摘 要：本文介紹了TI（美國德州儀器）公司推出的一種面向數字控制系統(tǒng)開發(fā)的新型可編程DSP芯片TMS320LF2407的主要特點，及其在天然氣發(fā)動機控制系統(tǒng)中的應用。該控制系統(tǒng)硬件電路簡單，系統(tǒng)可靠，實時性高。

　　1 引言

　　近年來，數字信號處理器（DSP）芯片已經廣泛用于自動控制、圖像處理、通信技術、網絡設備、儀器儀表和家電等領域;DSP為數字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎。目前，應用廣泛的DSP芯片是TI（德州儀器）公司的產品，TMS320C2000系列是該公司的適合于數字控制的一種DSP。這種系列DSP芯片具有完美的性能并集成了閃存、高速A/D轉換器、高性能的CAN模塊等，因此使用它可以降低開發(fā)難度，縮短產品開發(fā)時間，有效地降低開發(fā)成本，具有很高的性價比。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000系列中的、集成度、性能強的運動控制DSP芯片。

　　天然氣作為動力能源是傳統(tǒng)燃料的理想替代品。各種天然氣發(fā)動機的專用電子控制系統(tǒng)不斷地涌現，使天然氣發(fā)動機的動力性、經濟性、排放性等各項性能不斷提高。天然氣專用發(fā)動機通過良好的控制可以比同等的汽油機和柴油機具有更低的排放，并且動力性能有很大的提高，因此選用高性能的DSP芯片設計好天然氣發(fā)動機控制系統(tǒng)是非常重要的。

　　2 TMS320LF2407芯片簡介

　　DSP芯片是一種具有特殊結構的微處理器。該芯片的內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的指令，可以用來快速地實現各種數字信號處理算法。

　　TMS320x24x系列數字信號處理器是TI（美國德州儀器）公司推出地一種面向數字馬達控制、嵌入式控制系統(tǒng)和數字控制系統(tǒng)開發(fā)的新型可編程DSP芯片。TMS320LF240x是x24x系列DSP控制器中的新成員，是為了滿足控制應用而設計的。LF240x的片內程序存儲器為Flash EEPROM，包括LF2402、LF2406和LF2407三個型號。LF2407是x240x系列DSP控制器*能強、片上設施完備地一個型號，被廣泛用于代碼開發(fā)、系統(tǒng)仿真及實際系統(tǒng)中，其主要特點：

　?。?） 采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗;30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns（30MHz），從而提高了控制器的實時控制能力。

　?。?） 兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器;8個16位的脈寬調制（PWM）通道。適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、步進電機和逆變器等。

　?。?） 10位A/D轉換器轉換時間為500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入A/D轉換器或一個16位通道輸入的A/D轉換器。

　　3 TMS320LF2407芯片在天然氣發(fā)動機控制系統(tǒng)中的應用

　　傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是選用單片機來控制，一是其運行速度不高，達不到很好的實時控制，不能有效的起到在線檢測控制的效果;二是單片機的集成度較低，片上不具備運動控制系統(tǒng)所需的專用外設，這就需要較多的元器件，增加了系統(tǒng)電路的復雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性。然而選用TI（美國德州儀器）公司的x240x系列DSP芯片，片上集成了專用的運動控制外設電路，且其內部的DSP核可提供更高的運算速度、運算和處理大量數據運算的能力。DSP芯片能較好地滿足系統(tǒng)的實時性要求，能夠比較方便實現復雜的控制算法。

　　3.1控制系統(tǒng)的硬件設計

　　控制系統(tǒng)的主要功能是通過兩個轉速傳感器和一個溫度傳感器，一個轉速傳感器測得信號來控制各缸的點火時間，另一個轉速傳感器測得信號來計算轉速，溫度傳感器是測量排放尾氣的溫度，通過測得的轉速和尾氣溫度來判斷發(fā)動機的運行情況，再根據一些控制規(guī)則來調節(jié)電磁閥來控制天然氣和空氣的進氣量，從而使發(fā)動機的轉速恒定，以提高天然氣發(fā)動機的動力性能。

