Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i utomatyki Politechniki Gdańskiej Nr 2 XV Seminarium ZSTOSOWNIE KOMPUTERÓW W NUCE I TECHNICE 05 Oddział Gdański PTETiS NOWE ROZWIĄZNI I PLIKCJE MIKROMODUŁÓW Z KONTROLERMI DSP Leszek DĘOWSKI Instytut Elektrotechniki Oddział w Gdańsku, 80-55 Gdańsk, ul. Narwicka tel: (0-58) -2-9 fax: -2-95 e-mail: leszek.debowski@iel.gda.pl Nowoczesne kontrolery DSP składają się z procesorowego rdzenia (ang. core) wykorzystywanego w szeroko rozpowszechnionych rodzinach procesorów DSP oraz licznych bloków układów peryferyjnych (timery/liczniki, bloki PWM, przetworniki /C i C/, interfejsy komunikacyjne, inteligentne linie I/O). W referacie zamieszczono zestawienie porównawcze podstawowych parametrów wybranych kontrolerów DSP przeznaczonych do sterowania przekształtników energoelektronicznych. Omówiono szczegółowo mikromoduły µdlh-f2 i µdlh-lf2. Podano przykład aplikacji dydaktycznej z wykorzystaniem mikromodułu serii µdlh.. WSTĘP Rodzina mikromodułów µdlh należy do elastycznego systemu sterowania DLH złożonego z elementów wyposażonych w -/2-/2-bitowe procesory sygnałowe i kontrolery DSP oraz układy programowalne CPLD/FPG. System przeznaczony jest do szybkiego prototypowania sterowników przekształtników energoelektronicznych o różnych topologiach oraz innych aplikacji wymagających zastosowania zaawansowanych algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów. W skład systemu DLH wchodzą następując elementy: autonomiczna karta sterująca DLH-0 ze stałoprzecinkowym procesorem sygnałowym, karta bazowa DLH-02 z elastyczną 2-bitową magistralą sprzęgającą, moduły jednostek centralnych z różnymi odmianami procesorów sygnałowych, rodzina mikromodułów µdlh z kontrolerami DSP, akcesoria dodatkowe (panel operatorski, moduły symulacyjne, sprzęgające i zadające). Recenzent: Prof. dr hab. inż. Elżbieta ogalecka - Wydział Elektrotechniki i utomatyki Politechniki Gdańskiej
- - Koncepcja architektury mikromodułów µdlh pojawiła się w wyniku analizy tendencji rozwojowych występujących we współczesnych układach mikroelektronicznych przeznaczonych do sterowania urządzeń przekształtnikowych. ezpośrednią przyczyną podjęcia prac była konieczność zastąpienia parametrycznego koprocesora napędowego DMC0/ (rys. ) stosowanego w elastycznych kartach sterujących DLH-0/-02, elementem nowszym i w pełni programowalnym. /RESET 0 /CS /RD /WR /RESET 0 /CS /RD /WR /IRQ /IRQ CLK CLK REFOUT REFOUT REFIN CONVST REFIN CONVST U U V W UX V PIO0 W UX PWMSYNC UX0 UX UX2 UX PIO PIO2 PIO PIO PIO5 P P C CP STOP DMC0 PWMSYNC P P C CP STOP DMC Rys.. Schematy blokowe koprocesorów napędowych DMC0 i DMC Poszukiwania nowych koncepcji układowych skierowane zostały w stronę rozwiązań pozwalających z jednej strony - na szybkie wykorzystanie pojawiających kolejnych generacji układów mikroprocesorowych dla energoelektroniki, jakimi są kontrolery DSP, z drugiej dostosowanie ich do zmieniających się potrzeb aplikacyjnych użytkownika. Przyjmując jako punkt odniesienia koprocesor DMC0/ zaproponowano rozwiązanie w postaci rodziny mikromodułów µdlh, w których ustandaryzowano topologię wyprowadzeń dla zasilania i sygnałów występujących we wszystkich układach przeznaczonych do sterowania przekształtników (sygnały PWM, ERROR i RESET, wejścia analogowe, linie I/O), pozostawiając pewną swobodę w operowaniu sygnałami specyficznymi dla danego typu układu. Stworzona została nowa platforma szybkiego prototypowania umożliwiająca wykorzystywanie różnych kontrolerów DSP w układach sterowania. Kompatybilność złącza pod względem elektrycznym i mechanicznym powoduje, że pojawienie się konieczności dokonania zmiany typu kontrolera nie pociąga za sobą kosztownych i czasochłonnych operacji. W zaproponowanym rozwiązaniu systemowym uwzględniono szereg wymagań i uwarunkowań: zastosowanie kontrolerów DSP różnych typów i producentów, kompatybilność złącza pod względem elektrycznym i mechanicznym, zestaw elementów peryferyjnych (układy E 2 PROM, RTC, watch-dog), interfejsy systemowe (, I 2 C, szeregowe łącza synchroniczne), komunikacyjne (RS-22, RS-85, CN) i programująco-monitorujące (JTG), możliwość pracy w systemie bazowym lub w układzie autonomicznym. Wypracowane w trakcie projektowania mikromodułów standardy i rozwiązania układowe pozwalają na kontynuację linii rozwojowej µdlh w miarę pojawiania się kontrolerów DSP kolejnych generacji.
