ZADÁNÍ BAKALÁ SKÉ PRÁCE

(1)

Technická univerzita v Liberci, Hálkova 6, 461 17 Liberec Tel.: 485 353 287 http://www.tul.cz

Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií

Bakalá ská práce

Liberec 2006/2007 Adam Kubina

(2)

Strana: 2 z 49 TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií Studijní program: B 2612 – Elektronika a informatika

Studijní obor: 2612R001 – Elektronické informa ní a ídicí systémy

ídící program signálového procesoru

Bakalá ská práce

Autor: Adam Kubina

Vedoucí BP: Doc. Ing. Bed ich Jane ek, CSc.

Konzultanti: Doc. Dr. Ing. Mgr. Jaroslav Hlava Ing. Libor Kubka

(3)

Strana: 3 z 49 V Liberci 12.5.2007

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií

Katedra ídicí techniky Akademický rok: 2006/2007

ZADÁNÍ BAKALÁ SKÉ PRÁCE

Jméno a p íjmení: Adam Kubina

studijní program: B 2612 – Elektrotechnika a informatika

obor: 2612R011 – Elektronické informa ní a ídicí systémy

Vedoucí katedry Vám ve smyslu zákona o vysokých školách .111/1998 Sb. ur uje tuto bakalá skou práci:

Název tématu:

ídicí program signálového procesoru

Zásady pro vypracování:

1. Seznamte se s programovacím jazykem C.

2. Seznamte se s jazykem symbolických adres signálových procesor ady TMS320F28X firmy Texas Instruments.

3. Pro uvedený procesor vypracujte:

a) program pro m ení nap tí ze zvoleného kanálu A/D p evodníku, b) program pro generování výstupního PWM signálu,

c) program PI regulátoru.

(4)

Strana: 4 z 49 4. Vypracované programy prakticky ov te. Pro ov ování použijte pracovní desky

(tzv. Starter Kit), na které je zabudován procesor TMS320F2808.

Rozsah grafických prací: dle pot eby dokumentace Rozsah pr vodní zprávy: cca 40 stran

Seznam odborné literatury:

[1] Smékal, Z., Sysel, P.: Signálové procesory. 1. vyd. Praha: Sd lovací technika, 2006.

ISBN 80-86645-08-8.

[2] Karnighan, B. W., Ritchie, D. M.: Programovací jazyk C. 1. eské vyd. Brno:

Computer Press, 2006. ISBN 80-251-0897-X.

[3] Herout, P.: U ebnice jazyka C – 1. díl. 4. vyd. eské Bud jovice: Koop, 2002.

ISBN 80-85828-21-9.

[4] Herout, P.: U ebnice jazyka C – 2. díl. 2. vyd. eské Bud jovice: Koop, 2002.

ISBN 80-7232-221-4.

Vedoucí bakalá ské práce: Doc. Ing. Bed ich Jane ek, CSc.

Konzultanti: Doc. Dr. Ing. Mgr. Jaroslav Hlava Ing. Libor Kupka

Zadání bakalá ské práce: 27. 10. 2006

Termín odevzdání bakalá ské práce: 18. 5. 2007

L.S.

……….. ………

Vedoucí katedry D kan

V Liberci dne 27. 10. 2006

(5)

Strana: 5 z 49

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalá skou práci se pln vztahuje zákon . 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).

Beru na v domí, že TUL má právo na uzav ení licen ní smlouvy o užití mé BP a prohlašuji, že souhlasím s p ípadným užitím mé bakalá ské práce (prodej, zap j ení apod.). Jsem si v dom toho, že užít své bakalá ské práce i poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat p im ený p ísp vek na úhradu náklad vynaložených univerzitou na vytvo ení díla (až do jejich skute né výše).

Bakalá skou práci jsem vypracoval samostatn s použitím uvedené literatury a na základ konzultací s vedoucím bakalá ské práce a konzultanty.

V Liberci dne: 7. 5. 2007

Podpis:

(6)

Strana: 6 z 49

Abstrakt

V této práci je popsán signálový procesor TMS320F2808 od firmy Texas Instrument a vývojové prost edí Code Composer Studio s kitem eZdsp™ F2808 od Spectrum Digital.

Dále je zde popsána realizace programu PID regulátoru, který nám vypo ítává ídící veli inu z hodnot na snímaných z AD p evodníku a žádané hodnoty, která se nastavuje pomocí digitálních vstup . ídící veli ina regulované soustavy je interpretována pomocí výstupního PWM signálu, která se m ní od 0 do 3,3 volt .

(7)

Strana: 7 z 49

Abstract

In those work is described digital signal processor TMS320F2808 from firm Texas instrument and evolutionary environment Code Composer studio with kit eZdsp™ F2808 from Spectrum Digital.

Further is here described realization program PID regulator that the to us enumerates reference input from values on scanned from AD converter and in demand values that the set by the help of digital input.

(8)

Strana: 8 z 49 Obsah:

Abstrakt ...6

Abstract ...7

Seznam obrázk ...9

Seznam zkratek ... 10

1. Úvod ... 11

2. Historie ... 12

3. TMS320F2808 ... 14

3.1 Jednotka CPU... 15

3.2 Pam ti na ipu (FLASH, ROM, OTP, SRAM (SARAM)) ... 17

3.2.1 Blok generátoru hodinového signál (OSC + PLL)... 19

3.2.2 A/D p evodník ... 20

3.2.3 Jednotka íta e/ asova e ... 21

3.2.4 Sériová komunika ní rozhraní - eCAN, I2C, UART, SPI ... 22

3.3 Architektura a pouzdro TSM320F2808... 24

3.4 Pouzdro TMS320F2808 ... 26

4. Vývojová deska eZdsp™ F2808 ... 27

5. Code Composer Studio ... 29

5.1 Popis okna vývojového prost edí CCS ... 30

5.2 Spušt ní a p ipojení programu pomocí souboru GEL ... 32

5.3 Vlastní ídící program ... 33

5.4 Odlad ní PID regulátoru pomocí pracovní desky Starter Kit ... 47

6. Záv r ... 48

Seznam použité literatury ... 49

(9)