　　控制系統(tǒng)采用TMS320LF2407的DSP芯片，系統(tǒng)的外圍元件很少，電路結構很簡單，系統(tǒng)結構簡圖如圖1所示：

　　1）人機接口部分的設計：

　　主要設計8位LED顯示和20鍵鍵盤，一是為了轉速和排氣溫度的顯示，一是點火角度的輸入和調整。采用了一種鍵盤和數碼管的智能控制芯片HD7279A和DSP芯片相連，只需用DSP的4個I/O口，能夠有效的減少硬件電路，提高系統(tǒng)可靠性。由于TMS320LF2407的I/O口輸出都是3.3V，和HD7279A引腳相連時可以加鉗位電路。

　　HD7279A是一片具有串行接口的智能顯示驅動芯片，可同時驅動8位共陰式數碼管和連接64鍵的鍵盤矩陣，無需外圍元件可直接驅動LED，單片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能。電路如圖2所示：

　　HD7279A應連接共陰式數碼管，應用中無需用到的鍵盤和數碼管可以不連接。若不用鍵盤，則圖2中的連接到鍵盤的8只10K電阻和8只100K下拉電阻均可以省去。若使用了鍵盤，則電路中的8只100K下拉電阻均不得省略。若不用數碼管，則圖2中串入DP及SA-SG連線的8只0.2K電阻可省去，否則不能省略。實際應用中8只下拉電阻和8只鍵盤連接位選線DIG0-DIG7的8只位選電阻應遵從一定的比例關系，下拉電阻應大于位選電阻的5倍而小于其50倍，典型值為10倍。

　　HD7279A需要外接RC振蕩電路以供系統(tǒng)工作，其典型值分別為R=1.5K,C=15pF，若芯片無法正常工作，要首先檢查此振蕩電路。

圖2 鍵盤和LED顯示

　　2）信號采集部分的設計

　　控制系統(tǒng)主要采集天然氣發(fā)動機的轉速和排氣溫度。

　　轉速傳感器采集的信號是脈沖信號經過LF356放大，再經過LM339比較器整形后，通過光電隔離送到DSP的I/O口，通過所得的脈沖信號個數來計算出轉速值。

　　排氣溫度在800度左右，因此溫度信號使用K型熱電偶采得，由AD590構成熱電偶冷端溫度補償，經過OP07放大后送到DSP的模擬信號端口。電路框圖如圖3所示：

圖3 轉速、溫度信號采集框圖

　　AD590是一種恒流源形式的溫度傳感器，只需在其二端加上一定的工作電壓，則其輸出電流隨溫度變化產生線性變化，溫度每變化1℃，輸出電流變化1μA。采用AD590對熱電偶進行溫度補償，根據不同的熱電偶的塞貝克系數，選取合適的電阻，使其讀數變化的電壓變化與熱電偶此時的冷端電動勢抵消，從而達到溫度補償。

　　3.2軟件設計

　　軟件采用匯編語言編寫，使用TI公司的CC2000開發(fā)環(huán)境，主程序主要是實現顯示功能和數據采集功能。主程序流程圖如圖5所示：

圖4 主程序流程圖

　　在控制程序中，將計算出的轉速和溫度與期望值比較，得出誤差和誤差變化率，再根據制定好的控制規(guī)則來調整燃氣和空氣的電磁閥，從而改變燃氣和空氣的進氣量，以便輸出恒定的轉速。DSP芯片內部具有電動機控制專用硬件機制，能夠直接產生PWM波形，這樣可以直接用來控制燃氣和空氣的電磁閥。

　　4 結語

　　基于DSP芯片構成的控制系統(tǒng)事實上是一個單片系統(tǒng)，因為整個控制所需的各種功能都可由DSP芯片來實現。因此，可以減小目標系統(tǒng)的體積，減少外部元件的個數，增加系統(tǒng)的可靠性。對于那些性能和要求高、實時性強、體積小的場合，基于DSP芯片來構成控制系統(tǒng)是具有很高性能價格比的實現方法。