5402执行速度为100MIPS，单周期的定点指令时间是10纳秒。(6) TMS320C5402电源是IDLE1、IDLE2与IDLE3功耗下降指令来控制功耗，用来方便主控制器节能。主控制器电源控制CLKOUT引脚的输出，功耗减少。(7) 在片的仿真接口、片上的JTAG接口是符合IEEE1149.1边界扫描逻辑接口标准，可以和主机相连接，仿真和测试我们的芯片要实现的功能。 TMS320C54X的管脚图如图14所示： TMS320C54X的功能框图如图15所示：图14 TMS320C54X的管脚图 图15 TMS320C54X的功能框图3

43、.3.2 5V电源的产生电路设计该电路主要实现的功能是把220V的交流电压通过变压器降变低成9V的交流电，经过整流桥电路整流、过流电路保护、过压电路保护、电容来滤波、最后通过三端集成稳压器78L05输出稳5V电压，为芯片TPS73HD318提供5V的电压输入。电路的连接如下图16所示：图16 电源产生电路原理图3.3.3 复位和WATCH DOG电路设计通过按钮实现复位操作。当按下按钮时，通过按钮串联电阻R3释放电荷电容C18，所以在电容C18上的电压降为零。当松开按钮时，因为电容C18上的电压不可以突变，则只有通过电阻R2进行充电，充电的时间是R7 C18的乘积值来确定，一般是要求大于5个外

44、部时钟周期，可根据具体情况选择。这样就可以实现手动按钮复位。WATCH DOG电路起着监视DSP动作的用途。系统在运行的过程当中通过I/O输出给WATCH DOG的输入端WDI引脚正向脉冲，两次脉冲时间的间隔不高于1.6秒，所以引脚始终是高电平，表明DSP程序执行是在正常状态。但是，若程序运行不正常，就不可以按规定时间通过I/O输出正向脉冲。当两次发出的正向脉冲的时间之间相隔大于1.6秒时，WATCH DOG便使处于低电平状态，就会使系统得到复位。两模块的连接方式如图17所示：图17 复位和WATCH DOG电路3.3.4 时钟电路时钟电路是DSP系统的核心，时钟信号的好与坏决定着这个系统的稳

45、定性能，TMS320C5402提供了两种时钟发生模式有内部时钟也外部时钟。TMS320C5402的主频是100MHZ，如直接使用外频的输入，会使外部频率高，电路变复杂，实现功能也比较困难。当用内部时钟电路，外部的时钟频率只要10-20MHZ，设计电路比较简单，所以DSP微处理器系统采用的是内部时钟电路 ,所以根据 5402主时钟配置规则 ,只要将5402的 X1与X2/CLKIN引脚两端接至晶振上即可。对于晶振的频率大小没有特殊的要求,TMS320C5402芯片的CLKMD1CLKMD3引脚可以用来调节工作频率的高低。倍频系数如表2，时钟电路如图18所示：表2 倍频系数CLKMD1CLKMD2

46、CLKMD3CLKMD(复位值)时钟模式000E007HPLL 150019007HPLL 100104007HPLL 51001007HPLL 21100F007HPLL 11110000H1P2 (PLL 禁止)101F000H1P4 (PLL 禁止)011 预留图18 时钟电路图3.3.5 TMS320C5402的电源设计TMS320C5402 采用了双电源的供电机制，使电源性能变得更好，该工作电压是 3.3V 与 1.8V。其中，1.8V 主要为该器件的内部逻辑提供电压，包括 CPU和其他所有的外设逻辑。和 3.3V 的供电电压相比，1.8V的供电电压使得功率消耗得到降低。外部的接口引