Strana: 9 z 49 Seznam obrázk

Obrázek 1. Blokové schéma Harvardské architektury ... 12

Obrázek 2. Blokové schéma CPU jednotek F28xx ... 16

Obrázek 3. Rozložení pam ti ... 18

Obrázek 4. Blokové schéma generátoru hodinového signálu ... 19

Obrázek 5. Blokové schéma AD p evodníku ... 20

Obrázek 6. Blokové schéma íta e asova e... 21

Obrázek 7. Blokové schéma komunika ního rozhraní eCAN ... 22

Obrázek 8. Blokové schéma ady F28xx ... 25

Obrázek 9. Popis pouzdra procesoru TSM320F2808 ... 26

Obrázek 10. Popis vývojového kitu eZdsp™ F2808 ... 28

Obrázek 11. Popis vývojového prost edí CCS ... 30

Obrázek 12. Schéma komunikace mezi DSP a Matlab simulinkem ... 47

(10)

Strana: 10 z 49 Seznam zkratek

DSP………...Digitální signálový procesor TI………...Texas Instruments

PWM………... Pulzn ší ková modulace CCS………...Code Composer Studio

ALU……… Aritmeticko–Logická jednotka OSC………. Oscilátor

CLK………. Hodinové pulzy (signál) PLL………... Fázový záv s

A/D………... Analogov / Digitální S/H………... Sample and Hold

GPIO………... General port input output

PID……….. Proporcionáln integra n deriva ní MAC………....Multiply and Accumulate

(11)

Strana: 11 z 49

1. Úvod

V dnešní dob se o ekává od elektronických systém integrace co nejv tšího množství funkcí do jediného ipu. Tím se podstatn zmenšuje velikost výsledného za ízení jen na pár obvod a sou ástek, jako jsou nap íklad napájecí obvody a ídící krystal. Jinak je vše integrováno na jediném ipu. Jelikož je tak ka vše v jediném pouzd e, tak se zvyšuje složitost t chto procesoru a náro nost na jeho naprogramování a zvládnutí všech funkci.

Nicmén tato integrace zp sobuje revoluci v uplatn ní t chto sofistikovaných systém , do obor o nichž by se d íve ani nedalo p emýšlet. A se podíváme kamkoli tak je všude najdeme, od ledni ek, sporák , multimediálních p ehráva , mobil , automobil a mnoho jiných až po váhy a r zné testery. Jsou i v takových oborech, jako je nap íklad léka ství i zabezpe ovací systémy. Prost jsou všude kolem nás a v tšina lidí si to ani neuv domuje.

Tato bakalá ská práce pojednává o procesoru TMS320F2802 od firmy Texas Instrument (TI). Ta pat í k p edním výrobc m t chto sou ástek na trhu. Procesory spl ují výše zmín nou vysokou integraci a také kladou d raz na t i základní požadavky, které jsou od digitálních signálových procesor (DSP) obvykle požadovány: nízká spot eba energie, nízká cena, a vysoký výpo etní výkon.

Konkrétn ji se budeme zabývat využití DSP v pr myslových aplikacích, ve kterých je zapot ebí ízení v reálném ase a pomocí PID regulátor . Jelikož jsou tato za ízení jednoú elová, tak se mohou uplatnit zejména v aplikacích, ve kterých není nutno m nit ídící program, a tudíž tam kde není pot eba nic nastavovat a jedna innost se vykonává stále dokola bez nutnosti zásahu lov ka, jako je nap íklad ízení vst ikování paliva u automobil apod.

(12)

Strana: 12 z 49

2. Historie

Nejprve se podíváme trochu do historie. Tu za ala psát v roce 1978 firma Intel, která p išla na trh s analogovým procesorem i2920. Procesor byl složen z p evodník , jež analogovou reprezentaci signálu konvertovaly na digitální a zp t a z 25bitového digitálního procesoru, který vykonával hlavní výpo etní innost. Nicmén tento procesor nebyl p íliš úsp šný a tak p išli v roce 1980 firmy NEC a AT&T se svými DSP, ty byly v této dob pravd podobn nejúsp šn jší a jejich výrobky byly rozší ené zejména v telekomunika ním pr myslu.

Spole nost Texas Instruments, do této oblasti vstoupila až v roce 1983 s procesoru 320C10. Ovšem znám jším následníkem tohoto DSP je 32bitový float pointový procesor 320C30, uvedený v roce 1988. Ten je významný zejména myšlenkou nezávislé innosti ALU, adresní a ídící logiky, která p inesla v tší propustnost dat. Jeho design se promítnul mj. i do procesor Silicon Graphics (MIPS R8000) a do architektury Power firmy IBM (v sou asné dob PowerPC). 320C30 byl vybaven pam tí 4kB ROM a 2x1kB RAM

Zásadním p ínosem osmdesátých let je zavedení tzv. Harvardské architektury (obrázek 1) jenž má rozd lenou pam a sb rnicí, pro pam a data. Tato koncepce je velmi moderní, i když její minulost sahá až do t icátých let minulého století, kdy jí Howard Aiken vyvinul pro reléový po íta Harvard MARK 1, nicmén v této dob byla tato myšlenka p íliš technicky náro ná a tak se používala výhradn architektura Von Neumanova s jednou spole nou sb rnicí pro pam i data.

Obrázek 1. Blokové schéma Harvardské architektury

(13)

Strana: 13 z 49 Dalším prvkem zrychlení b hu programu je paralelizace. DSP se asem vyvinul do procesor , složených z n kolika nezávislých jednotek, vid ných programátorem jako nezávislé asymetrické procesory. Toto uspo ádání struktury procesoru umož uje v jednom cyklu provést i n kolik p ístup do pam ti a provést i n kolik ekvivalent p vodních MAC instrukcí.

