原创 基于DSP+CPLD的新型智能监测系统设计与开发

[摘要]：在对电力系统大型设备智能在线监测中，传统基于单片机的智能仪器系统暴露出系统灵活性不高软硬件通用性不强等诸多弊病。本文以WSM2000 DSP智能电动机保护装置项目为背景，提出DSP+CPLD新型智能监测系统的设计方案，它以DSP为底层主处理器，把所有控制电路、地址分配等设计在CPLD中，使整个系统结构简单化，体积小型化，功能多样化，为测控仪器向高层次智能化方向发展提供了充分的现实可行性。

[关键词]：DSP+CPLD，智能监测系统，液晶显示，在线编程

一、背景及DSP+CPLD系统优越性

　　作为电气主设备，电动机是数量最多的一种，电动机及其保护的运行正常与否，直接关系到国计民生。据统计，可靠的保护每年可减少约20万台（次）以上的电动机烧毁，减少经济损失数亿元。
传统智能仪器大多数都是在单片机系统基础上开发的。基于单片机的保护装置受其内部结构、时钟和总线的限制，运算能力弱，实时性差，软硬件通用性不强，系统灵活性不高，日益不能满足上述需要。DSP处理器因内部采用了区别于传统单片机冯·诺依曼结构的哈佛结构而克服了取指令和数据都通过同一条总线完成而造成的传输通道瓶颈效应的问题。可编程逻辑器件（PLD）经历了从PROM、PLA、PAL、GAL等低密度的PLD，发展到CPLD和FPGA两种大规模的PLD，开发工具越来越完善，应用越来越普及。将CPLD/FPGA和DSP技术的结合起来实现DSP器件系统的解决方案，为测控仪器向高层次智能化方向发展提供了充分的现实可行性。

　　为实现对电力系统大型设备智能在线监测，本文以WSM2000 DSP智能电动机保护装置项目为背景，对一种DSP+CPLD新型的智能仪器结构进行了研究和设计。

二、系统结构

　　本系统采用美国TI 公司生产的浮点DSP器件TMS320C32作为底层主处理器件，实现对A/D采集得到的数字信号进行处理，并且把所有控制电路、地址分配等设计在EPM7128S中，使整个系统结构简单化，体积小型化，功能多样化。AD1674用来进行信号的采集，FLASH Memory用来存放软件代码、主要功能参数、故障数据记录等；SRAM的功能一是程序仿真时使用，二是在系统脱机运行时，将FLASH Memory中的软件搬运到SRAM中运行，提高软的运行效率。系统功能模块图1所示。




三、 CPLD开发流程

　　CPLD的开发是指用利用CPLD芯片并借助于其开发系统，按照开发系统的工作步骤，将用户设计转化成CPLD配置数据并下载到CPLD芯片中实现用户设计要求的全过程。其设计流程图如图2所示。 无线SOC开发平台499元 S3C44B0 ARM7开发板378元 S3C2410 ARM9开发板780元 AT91SAM7S64 ARM7




四、液晶显示（LCD）模块设计

　　1  硬件接口设计内置T6963C控制器型液晶显示模块接口，由指令锁存器、数据锁存器、数据缓冲器、状态寄存器以及数据控制电路、数据栈区等组成。接口部实现了CPU和T6963C内部寄存器及其所管理的显示存储器的存取操作，实现了CPU操作时序与T6963C内部工作时序的转换。CPU对T6963C的每次操作时，接口部的锁存器保留了其发来的指令代码或显示数据，并立即封锁了接口部的对外电路，将后续的处理过程转换到T6963C控制部的工作时序上，直到处理完成，方释放接口部对外电路，等待下一次访问。T6963C与TMS320C32和EPM7128S接口如图3所示：




　　TMS320C32的/IOSTROB 、A1、A0、引脚进行地址译码，参与系统的统一编址。/IOSTROB=0时，DSP对应有效地址为810000H--82FFFFH，当地址线A0为1时选通LCD，地址线A1用来实现液晶的数据通道和指令通道的区分，A1=1时为指令通道，A1=0时为数据通道。LCD接口地址为： 818003H为指令通道818001H 为数据通道。

2  软件设计

　　本系统T6963C接口部设计了一个数据栈，在写带有参数的指令时，先向数据通道写入参数，接口部将其存在数据栈中，然后通道写入指令代码。T6963C将根据指令代码的含义将数据栈内最近的数据作为其参数一同进行处理。读显示数据时，先写入操作的指令代码，T6963C将所需的显示数据放入数据栈中，然后读数据操作将数据栈中的数据读出。

3  内置T6963C液晶显示模块的软件实现

（1）、地址分配及定义
        .data
      LCDC_ADD  .equ  820003H；指令通道
LCDD_ADD  .equ  820001H；数据通道