47、脚依然是选用 3.3V 电压，方便直接和外部低压器件接口，而不需要额外的电平变换电路。为TPS73HD318芯片提供5V电压输入，使其输出电压分别是3.3V，1.8V，每一路的最大输出电流是750mA，并提供两个脉冲宽度为200毫秒的低电平复位脉冲。其设计原理图如下图19所示：图19 TMS320C5402电源原理图3.3.6 JTAG仿真接口电路因为TMS320C5402提供了片上的 JTAG接口 ,是仿真调试变得简易。只要将 TMS320C5402的 TMS、TDI、TDO、TRST、TCKEMU0、EMU1共 7个的引脚接出 ,做成标准的14针孔插座就可 ,就能供仿真器调试目标板。JTA

48、G管脚图如图JTAG仿真接口电路如图 20所示，JTAG仿真接口电路如图21所示：其中主要引脚：TDI为测试数据的输入TDO为测试数据的输出TMS为测试模式选择TCK与TCK_RET为测试时钟信号的输出和返回。图20 JTAG管脚图图 21 JTAG仿真接口电路3.4 输入输出电路的设计 该系统输入输出电路包过键盘模块、液晶显示模块、电位器模块、数模转换模块四个模块组成。 3.4.1 键盘接口电路设计键盘接口电路是通过锁存器74HC573芯片扩展除一个35的矩阵式键盘。74HC573可以带有输出使能与锁存控制端的锁存缓冲器。矩阵式键盘扩展占用了两个I/O端口地址,读键盘的地址是0EFFFH，写

49、键盘端口的地址是0DFFFH。工作原理：TMS320VC5402微处理器经过写键盘的地址输出00000到键盘的行线，而后在经过读键盘的地址输入，检测来自键盘的列线信号。若键盘按键没有被按下时，就会使输入的列线信号变成111.若键盘按键有按下，就会使输入的信号不是111。行扫描用以确认按键位置，行扫描指依次给每一条行线输出0信号，然而其它行线输出1信号，并且在每次扫描中检测所对应的列线信号。每一次送给行线输出的信号叫作行代码Xi ,而检测到的列信号叫做列代码Yi。如果哪一行有键盘的按键按下，而且扫描到此行时，就会从读键盘的端口检测到列线信号为0，不然就会是1。在扫描的过程中，只要记下列信号不全都

50、为1时的行代码与列代码，就可以确认按键的位置。引脚说明如表3所示，74HC573的真值表如图4所示，键盘电路如图22所示：表3 引脚说明序号 符号功能1OE输出使能11LE锁存控制291D8D数据输入12191Q8Q数据输出表4 74HC573的真值表输入输入输入输出OELEDLHHHLHLLLLXQHHXZ图22 键盘电路3.4.2 液晶显示电路设计LCD液晶显示模块是采用TCM-A0902，其是单色的、320200 的显示屏。它的引脚功能见表5。液晶模块的A0引脚为数据寄存器和命令寄存器选择引脚。A0=1时，对液晶的数据寄存器操作；A0=0时，对液晶的命令寄存器操作。 扩展的液晶模块是使用

51、两个I/O口地址，数据端口的地址是0BFFFH,命令端口地址是3FFFH LCD液晶显示电路如图23所示： 表5 TCM-A0902引脚功能引脚符号I/0方向功能说明VddI电源+VssI电源地RESETI复位（1=初始化）I片选RDI读信号线I写信号线A0I寄存器选择Db0DB7I数据线图23 LCD液晶显示电路3.4.3 模数转换模块（1）模数转换模块的特性1、10bitADC内核，带有内置采样-保持电路。2、375ns的转换时间。3、16个模拟输入通道。4、对16路模拟量进行“自动排序”。5、2个独立的8状态排序器（SEQ1和SEQ2）双排序器，或级联为16个状态排序器模式单排序器。6、

52、在给定的排序模式下，4个排序控制器决定模拟通道的转换顺序。7、16个存放结果的寄存器（RESULT0RESULT15)。8、有多个启动ADC转换的触发源如下：（1） 软件启动（2）EVA事件管理器启动（比较匹配、周期匹配、下溢、CAP3）（3）EVB事件管理器启动（比较匹配、周期匹配、下溢、CAP6）（4）ADC的SOC引脚启动（与XINT2引脚共用）9、EVA和EVB可分别独立地触发SEQ1和SEQ2（仅用于双排序器模式）10、采样/保持时间有单独的预定标控制。11、内置校验/自测模式。自动排序器的工作原理2个8状态排序器SEQ1和SEQ2，也可级联成一个16状态排序器SEQ。状态：排序器可