Zajímavým jevem okolo DSP je predikovatelnost. Obecné procesory ne eší typicky úlohy, u kterých by bylo možné jednoduše p edvídat nap . vzory p ístupu do pam ti. U DSP, které realizuje nap . FIR filtry, je toto možné a lze to s výhodou uplatnit p i optimalizaci kódu pro DSP. Typický signálový procesor dnešní doby je DSP s n kolika podp rnými obvody ve svém pouzd e. Procesor má instruk ní sadu upravenou pro zpracování signálu. Dále je optimalizován tak, aby dosáhnul kompromisu mezi t emi klí ovými požadavky: vysoký výpo etní výkon, nízká spot eba energie a nízká cena. Z procesor od TI jsou k t mto ú el m vyvíjeny ady 320C2000, 320C3000, 320C5000 a 320C6000.

ada 320C2000 je specifická tím, že je relativn malá o proti ostatním adám a zárove v sob implementuje velké množství periférii s velkým výpo etním výkonem.

(14)

Strana: 14 z 49

3. TMS320F2808

Firma Texas Instrument je tradi ním výrobcem DSP, jejich novinkou je práv náš TM320F2808, jehož výhodou je, jak napovídá písmeno „F“ v názvu, integrovaná FLASH EEPROM. Dále pak v sob integruje velké množství obvod a periférii. Jako nap íklad A/D a D/A p evodníky, sb rnice CAN, PWM výstupy, digitálními vstupy a výstupy, SPI a SCI rozhraní. To z n ho tvo í za ízení, které se dá snadno implementovat a využít v celé

ad ídících aplikací,

Krátká specifikace TSM320F2808:

FLASH EEPROM - Pracuje na nap tích 1,8V v jád e a 3,3V na vstup/výstup a její velikost je 64K

A/D p evodník - Má 16 kanál o ší ce 12 bit a as p evodu je 160ns

CAN - Je to 32 bitová sb rnice se 4mi kanály, které se dají použít i jako pomocný PWM kanál

QEP - modul kvadraturního enkodéru

PWM výstupní kanál - Pulzn ší kov modulovaný kanál. Obsahuje jich šest.

Pam SARAM - Její velikost je 18K a je rozd lena do ástí L0, L1, M0, M1, H0

SPI (Serial Peripheral Interface) - Neboli sériové vn jší rozhraní. Obsahuje ty i kanály: SPI-A, B, C, D.

SCI (Serial Communications Interface) - Což je sériové komunika ní rozhraní. Obsahuje dva kanály SCI-A,B.

Digitální vstup/výstup - Je rozložen mezi 35 sdílených pin . Boot ROM - Její velikost se 4K x 16

Díky integraci t chto vlastností p ímo do ipu se zjednodušuje jejich použití, jelikož minimalizuje po et používaných externí sou ástek.

(15)

Strana: 15 z 49

3.1 Jednotka CPU

F2808 má tuto jednotku shodnou s celou adou C2000, pracuje na taktovací frekvenci 100MHz a je rozd lena do následujících blok , které mezi sebou provázáni podle obrázku 2.

Krom programových, datových zapisovacích a tecích sb rnic obsahuje ješt tyto obvody:

Program and address control logic - programová a adresová ídící logika Real-Time emulation and visibility - emulace a zobrazení dat v reálném ase Interrupt processing - zpracování p erušení

Prefetch queue and instruction decode - obvod p edzpracování fronty a dekódování instrukcí

ARAU - adresový registr aritmetické jednotky ALU - aritmeticko-logická jednotka

Address generators for program and data - generátor adres pro program a data

MPY/ALU - Hardwarová násobi ka a ALU v pevné ádové árce

Díky t mto prost edk m se stává velmi výkonnou jednotkou pro programovací jazyk C nebo C++. Jádro pracuje v pevné ádové árce a tvo í jí 32 x 32bitová jednotka MAC (Multiply and Accumulate = násob a se ti = což je vlastn hardwarová násobi ka a ALU) se 64-bitovými akumulátory. To umož uje 64bitové zpracování dat, což eliminuje nutnost použít procesory pracující v plovoucí ádové árce i pro data s velkým dynamickým rozsahem.

8 úrov ový pipelining a velký po et registr (XAR0 až XAR7) umož uje velmi rychlé zpracování dat i asynchronních událostí s minimálním zpožd ním. Odd lené programové/datové adresové a datové sb rnice pro tení a zápis dat (adresové: PAB, DRAB, DWAB, datové: PRDB, DRDB, DWDB) umož ují rychle p istupovat do pam tí a tím s minimálním prodlením p ipravovat pot ebná data a p íkazy ke zpracování.

(16)

Strana: 16 z 49 P i asování hodin 100 MHz trvá jeden instruk ní cyklus 10ns. I když zpracování samostatn jednotlivých instrukcí v praxi m že trvat více cykl , jejich p edzpracování (pipelining = ve struktu e více za sebou jdoucích p íkaz ) virtuáln zkrátí jejich provedení.

Funkce CPU je graficky znázorn na obrázku 2.

Obrázek 2. Blokové schéma CPU jednotek F28xx

(17)

Strana: 17 z 49

3.2 Pam ti na ipu (FLASH, ROM, OTP, SRAM (SARAM))

Velkou výhodou ady F28xx je p ítomnost FLASH pam ti p ímo na ipu DSP. Ta má velikost 64K x 16 bit rozd lená na 16 sektor po 16 kB. Navíc má ješt 1K x 16 OTP pam ti. Tyto sektory m že uživatel (programátor) individuáln smazat i p epsat aniž by se m nila data v ostatních sektorech. Nelze však provád t mazání programu v práv b žícím sektoru. FLASH pam m že být mapována do programového i datového prostoru, tzn., že ji lze využít jako pro program, tak pro data.

Pam ROM náš typ F2808 v bec neobsahuje. Obsahuje pouze tzv. Boot ROM ve které je od výrobce nahrán bootovací program, který umožní rozb h procesoru pro p ipojení napájení nebo automatické na tení programu a dat z externí pam ti do vnit ní SRAM

Interní SRAM, ozna ená jako SARAM (Single Access RAM), je rozd lena do oddíl o velikosti 1K x 16 a n kolika blok , které se liší svojí velikostí. Oddíly M0 a M1 mají mapování do programového i datového pam ového prostoru. Po resetu se stack pointer (ukazatel zásobníku) nastaví do oddílu M1. Bloky L0, L1, H0 dohromady poskytují 16K x 16 bit pam ti. Každý blok m že být nezávisle adresován CPU b hem pipeliningu.