- 5-2. KONTROLERY DSP Pierwsze cyfrowe procesory sygnałowe pojawiły się w połowie lat 80-tych (TMS0, 98). yły to szybkie jednostki arytmetyczno-logiczne wyposażone w odpowiednie magistrale systemowe, lecz praktycznie pozbawione peryferiów. Kolejne modele i rodziny procesorów DSP były systematycznie doskonalone. Z początkiem lat 90-tych poszerzył się zakres aplikacji i wówczas opracowano pierwsze dedykowane kontrolery DSP (TMSC/E energoelektronika/sterowanie, TMSC/E - teletransmisja). Ich poważnym mankamentem był jednak brak zintegrowanych przetworników /C. Pierwszym kompletnym specjalizowanym kontrolerem DSP, wyposażonym w pełen zestaw peryferiów (w tym dwa 8-kanałowe 0-bitowe przetworniki /C) niezbędnych do sterowania przekształtnikami energoelektronicznymi był układ TMSF2 (99). Współczesne kontrolery DSP są zaawansowanymi elementami elektronicznymi, które składają się ze standardowego rdzenia wykorzystywanego w szeroko rozpowszechnionych rodzinach procesorów sygnałowych oraz licznych wewnętrznych bloków peryferyjnych, które w przeszłości były charakterystyczne jedynie dla mikrokontrolerów: wielokanałowe bloki PWM, układy czasowo-licznikowe, bloki wewnętrznych pamięci RM i FLSH, rozbudowane bloki detekcji zdarzeń, przetworniki /C, interfejsy komunikacyjne (,, I 2 C, CN, porty synchroniczne), linie I/O ogólnego przeznaczenia, układy monitorujące watch-dog. Niektóre z kontrolerów DSP posiadają interfejs enkodera przyrostowego oraz złącze JTG. Najbardziej znaczącymi producentami kontrolerów DSP przeznaczonych do zastosowań energoelektronicznych są aktualnie firmy nalog Devices, Texas Instruments i Motorola. Tablice i 2 zawierają zestawienie podstawowych parametrów wybranych układów. Tablica. Parametry koprocesora DMC i kontrolerów DSP nalog Devices Kontroler DSP MIPS Nap. zasil. Wewn. pamięć PROGRMU FLSH ROM RM Pamięć DNYCH Pamięć ZEWN. Wy. PWM, we. FULT, we. Isense Przetworniki /C Tscnv Timery Interfejs enkodera przyrost. / /CN Monitor (ROM) DMC (koprocesor) 5V - - - - 2-bit [0 ] //- kanałów -bit.2µs - - - - DMC00 (rdzeń DSP-2) DMC (rdzeń DSP-2) DMCF2 (rdzeń DSP-2) DMCF (rdzeń DSP-2xx) DMCF (rdzeń DSP-2xx) DMC (rdzeń DSP-2) 25 (ns) 2 (8.5ns) 2 (8.5ns) 5V - 5V - 2K 2 (f.mat.) 2K 2 (f.mat.) K 2 K - 8//- 2K 2 K - 8//- 5V K 2 K 2 52 2 52-8//- 5V K 2 K 2 52 2 52-8// 5V K 2 K 2 52 2 52-8// 5V - 2K 2 2K 2 K 2-bit [0 ] 5 -bit ENO>2-bit kanałów 2-bit kanałów 2-bit 0 kanałów 2-bit kanałów 2-bit 8//- 8 2-bit 0.µs (min.) 2.55kHz (max.) 59µs (2-bit) /µs (9-bit) 5µs (2-bit) /µs (8-bit) 5µs (2-bit) /µs (8-bit) 5µs (2-bit) /µs (8-bit).88µs (2-bit) /-/- - /-/- - /-/- - //- - //- /-/- DSP-2990 (rdzeń DSP-29x) 50 (.ns) 0 (.25ns).V 2.5V - K 2 K 2 K 2-bit [0 9] 8/2/- 8 kanałów -bit 5ns ( kan.) 25ns (2 kan.) //- JTG DSP-2992 (rdzeń DSP-29x) 50 (.ns) 0 (.25ns).V 2.5V - K 2 2K 2 K 2-bit [0 9] 8/2/- 8 kanałów -bit 5ns ( kan.) 25ns (2 kan.) // JTG