53、以执行的自动转换数目。 ADC模块能对一系列的转换进行排序。转换结束后，结果依次保存在RESULT0、RESULT1中。 用户也可对同一通道进行多次采样，即“过采样”，得到的采样结果比传统的单采样结果分辨率高。双排序器和单排序器工作比较如表6所示：表6 双排序器和单排序器工作比较特征参数单8通道排序器1(SEQ1)单8通道排序器2(SEQ2)16通道级连排序器(SEQ)开始转换触发方式EVA、软件和外部引脚EVB、软件EVA、EVB、软件和外部引脚最大自动转换通道数8816序列转换完成后自动停止是是是触发优先权高低不适用A/D转换结果寄存器07815015排序控制器位分配(CHSELSEQn)

54、CONV00CONV07CONV08CONV15CONV00CONV15（2）连续的自动排序的模式该模式，在排序过程SEQ1 / SEQ2，能自动排序8转换通道。在8个结果寄存器中保存转换结果。 寄存器MAX CONV中的一个3位域或4位域MAX CONVn控制排序的转换个数。其值在自动排序转换开始时被自动装载到自动排序状态寄存器的排序计数。MAX CONVn位域的值在0到7之间，排序器从状态CONV00开始转换，SEQ CNTRn位域从装载值开始向下计数，直到SEQ CNTRn为0。一次自动排序中完成的转换数为MAX CONVn+1。3.4.4 数字电位器在系统工作过程中，A/D转换电路要对

55、输出电量进行采样，以便系统自动稳压和显示。 针对系统输出电压范围较宽的特点，为了提高系统的精确度，我们用数字电位器取代传统的电阻取样电路，用软件编程的方法来获得相应输出的取样比。电路中采用的是Xicor公司出产的一种集成数字电位器X9241A。X9241A是Xicor公司生产的一种集成数字电位器。它在单一芯片上集成了4个10k数字电位器，每个电位器的滑动端共有64个离散的调节节点，并有4个8bit的E2PROM数据寄存器以及一个滑刷控制寄存器（WCR）。用户可以通过相应指令使电位器的WCR（滑刷控制寄存器）与某个数据寄存器相关联，也可以直接控制WCR以达到改变电位器滑动端位置的目地。X9241

56、芯片具有I2C 总线接口，可以实现寄存器映射、改变滑刷位置以及进行电位器级联等操作。X9241采用20引脚双列直插封装，其引脚排列如图1所示。其中VWi（i 03）为四个独立的10k电位器的滑动端；VLi（i03）分别为四个电位器的两个终端；A3，A2，A1，A0为X9241芯片的设备地址； SCL，SDA分别为I2C接口的串行时钟和串行数据线。X9241的工作电压为5V。X9241的内部结构 X9241内部结构有：I2C总线接口、SDA串行数据线、SCL串行时钟线和4个电位器。每一个电位器有4个8字节的E2PROM数据寄存器与一个WCR滑刷控制寄存器。X9241的主要参数1.SCK，SCL或者别的地址输入端相对于Vss的电压是负1正7V；2.VH或者VL相对于Vss的电压范围是正负8V；3.VVHVL为16V；4.X9241芯片的工作电压范围是5V0.1。由于VH或者VL相对VSS的电压范围为正负8V，则X9241能够不受数字电路05V电源窗口的限制而广泛地应用在各种拥有正负电源的模拟电路当中。X9241的管脚图如图24所示，电位器的连接图如图25所示：图24 X9241的管脚图图25 电位器电路4 系统软件设计软件设计的思路 当微处理器系统通上电，系统立即进行初始化，分别有数模转换初始化，定时器初始化，端口