Podrobn jší popis rozložení pam ti je schematicky znázorn n na obrázku íslo 3.

(18)

Strana: 18 z 49 Obrázek 3. Rozložení pam ti

(19)

Strana: 19 z 49 3.2.1 Blok generátoru hodinového signál (OSC + PLL)

Interní generátor CLK je ízen oscilátorem s frekvencí krystalu 20 MHz a upravován smy kou fázového záv su PLL. Generátor tak poskytuje až 10 pom r frekvencí hodinového signál , daných pom rem PLL. Ten se nastavuje softwarov 4bitovým registrem.

Nižší zvolenou frekvencí lze snížit spot ebu procesoru, ale také se tím sníží výpo etní výkon. Zárove lze funkci PLL záv su i úpln vy adit. Maximální frekvence hodin je 100 MHz.

Obrázek 4. Blokové schéma generátoru hodinového signálu

(20)

Strana: 20 z 49 3.2.2 A/D p evodník

Na ipu všech DSP ady F28xx je integrovaný 12bitový rychlý A/D p evodník s 2x S/H (Sample and Hold) obvody, což v praxi rozd luje 16 kanál na dv 8kanálové multiplexované v tve s vlastním S/H obvodem. Vzájemnou synchronizaci obou v tví ídí tzv. sekvencer. To umož uje jednodušeji ešit p evod nap íklad u stereofonního zvuku s jedním A/D p evodníkem. Každý kanál má vlastní registr pro uložení výsledku p evodu.

Na vstup je možné p ivést nap tí v rozsahu 0 až 3 V a výkon p evodníku je 6.25 MS/s =>

p evodní as 160ns p i frekvenci A/D hodin 12.5 MHz. Vnit ní schéma A/D p evodníku je zobrazeno na obrázku 5.

Obrázek 5. Blokové schéma AD p evodníku

(21)

Strana: 21 z 49 3.2.3 Jednotka íta e/ asova e

K asovému ízení softwaru slouží i 4úrov ový modul zachytávání etap. Ten umož uje ze vstupu eCAP ítat signál a ten porovnávat se ty mi nezávislými 32bitovými registry. Použít lze kontinuální nebo jednorázový mód, který provádí porovnání opakovan nebo jednorázov . P i zjišt ní shody hodnoty na s ítané a nastavené se vygeneruje p erušení.

Naopak k asování ízené aplikace slouží ePWM blok až se 7 PWM jednotkami.

Ten tak poskytuje až 16 PWM výstup podporující vysoké rozlišení, kdy je možné vytvo it PWM signály s p esností v tší než 10 bit pro frekvence vyšší než 200 kHz. To obvykle bývá již problém. Nezávisle lze ídit st ídu i fázový posuv.

Navíc lze na ipu najít modul kvadraturního enkodéru eQEP a Watchdog ízený p ímo hodinovým signálem z oscilátoru d leného nastavitelnou d li kou a ízeného osmy bitovým ítacím registrem.

Obrázek 6. Blokové schéma íta e asova e

(22)

Strana: 22 z 49 3.2.4 Sériová komunika ní rozhraní - eCAN, I2C, UART, SPI

Jelikož se náš program touto problematikou nezabývá, tak se o n m zmíníme jen okrajov a nebudeme mu v novat moc pozornost. Stru né schéma jeho vnit ního zapojení je zobrazeno na obrázku 6.

Obrázek 7. Blokové schéma komunika ního rozhraní eCAN

Na ipu jsou integrována 4 r zná sériová komunika ní rozhraní:

4x SPI rozhraní - synchronní sériové rozhraní/port, délka slova 1 až 16 bit , režim Master/Slave

2x tradi ní SCI/UART rozhraní (1 start bit, až 8 datových bit ,

sudá/lichá/žádná parita, 1 nebo 2 stop bity) - max. p enosová rychlost až 6.25 Mb/s

(23)

Strana: 23 z 49 I2C rozhraní - formát slova 1 až 8mi bitový, 7 nebo 10bitový adresovací

mód, p enosová rychlost 10 kb/s až 400 kb/s, 16bitové FIFO vysílací a p ijímací registry

2x CAN rozhraní - kompatibilní s CAN2.0B, 3.3 V CAN Tranceiver, p enosová rychlost až 1Mb/s (p i taktování frekvencí 100 MHz je minimální p enosovou rychlost 15.6 kb/s), ízení zpráv - 32 schránek (mailboxes) = 512 B, datový formát 0 až 8 bit

(24)

Strana: 24 z 49

3.3 Architektura a pouzdro TSM320F2808

Jak už je napsáno v úvodu, F2808 je inspirovaná Harvardskou architekturou. Tato koncepce se vyzna uje odd leným mapováním pam ti programu a pam ti dat. Což je vhodné pro velké množství výpo etních operací, ale je náro ná na režii.

Strukturu obvodu ady F28xx lze rozd lit do t chto blok : CPU s ALU, hardwarovou násobi kou, registry

FLASH, ROM, OTP, SRAM pam (SARAM) - mapování dle pot eby Generátoru hodin - OSC a PLL

ízení p erušení (PIE, External Interrupt control) Periferie:

o víceú elové vstupy/výstupy GPIO: komunika ní rozhraní eCAN, I2C, SPI, SCI, PWM, digitální vstupy/výstupy

o komunika ní rozhraní JTAG o ADC p evodník

íta e/ asova e (timer), CAP, Watchdog, kvadraturní modulace (eQEP) Vlastní schéma architektury celého procesoru je zobrazeno na obrázku 7. Dále je ješt pro názornost zobrazeno na obrázku íslo 8 popis jednotlivých pin pouzdra používaného naším DSP.

(25)

Strana: 25 z 49 Obrázek 8. Blokové schéma ady F28xx

(26)

Strana: 26 z 49

3.4 Pouzdro TMS320F2808

Mikro ip našeho DSP je ve sto noži kovém pouzd e, které je zobrazeno níže na obrázku 8, kde je popsán význam jednotlivých noži ek. N které mají i více funkcí, jako nap íklad sb rnice GPIO, kterou lze nastavit nap íklad jako digitální vstup/výstup, PWM výstup a CAP atd.