2 2 28 29 0 2 5 8 9 2 5 2 25 STOSOWNE W TRYIE UTONOMICZNYM 22 8 2 0 2 2 9 5 8 50 9 5 52 55 5 5 5 5 59 8 58 0 9 5 8 5 2 - - Tablica 2. Zestawienie parametrów kontrolerów DSP firmy Texas Instruments Kontroler DSP TMSF2 TMSF2 TMSLF2 TMSLF2 TMSLF22 TMSLF2 TMSLF2 TMSF280 TMSF2808 MIPS 0 (ns) 50 (.n s) 50 00 (0ns) 00 Nap. zasil. WEWN. PMIĘĆ PROGRMU I DNYCH FLSH 5V K 5V 8K.V 2K.V 8K.V 8K.V K.V 2K.V.8V.V.8V K K OTP ROM K K OTP ROM RM 5 5 5 2K 5 52 5 52 5 52 5 2K 8K 8K oot LODER Pamięć ZEWN. P/D/IO /GLO 22K Wy. PWM, we. FULT 2/ - 8/ P/D/IO 92K /2 - / oot ROM K (f. mat.) oot ROM K (f. mat.) - 8/ - 8/ - /2 - / - 2/ Przetworniki /C Tscnv Timery 2 8 kanałowe 0-bit 8 kanałowy 0-bit kanałowy 0-bit 5 kanałowy 0-bit 8 kanałowy 0-bit 8 kanałowy 0-bit kanałowy 0-bit kanałowy (2 uklady S/H i multiplekser) 2-bit kanałowy (2 uklady S/H i multiplekser) 2-bit.µs 00ns (2 we.) 900ns ( we.) µs max. ns 8.MSPS (2 we.) 80ns 2.5MSPS ( we.) 0ns.25MSPS (2 we.) Interfejs enkodera przyrost. / /CN/I 2 C //-/- 2 ///- 2 ///- 2 - /-/-/- 2 //-/- 2 ///- 2 ///- (CPU) (GPT) (CPU) (GPT) 2 2 2/2//- ( McSP) e 2//2/ e JTG. MIKROMODUŁY µdlh.. Mikromoduł µdlh-f2 W projekcie mikromodułu µdlh-f2 wykorzystany został -bitowy kontroler DSP TMSF2 (rodzina TMSC00), którego podstawowe parametry zamieszczone zostały w tablicy 2. Kontroler ten jest kompatybilny pod względem kodu źródłowego z najstarszymi przedstawicielami tej rodziny procesorami sygnałowymi TMSC25/C2. Rozszerzona wersja kontrolera TMSF2 posiadająca dodatkowo wyprowadzone magistrale danych i adresów oraz sygnały sterujące dla zewnętrznych przestrzeni pamięci programu, danych oraz I/O nosi oznaczenie TMSF2. Schemat blokowy mikromodułu przedstawiono na rys. 2. Tx Rx PMIĘĆ ZEGR MGISTRL CNL TXD SD SCL CN TX CN RX Linie I/O Sygnały PWM PIO0 PIO5 CNH I/O I/O I S-SP S-SP SC-SCP /RS NVZ DCIN0 Linia we. /PDPINT (ERROR) /MR UKŁD WDI UKŁD Wejścia analogowe NU, NV, NW, X0, X, X2, X ZŁĄCZE 5V ZSILNIE ZEWNĘTRZNE 5V DC ZGODNYCH 2 Z PODSTWKĄ GND Rys. 2. Schemat blokowy mikromodułu µdlh-f2 wraz z układem prototypowym
2 2 28 29 0 2 5 8 9 2 5 2 25 22 8 2 0 2 2 9 5 8 50 9 5 52 55 5 5 5 5 59 8 58 0 9 5 8 5 2 STOSOWNE W TRYIE UTONOMICZNYM - - Do komunikacji mikromodułu µdlh-f2 z urządzeniami zewnętrznymi wykorzystać można wszystkie szeregowe interfejsy transmisyjne kontrolera TMSF2: asynchroniczny, sieciowy CN oraz synchroniczny. Prowadzenie prac uruchomieniowych z mikromodułem µdlh-f2 jest możliwe z wykorzystaniem oprogramowania narzędziowego starszej (asembler, kompilator C, HLL Debugger), nowszej (Code Composer) lub najnowszej (Code Composer Studio) generacji dla rodziny TMSC00. Ładowanie kodu i monitoring pracy oprogramowania wymaga zastosowania odpowiedniego emulatora JTG: XDS50/PP/ lub innego przystosowanego do współpracy z procesorami serii TMS zasilanymi napięciem 5V. Dla użytkownika nie posiadającego zaawansowanych narzędzi wspomagających dostępna jest opcja ładowania i zapisu programu w wewnętrznej pamięci FLSH poprzez interfejs (komunikacja z komputerem PC przez RS-22) lub za pomocą programu ładującego (oot-loader)..2. Mikromoduł µdlh-lf2 W najnowszym rozwiązaniu mikromodułu µdlh-lf2 zastosowany został szybki (MIPS) -bitowy