（2）、状态字检测子程序
      LCDR_ST：  LDI  @LCDC_ADD，R0
                  RETS
由此程序派生出判断有关标志位的子程序：

        <1>判断状态位STA1和STA0子程序，在写指令的读、写数据之前，这两个标志位必须同时为“1”。
            LCDST01：  CALL  LCDR_ST
                        LDI  R0,R1
                        AND  01H,R1
                        BZ    LCDST01
                        AND  02H,R0
                        BZ    LCDST01
                        RETS
        <2>判断状态位STA3子程序（数据自动写状态）
            LCDST3：    CALL  LCDR_ST
AND  08H,R0
BZ    LCDST3
RETS

（3）、写指令和写数据子程序
  LCDPR1：    CALL  LCDST01；双字节参数指令写入入口
                  LDI  AR1,R0   
                  CALL  LCDPR13 
      LCDPR11：    CALL  LCDST01  ；单字节参数指令写入入口
                  LDI  AR2,R0   
                  CALL  LCDPR13 
      LCDPR12：    CALL  LCDST01  ；无参数指令写入入口
                  LDI  AR3,R0     
      LCDPR14：    STI  R0,@LCDC_ADD ；写入指令操作
                  RETS           
      LCDPR13：    STI  R0,@LCDD_ADD；写入数据操作
RETS

（4）、读数据子程序
        LCDPR2：    CALL  LCDST01      ；判状态位
                    LDI  @LCDD_ADD,R0  ；读数据操作
        RETS

五、  系统在线编程

　　因系统最终要脱仿真器独立运行，所以要把程序烧写到掉电非丢失存储器FLASHROM中。本系统开发所采用的将存储器安装到用户电路板上进行编程的方法将用户程序代码装入 FLASH存储器的。它包括现在普遍采用的在系统编程(In System Programming，ISP)，通过系统的微处理器实现对FLASH存储器的编程。

1、  FLASH在线编程实现

　　对FLASH的基本操作主要有读、字节编程、复位、扇区擦除、片擦除等。Am29F010B闪烁存储器读操作与普通的存储器操作相同，不需要特定的时序，在电路上电或内部编程等操作技术后，自动进入读数据状态。而擦除和写操作相对复杂一些。它不能简单的直接写入，.OUT文件不能LOAD到FLASH中，CCS和C Source Debugger中的LOAD命令均不能对FLASH写入，需要专门的程序写入一系列Flash Memory的命令寄存器，然后调用嵌入式算法的内部程序来完成相应的命令。Am29F010B编程一般步骤是复位、擦除、字节编程等。

2、  系统软件加载程序设计

　　系统软件加载程序的主要作用是在系统上电处理器初始化后，开始执行的一段代码，将用户实时运行的程序和数据从外部低速FLASH Memory中加载到内部或外部高速静态RAM存储器中，然后跳到程序的进入点开始全速运行。

　　TMS320C32 DSP芯片引导装载程序的执行过程将复位中断向量表中存放引导程序的起始地址，上电复位或手动复位之后，程序指针将指向引导程序。在运行搬移程序之前，要注意关中断。向量如果MC/MP#=1，而且系统没有接在仿真器上，那么DSP芯片自动运行固化在0h~0fffh中的引导装载程序。这一程序会自动判断是INT0~INT2,还是INT3中断。如果是INT0~INT2中断，DSP将存放在BOOT1~BOOT3中的一段程序装载到片内RAM或片外SRAM中；如果是INT3中断，则DSP将从串口中把程序装载到片内RAM或SRAM中。如果没有中断，DSP根据0H单元中的复位矢量，跳到该矢量所指出的单元为首地址，执行一段引导装载程序。TMS320C32引导装载程序关键代码如下：
LDI  01H,AR0
          LDI  *AR0,AR0
          LDI  02H,AR2
          LDI    *AR2,AR1
          LDI    87,RC
          RPTB  dload
          LDI  *AR0++,R0
Dload： STI  R0,*AR1++
            LDI  03H,AR0
            LDI  *AR0,AR0
            LDI    04H,AR2
            LDI  *AR2,AR1
            LDI    4000H,RC
            RPTB  pload
            LDI  *AR0++,R0
Pload：  STI  R0,*AR1++
            BR  900000H

六、结束语

　　上述讨论的方法在软、硬件上都已得到实现，效果理想。利用了Flash ROM的嵌入式算法，体现了DSP高效性和灵活性。非常适合应用于实时控制系统中，解决了只能依赖于烧录器的问题，也可经常调整系统的参数，降低了系统成本、缩短了系统的开发周期。



作者：黄天戍 霍… 文章来源：微计算机信息