Celé za ízení pracuje na napájecím nap tí 3,3 volt a nap tí v jád e je 1,8 volt a m nitelnou frekvencí až do 100MHz.

Obrázek 9. Popis pouzdra procesoru TSM320F2808

(27)

Strana: 27 z 49

4. Vývojová deska eZdsp™ F2808

Deska je ur en pro práci s TMS320F2808. Podporuje veškeré jeho periferie.

Napájená je 5 voltovým zdrojem. S po íta em je propojena pomocí USB rozhraní.

Samotná deska dokonce umož uje nastavení velikosti výstupního logického nap tí pomocí jumperu na spodní stran desky. A je to mezi p ednastaveným logickým nap tím 0…3,3 voltu a 0…5 voltu tedy TTL logikou.

Její vlastnosti:

Hardwarové

Socket pro náš DSP který pracuje na 100MHz

18 K pam na ipu p i nulovém ekacím asu SARAM 64 K pam na ipu FLASH ROM

256 K bitová sériová pam I2C EEPROM 20 MHz hodiny pro vstup do TMS320F2808

2x SCI porty integrované na základní desce. UART kanály 2x eCAN kanály

možnosti rozší ení konektory: vstup/výstup, analog

Na základní desce je integrovaný IEEE 1149.1 JTAG kontrolér s USB hostitelským spojením

Podpora pro externí emulátor p es standard JTAG

Na základní desce je i konektor pro IEEE 1149.1 JTAG emulaci Slu itelný s kartou eZdsp Wire Wrap Prototype

Softwarové

Slu itelný s adou C2000 Code Composerem od Texas Instruments (zahrnuje ' C ' kompilátor, asembler, linker, debugger)

Slu itelný s SDFlash programovací utilitou od Spectrum Digital

(28)

Strana: 28 z 49 Obrázek 10. Popis vývojového kitu eZdsp™ F2808

(29)

Strana: 29 z 49

5. Code Composer Studio

CCS je prost edí ur ené pro vývoj v jazyce C nebo C++, nebo jen pomocí instruk ní sady a jazyka Asembler. Tento vývojový software se vytvá í formou projektu.

Tyto projekty lze také mezi sebou kombinovat. Prost edí má navíc integrovaný debugger.

Debugger dokáže data zobrazit graficky, což usnad uje lad ní algoritm . V našem p ípad se budeme celou dobu bavit o verzi 3.1 CCS.

CCS dokonce podporuje propojení s libovolným programem p es COM knihovny nap íklad s MatLabem. Nicmén tato funkce se v této práci používat nebude.

CCS obsahuje celou adu komponent pro usnadn ní práce:

Knihovny pro jednotlivé DSP

Knihovny pro jednotlivé ipy, které jsou integrovány do pouzdra Knihovny pro standardní externí hardware

Knihovny DSP/BIOS a k nim konfigura ní nástroje Výstup log do okna debuggeru

M ení zatížení PCU

Zobrazování provád cího grafu je za pomocí debuggeru

My se, ale o všech t chto podrobnostech bavit nebudeme. Zmíníme se jen o t ch, které budeme pot ebovat pro náš úkol vytvo ení ídícího programu PID regulátoru.

(30)

Strana: 30 z 49

5.1 Popis okna vývojového prost edí CCS

Pro dobré zvládnutí programování je pot eba se nejprve seznámit s úvodním oknem vývojového prost edí CCS, které je popsané na obrázku 10.

Obrázek 11. Popis vývojového prost edí CCS

A te si o každém z t chto blok n co ekneme.

Menu DSP/BIOS: Tyto ikony nám slouží na obsluhu DSP/BIOS systému.

Ten slouží nap íklad pro ízení v aplikací v reálném ase, ale obsahuje i jiné dalších funkce.

Krokování programu: Krokování v CCS je možno provést bu to na úrovni jazyka C nebo Asembleru.

(31)

Strana: 31 z 49 ízení b hu programu: Tím si zvolíme, v jakém režimu chceme, aby byl program spušt n nebo zda ho chceme zastavit.

Ladící ikony: Otvírají r zné prost edky pro odlad ní programu, nap . okno s obsahem registr

Textový výstup externích program : Používá se bu to pro výpis z COM knihoven, nebo se v n m také vypisují chyby p i emulaci programu.

Správa projektu: Slouží pro práci s projekty.

Vlastní okno editoru: V n m se píše vlastní kód programu.

Probe pointy: Slouží k p epínání mezi Standardní strukturou a Ladící strukturou projektu.

Breakpointy: Pomáhají p i lad ní projektu. Umož ují nám m it hodnoty pomocí Debuggeru, které se za b hu generují v tomto bod .

Obsahy prom nných: Slouží k práci s projektem p i kompilaci.

(32)

Strana: 32 z 49

5.2 Spušt ní a p ipojení programu pomocí souboru GEL

Jelikož tento program vychází z p eprogramovaných examples, které jsou na instala ním CD CCS nebo voln ke stažení na stránkách TI, nebudeme se zabývat podrobnostmi, které se vyskytují u vytvá ení vlastního projektu. A rovnou p istoupíme k vkládání p edp ipravených projekt , které jsou vepsány v souborech s p íponou gel.

GEL soubor je vlastn jakási knihovna, která nám vytvo í celý projekt se základní p eddefinovanou strukturou. Ta se vloží do CCS pomocí nabídky File Load GEL….

Pokud máme takto vytvo ený projekt, je nutno jej zkompilovat, pomocí GEL jméno našeho projektu Load_and_Build_Project, a nahrát jej do DSP GEL jméno našeho projektu Load_Code, ale nežli m žeme nahrát program je nutno nejprve náš procesor p ipojit k po íta i a to p es nabídky Debug Connect.

Jelikož ve valné v tšin p ípad pot ebujeme vždy v projektu n co m nit je pot eba si ješt otev ít Okno Editoru a to pomocí Správce Projektu.

V n m se pracuje podle podobn jako v b žném jazyce C, jen s tím rozdílem že navíc obsahuje práci s registry a prom nnými, které jsou ur ené jen pro náš DSP.