kontroler DSP TMSLF2 (rodzina TMSC00). Jest on jednym z przedstawicieli większej podrodziny kontrolerów DSP TMSLF2x, w której znajdują się układy o identycznym rdzeniu, lecz różnym stopniu złożoności peryferiów (Tablica 2). Schemat blokowy mikromodułu µdlh-lf2 oraz jego prototyp przedstawia rys.. Tx Rx TXD /MR UKŁD WDI UKŁD PMIĘĆ ootload Flash Exe. ootrom ZŁĄCZE MGISTRL SD SCL MGISTRL SIMO SOMI CLK CNL CN TX CN RX I/O /RS Vccp DCIN0 Linie I/O Sygnały PWM V PIO0 PIO5 S-SP CC S-SP CNH SC-SCP I Linia we. /PDPINT (ERROR).V UKŁD PRZESUNIĘCI POZIOMU NP. REGULTOR NPIĘCI CZUJNIK TEMP. ZŁĄCZE ZGODNYCH 2 Z PODSTWKĄ Wejścia analogowe NU, NV, NW, X0, X, X2, X 5V ZSILNIE ZEWNĘTRZNE 5V DC NVZ GND Rys.. Schemat blokowy mikromodułu µdlh-lf2 i układ prototypowy. PRZYKŁD ZSTOSOWNI DYDKTYCZNEGO Mikromoduł µdlh-f2 wykorzystany został w układzie sterowania trójfazowego mostka tyrystorowego 0V zbudowanego podczas realizacji pracy dyplomowej magisterskiej w Katedrze utomatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych kademii Górniczo- Hutniczej. Wykonawcy zaprojektowali i uruchomili własną płytkę bazową z układem programowalnym CPLD (MX000S), w której został osadzony mikromoduł. Podczas przeprowadzonych eksperymentów wykorzystano nową koncepcję algorytmu sterowania zaproponowaną przez prof. Piroga [2]. Zestaw stanowi obecnie wyposażenie laboratorium stu-
- 8 - denckiego (rys. ). W wersji docelowej jako obciążenie zastosowany zostanie silnik prądu stałego. Rys.. Schemat blokowy układu sterowania mostka tyrystorowego oraz stanowisko laboratoryjne. WNIOSKI KOŃCOWE Mikromoduły µdlh umożliwiają przyspieszenie procesu projektowania zaawansowanych układów sterowania wymagających techniki DSP. Nowe rozwiązanie znalazło zastosowanie w eksperymentach badawczych. Jego walory dydaktyczne wykorzystano w trakcie realizacji prac dyplomowych. Wśród potencjalnych aplikacji wymienić można układy sterowania przekształtnikami energoelektronicznymi oraz zestawy laboratoryjno-dydaktyczne z zakresu energoelektroniki i cyfrowego przetwarzania sygnałów. 5. ILIOGRFI. Dębowski L.: Elastyczne układy sterowania z wykorzystaniem procesorów DSP i złożonych układów programowalnych CPLD/FPG dydaktyczne wykorzystanie nowoczesnej platformy sprzętowej i narzędzi programowych, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i utomatyki Nr, Gdańsk 0, s. -, ISSN 25-5 2. Piróg S.: Sterowanie trójfazowego mostkowego prostownika tyrystorowego zmniejszającego składową bierną podstawowej harmonicznej prądu źródła, IV Konferencja Naukowa Sterowanie w Energoelektronice i Napędzie Elektrycznym, SENE, Łódź- rturówek 999, s. 555-5, ISN 8-92-0-2 NEW MICROMODULES ND PPLICTIONS SED ON DSP CONTROLLERS The paper presents an architecture of µdlh micromodules family. The µdlh micromodules are dedicated for the basic DLH flexible control system support and for simple autonomous applications. asic features of selected DSP controllers are summarized. The µdlh-f2 and µdlh-lf2 micromodules are presented in details with an application example.