(33)

Strana: 33 z 49

5.3 Vlastní ídící program

Program je postaven z voln stažitelných examples na stránkách Texas Instrument Všechny jsou p iloženy v p íloze. Náš konkrétn z cpu_timer, do kterého se p ipsalo ovládání logických stup a výstup , analogového vstupu a PWM výstupu.

Tyto dva ádky slouží k tomu, aby náš program dokázal pracovat s prom nnými, které jsou charakteristické pro náš DSP a pro všechny examples.

DSP280x Hlavi kový Include soubor

#include "DSP280x_Device.h"

DSP280x Examples Include soubor

#include "DSP280x_Examples.h"

Nyní si musíme definovat a nastavit AD p evodník, PWM výstup

Nastavuje vzorkovací frekvenci pro ADC p evodníky podle tohoto vzorce:

HSPCLK = SYSCLKOUT/2*ADC_MODCLK2 = 100/(2*4)= 12,5MHz

#define ADC_MODCLK 0x4

ADC modul hodin: HSPCLK/2*ADC_CKPS=12,5MHz/(1*2)=6.25MHz

#define ADC_CKPS 0x1

Ší ka pásma ADC hodin je nastavena 16

#define ADC_SHCLK 0xf

Pr m rné posunutí za átku tení ADC

#define ZOFFSET 0x00

(34)

Strana: 34 z 49 Ší ka periody PWM signálu

#define EPWM1_TIMER_TBPRD 2000

Hodnota maximální st ídy

#define EPWM1_MAX_CMPA 2000

Hodnota minimální st ídy

#define EPWM1_MIN_CMPA 0

Nastavení typové struktury PWM

typedef struct

{

volatile struct EPWM_REGS *EPwmRegHandle;

Uint16 EPwm_CMPA_Direction;

Uint16 EPwmTimerIntCount;

Uint16 EPwmMaxCMPA;

Uint16 EPwmMinCMPA;

}

EPWM_INFO;

Globální prom nné vytvo ené

Uint16 i=0 , PHodADC;

EPWM_INFO epwm1_info;

double u ;

long Tlac0 = 0, W = 0, TestStisk0 = 0, TestStisk1 = 0;

double E[3], Y_AD, zpresneni[100];

(35)

Strana: 35 z 49 Konstanty PID regulátoru

double P = 0;

double I = 0.5;

double D = 0;

double Ts = 1;

int j;

Definice funkcí

P erušení vytvá ené CPU asova em

interrupt void cpu_timer0_isr(void);

Volání funkce nadefinování PWM výstupu

void InitEPwm1Example(void);

Obnovování PWM signálu podle aktuální pot eby

void update_compare(EPWM_INFO*);

Funkce PID regulátoru

void PID_Regulator(void);

Hlavní program

Funkce main je normální funkce. Je výjime ná pouze tím, že se volá jako první po spušt ní programu.

void main(void)

{

InitSysCtrl();

(36)

Strana: 36 z 49 P íkaz EALLOW nám umož uje zápis do chrán ných registr ^.

EALLOW;

Specifikace nastavení hodin tohoto programu

SysCtrlRegs.HISPCP.all = ADC_MODCLK;

Nastaveni GPIO pinu 0, 1 na PWM výstup. PWM výstup pot ebujeme pouze jeden, a sice na ak ní veli inu

Registru GPAMUX slouží k definování GPIO (U tohoto portu má každý pin jiné možnosti nastavení kapitola 2.2), zde na PWM výstup.

GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO0 = 1;

Registr GPAPUD slouží k p ivedení signálu na danou noži ku

GpioCtrlRegs.GPAPUD.bit.GPIO0 = 0;

Nastavení GPIO pin 7 a 8 na digitální vstup

Dva výše uvedené p íkazy již známe. GPADIR rozhoduje, zda to bude digitální vstup nebo výstup v našem p ípad je nastavujeme na digitální vstup.

GpioCtrlRegs.GPADIR.bit.GPIO7 = 0;

(37)

Strana: 37 z 49 Nastavení GPIO pin 14 až 18 na digitální výstup

GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO14 = 1;

GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO14= 0;

GpioCtrlRegs.GPAMUX1.bit.GPIO15= 0;

(38)

Strana: 38 z 49 P íkaz EDIS nám uzavírá možnost zapisovat do chrán ných registr .

EDIS;

Další nezbytná nastavení

P íkaz DINT nám vy adí maskovaná p erušení

DINT;

Tato funkce inicializuje Pie íta e instrukcí jejich standardní stav je: celý Pie p erušení vy azený a bity p íznakového registru jsou vynulovány.

InitPieCtrl();

Nulování bit p íznakového registru

IER = 0x0000;

IFR = 0x0000;

Inicializuje tabulky vektoru PIE s ukazovateli na p erušení. Starají se o údržbu rutiny (ISR). Ta zaplní celou tabulku, i když není p erušení použito.

Což je užite né pro odlad ní. ISR rutiny jsou k nalezení v DSP280x_DefaultIsr.c.

InitPieVectTable();

Funkce inicializace AD p evodníku

InitAdc();

Specifikuje AD p evodník pro náš program

AdcRegs.ADCTRL1.bit.ACQ_PS = ADC_SHCLK;

AdcRegs.ADCTRL3.bit.ADCCLKPS = ADC_CKPS;

AdcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC = 1;

AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00 = 0x0;

(39)

Strana: 39 z 49

AdcRegs.ADCTRL1.bit.CONT_RUN = 0;

Zápis do chrán ných registr

EALLOW;

PieVectTable.TINT0 = &cpu_timer0_isr;

SysCtrlRegs.PCLKCR0.bit.TBCLKSYNC = 0;

EDIS;

Volání funkce nastavování PWM

InitEPwm1Example();

EALLOW;

SysCtrlRegs.PCLKCR0.bit.TBCLKSYNC = 1;

EDIS;

Volání funkce pro nastavování CPU asova e

InitCpuTimers();

Nastavení periody p erušení. Kde jeho nejv tší velikost odpovídá jedné sekund ((&CpuTimer0, 100, 1000000) v mikrosekundách).

ConfigCpuTimer(&CpuTimer0, 2, 10000);

StartCpuTimer0();

Povolí CPU INT3, které je p ipojené k EPWM1-3 INT

IER |= M_INT3;

Povolí CPU INT3, které je p ipojené k CPU-Timer0

(40)

Strana: 40 z 49

IER |= M_INT1

umožn te EPWM INTN v PIE: Souboru 3 p erušit 1

PieCtrlRegs.PIEIER3.bit.INTx1 = 1;

umožn te TINT0 v PIE: Souboru 1 p erušení 7

PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx7 = 1;

Povolení globálního p erušení INTM

^EINT;

Povolení globálního p erušení v reálném ase DBGM

ERTM;

Nekone ná smy ka, ze které nám program odskakuje p i p erušení

for(;;)

{ asm(" NOP");}

Konec hlavního programu

}

Funkce p erušení od cpu_timer0

interrupt void cpu_timer0_isr(void)

{

Start sekvencru SEQ1.

AdcRegs.ADCTRL2.all = 0x2000;

(41)

Strana: 41 z 49 tení ADC hodnot. Po áte ní podmínka nám eká na p erušení, po spln ní podmínky se povolí tení, a uloží hodnotu do prom nné Y_AD.

while (AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1== 0) {}

AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1;

Y_AD =((AdcRegs.ADCRESULT0)>>4);

Tato ást kódu je dopln na z d vod velkých rušení, které se projevovaly, jako velký rozkmit výstupního PWM signálu. Tato ást nám vypo ítává aritmetický pr m r ze sta ode tených hodnot a tím i dosti zp esní naší nam enou hodnotu.

for (j = 0; j < 99; j++)

{zpresneni[99-j] = zpresneni[98-j];}

zpresneni[0] = Y_AD;

Y_AD = 0;

for (j= 0 ; j < 99; j++)

{Y_AD = Y_AD + zpresneni[j];}

Y_AD /=100;

PID_Regulator();

update_compare(&epwm1_info);

CpuTimer0.InterruptCount++;

PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1;

Nastavení žádané hodnoty pomoci tla ítek. P i držení jednoho nebo druhého tla ítka se m ní žádaná hodnota, aby se nám tato hodnota nem nila p íliš rychle, je do kódu za len no zpožd ní, které nám p i držení tla ítka zm ní

(42)

Strana: 42 z 49 žádanou hodnotu po každém t icátém p erušení.

if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO7==1 && GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO8==1) { TestStisk1 = 0; }

else

{

if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO7==0 && GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO8==1 &&

W<1999 && TestStisk1==0)

{

W++;

TestStisk1++;

}

else

if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO7 == 0 &&

GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO8 == 1 && W < 1999)

{ TestStisk1++;

if(TestStisk1 == 30){TestStisk1 = 0; }

}

if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO7 == 1 && GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO8 == 0

&& W > 0 && TestStisk1 == 0) {

W--;

TestStisk1++;

} else

if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO7==1 &&

GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIO8==0 && W>0) {

TestStisk1++;

(43)

Strana: 43 z 49

if(TestStisk1 == 30){TestStisk1 = 0;}

} }

rozsv cení diod podle hodnoty žádané veli iny (W). Dioda svítí vždy pouze jedna a to podle toho ve kterém intervalu se zrovna nachází žádaná hodnota.

if(W > 200 && W < 600){GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO18 = 1;}

else {GpioDataRegs.GPACLEAR.bit.GPIO18 = 1;}

if(W > 1800 && W <= 2000){GpioDataRegs.GPASET.bit.GPIO14 = 1;}

}

Funkce pro nastavení PWM výstupu

void InitEPwm1Example()

Nastavení doby asova e

EPwm1Regs.TBPRD = EPWM1_TIMER_TBPRD;

(44)

Strana: 44 z 49

Vynulování aktuálního stavu

EPwm1Regs.TBPHS.half.TBPHS = 0x0000;

Nulování po itadla

EPwm1Regs.TBCTR = 0x0000;

Nastavení porovnávací hodnoty

EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA = EPWM1_MIN_CMPA;

Nastavení po ítacího módu Po ítání nahoru

EPwm1Regs.TBCTL.bit.CTRMODE = TB_COUNT_UPDOWN;

Vy adí fázi pln ní

EPwm1Regs.TBCTL.bit.PHSEN = TB_DISABLE;

Pom r hodinového impulsu k SYSCLKOUT

EPwm1Regs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV = TB_DIV1;

EPwm1Regs.TBCTL.bit.CLKDIV = TB_DIV1;

Nastavení stohovacího obrazu

EPwm1Regs.CMPCTL.bit.SHDWAMODE = CC_SHADOW;

EPwm1Regs.CMPCTL.bit.SHDWBMODE = CC_SHADOW

Vynuluje LOADMODE

EPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADAMODE = CC_CTR_ZERO;

EPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADBMODE = CC_CTR_ZERO;

(45)

Strana: 45 z 49

Nastavení innosti

Nastaví PWM1A p i události A na p ír stkové ítání

EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAU = AQ_SET;

istí PWM1A p i události A sm rem dol

EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAD = AQ_CLEAR;

P erušení tam kde budeme m nit porovnávané hodnoty

Zakázání p erušení

EPwm1Regs.ETSEL.bit.INTEN = 0;

Za ínat zvýšením CMPA

epwm1_info.EPwm_CMPA_Direction = EPWM_CMP_UP;

Nastaví ukazatel k PWM jednotce

epwm1_info.EPwmRegHandle = &EPwm1Regs;

Nastavení minimální a maximální hodnoty CMPA/CMPB

epwm1_info.EPwmMaxCMPA = EPWM1_MAX_CMPA;

epwm1_info.EPwmMinCMPA = EPWM1_MIN_CMPA;

}

Funkce PID regulátoru. Nejprve posouváme vektor regula ní odchylky a až teprve potom ji vypo ítáme. Poté z této odchylky m žeme pomocí vzorc

Ts e e D e

Ts e I e e P

u_j _j _j ₁ _j ^j 2* ^j ¹ ^j ²

*

* ) (

* a u u_j u_j ₁

dopo ítat ak ní veli inu.

void PID_Regulator()

(46)

Strana: 46 z 49

{

E[2] = E[1];

E[1] = E[0];

E[0] = Y_AD - W;

if((u <= 2000) && (u >= 0)) {

u = u + (P*(E[0]-E[1])+I*E[0]*Ts+D*((E[0]-2*E[1]+E[2])/Ts));

if(u > 2000 ){

u = 2000;

}

if(u < 0 ){

u = 0;

}

T lo funkce update_compare aktualizuje výstupní hodnotu PWM. V našem p ípad je to hodnota ídící veli iny

void update_compare(EPWM_INFO *epwm_info)

{

epwm_info->EPwmRegHandle->CMPA.half.CMPA = u;

}

(47)

Strana: 47 z 49

5.4 Odlad ní PID regulátoru pomocí pracovní desky Starter Kit

I když je program už napsán, tak ješt není práce zcela hotova, ješt je zapot ebí jej odladit. A k tomu nám pom že pracovní deska Starter Kit. Ta je složena z AD a DA p evodník a umož uje nám íst a generovat pot ebný signál.

Aby bylo možno tyto signály zpracovávat a zobrazovat je, tak pot ebujeme využít n jakého softwarového prost edku. K tomu nám poslouží funkce MatLab simulinku, který nám umož uje komunikovat s deskou Starter Kit a skrze ni íst a generovat p esn definovaný signál. Tato komunikace je zobrazena na obrázku 11.

Obrázek 12. Schéma komunikace mezi DSP a Matlab simulinkem

Takto vytvo ený signál vstupuje do DSP, tam je vyhodnocen naším programem a PID regulátor vrací zp t signál ve form PWM, aby se daly údaje vyhodnocovat je zapot ebí dát na vstup Starter Kitu RC lánek. Ten nám z ásti odfiltruje pulzní pr b h PWM signálu a vytvo í nám kvazi spojitý pr b h.

(48)

Strana: 48 z 49

6. Záv r

Práce na této bakalá ské práci zprvu spo ívala v nastudování velkého množství zejména anglicky psaných materiál . Jednalo se o r zné datasheety od vnit ních obvodu DSP, vývojového kitu a o manuály od vývojového prost edí CCS. Dále jsem se také musel seznámit s programovacím jazykem C a s instruk ní sadou procesoru TMS320F2808.

N které informace se mi získávaly dosti t žko, jelikož nebylo p íliš možností se s n kým poradit o funkci a o tom, jak programovat náš signálový procesor, což je d sledek toho, že to byl první výrobek tohoto typu na univerzit , a tudíž s ním zde ješt nikdo nepracoval a nem l o n m hlubší znalosti.

M j program vychází z program examples vytvo ené firmou TI, které jsou p edp ipraveny v takzvaných GEL souborech. Proto není p íliš dokonalý, ale je pln funk ní. Te už vím, že bych jeho strukturu koncipoval jinak, protože jsem získal v pr b hu práce dobrou p edstavu o jeho programování.

PID regulátor v len ný do našeho DSP má široké možnosti uplatn ní, jelikož mohou zastoupit klasické pr myslové po íta e v oblastech, do kterých nemohou být z r zných d vod využity a to nap .: kv li velikosti, vysoké cen , velké spot eb energie, nebo kv li nemožnosti za len ní do mobilních p ístroj . A p i tom je kladen d raz na velký výpo etní výkon, p esnost a bezporuchovost. Všechny tyto požadavky signálové procesory spl ují.

Konkrétn m že být použit pro regulaci r zných soustav, jako je nap íklad regulace klimatizace v automobilech, nebo t eba ízení r zných inteligentních domácích spot ebi ích (trouba, pra ka, aj.).

V dnešní dob mají tato za ízení nezastupitelnou pozici na trhu, v d sledku jejich sofistikovaného p ístupu k ešení problému. Také kv li jejich relativn nízké cen , velkému výpo etnímu výkonu a zejména malým rozm r m. Tyto vlastnosti z nich iní za ízení ideální nap íklad pro automobilový a telekomunika ní pr mysl, kde je kladen d raz na všechny tyto požadavky.

(49)

Strana: 49 z 49

Seznam použité literatury

[1] Herout, P.: U ebnice Jazyka C – 1. díl 4.vyd. eské Bud jovice: Koop, 2005 ISBN 80-85828-21-9.

[2] Zden k Smékal, Pavel Sysel: Signálové procesory. 1.vyd. Praha: Sd lovací technika, 2006. ISBN 80-86645-08-8. str.:211-217 a 195-200

[3] Martin Simandl, Michal Simandl (studenti), Doc. Ing. Vratislav Davídek, CSc, P ehled digitálních signálových procesor Texas Instrument, [on line]

http://amber.feld.cvut.cz/icz/tns320C54X/index.htm

[4] A. Vojá ek, Nový DSP TMS320F28xx pro digitální zprac. Signál , 30. 09. 2006 [on line] http://automatizace.hw.cz/view.php?cisloclanku=2006093001

[5] Družbík Tomáš, Vl ek Karel, Neumann Petr, Digitální signálové procesory v pr myslu asopis Automatizace, ro ník 47, íslo 10, roku 2004, [on line]

http://www.automatizace.cz/article.php?a=336

[6] TMS321x281x DSP System Control and Interrupts Reference Guide, Texas Instrumnte 2004, íslo literatury: SPRU078B, str. 1-154 [on line]

file://localhost/c:/CCStudio_v3.1/docs/pdf/manuals_CCS_FULL_C2000.html

[7] TMS320x280x DSP Analog-to-Digital Converter (ADC) Reference Guide, Texas Instrumnte 2004, íslo literatury: SPRU716, str. 1-62 [on line]

[8] TMS320x28xx, 28xxx Enhanced Pulse Width Modulator (ePWM) Module Reference Guide, Texas Instrument 2006, íslo literatury: SPRU791b, str. 1-117 [on line]

[9] M. Tomášek, Bakalá ská práce XML rozhraní pro programování DSP, VUT Praha 2005