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1、攀枝花学院本科毕业设计（论文）基于DSP的PWM波形发生器设计学生姓名： 学生学号： 200320520075 院（系） 电气信息工程学院 年级专业： 03级电子信息工程指导教师： 二七年六月摘 要PWM波形发生器在20世纪70年代有了飞速的发展,20世纪80年代,PWM波形发生器已应用到各个工程技术领域，例如在工业控制中可以用它来控制各种电机、电力电子设备、逆变器等,它不管在军用还是在民用系统中都发挥了积极的作用。本文首先对PWM波形发生器的基本原理和目前国内外的发展状况做了简单介绍，然后介绍了基于DSP的应用系统的开发流程，并对DSP的相关知识做了全面介绍，最后针对目前波形发生器的发展状况
2、和实际生活中的应用，提出了基于DSP的PWM波形发生器的设计方法。论文完成了基本的硬件电路设计和软件算法设计。硬件设计方面，基于DSP芯片的相关特点，采用了DSP的LF2407芯片来完成本课题的硬件电路设计。软件算法方面，根据要求采用了汇编语言进行程序设计，并给出了相关的源程序以及调试过程，最后对本设计的可行性和性能误差进行了分析。关键词 波形发生器，LF2407芯片，PWM，DSPABSTRACTThe pulse-width modulation (PWM) profile generator had the rapid development in the 20th century, i
3、n 1980s, The PWM profile generator has applied each project area of technology, For example, it can be used to control each kind of electrical machinery in the industry, the electric power, electronic installation, the inversion and so on, no matter in military or in the civil system, it has all pla
4、yed the positive role.This article first has made the simple introduction to the PWM profile generator basic principle and the present domestic and foreign development condition, then introduced based on the digital signal processing (DSP) application system development flow, and has made the compre
5、hensive introduction to the DSP related knowledge, finally aimed at present in the development condition and the practical life application proposed based on the DSP PWM profile generator design method.This paper has completed the basic hardware circuit design and the software arithmetic design. The
6、 hardware design aspect, according to the DSP chip related characteristic, this paper adopted the LF2407 of DSP chip to achieve the hardware circuit design. The software algorithm aspect, according to request, it adopted the assembly language to carry on the programming, and has produced the related
7、 source program as well as the debugging process, finally has carried on the analysis to this design feasibility and the performance error.Key words profile generator, LF2407 chip, pulse-width modulation (PWM) digital signal processing(DSP)目 录摘 要.ABSTRACT1 绪论11.1 引言11.2 课题背景11.2.1 PWM波形发生器简介11.2.2 P
8、WM波形发生器的研究发展状况21.2.3 课题的研究目的和意义31.2.4 本文的主要研究内容32 DSP开发流程42.1 DSP简介42.2 DSP开发方案的设计与选择52.2.1 DSP系统的功能需求分析52.2.2 DSP算法的验证与模拟62.2.3 DSP开发工具的选择62.2.4 DSP系统调试72.3 DSP系统设计开发流程72.4 DSP处理器软、硬件开发工具简介93 PWM波形发生器的设计方法123.1 常见的设计方法简介123.1.1 等脉宽PWM法123.1.2 随机PWM123.1.3 非线性控制PWM133.1.4 等面积法133.1.5 硬件调制法133.1.6 空间
9、电压矢量控制PWM133.1.7 矢量控制PWM143.1.8 单元脉宽调制法143.2 本文所采用的设计方法154 PWM波形发生器的硬件设计174.1 PWM波形发生器硬件结构174.1.1 PWM波形产生原理174.1.2 TMS320LF2407的介绍174.1.3 系统硬件组成184.2 PWM波形产生器的DSP电路设计205 PWM波形发生器的软件设计225.1 主程序流程图225.2 PWM波形产生器的DSP程序设计225.2.1 采用通用定时器GPT1产生PWM波形235.2.2 程序说明及仿真结果305.2.3 总结33结论34参考文献35附录A：系统总电路图.36附录B：D
10、SP系统设计的实现过程.37致 谢.381 绪论1.1 引言DSP（即数字信号处理器）自20世纪90年代后半期开始,逐渐成为人们关注的焦点。DSP是将模拟信号变换为数字信号,并进行高速处理的专用处理器,从算法上说,它具有乘法和加法两种特殊运算功能。它主要针对代表连续信号的数字进行数学运算,以得到相应的处理结果。这种数学运算是以快速傅里叶变换(FFT)为基础,对数字信号进行实时处理。目前常见的DSP芯片有TI的TMS320系列,ADI公司的ADSP2100系列,Lucent的16000系列,Motorola公司的DSP 56602和56603系列等。用DSP芯片实现数字信号处理具有很强的通用性和
11、灵活性,因为DSP芯片体积小,运算速度极快,精度高,接口方便,特别适合处理复杂的数字信号处理算法。DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品,并成为电子产品更新换代的决定因素,它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。本文所阐述的是PWM波形发生器所产生的PWM波形在工业控制中的应用。1.2 课题背景随着电子产业的飞速发展，DSP（数字信号处理器）将越来越广泛的运用在我们的日常生活中，尤其是在通信领域，DSP更是一种不可缺少的工具。而DSP在工业中也得到了广泛的应用，其中基于DSP的PWM波形发生器在工业控制中尤为常见，可以用它来控制各种电机、电力电子设备、逆变器等。1.2.1 PWM波形发生器
12、简介PWM（Pulse-Width Modulation）脉宽调制,是一种开关式稳压电源应用，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。随着电子技术的发展,出现了多种PWM技术,其中包括:相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，PWM码是一种脉宽调制码,它的组成为9MS高电平和4MS低电平引导脉冲，16位系统识别码，8位数据正码和8位数据反码。一个PWM码的0是由一个0.58ms的低电平和一个0.58ms的高电平组成，1是由一个0.58ms的低电平和一个1.58ms的高电平组成。解码原理是这样的：首先通过延时来丢开引导码，然后通过解码
13、丢掉16位系统识别码，最后解系统正码和反码。解开后将正码取反看是否与反码相同，如果相同，即解开保存其值。解码0或1是这样的：在低电平的时候等待，直到为高了后，用一个0.882ms的延时去量，量完后，如果为低了,证明前面是一个0.58ms低电平和一个0.58ms高电平地组成，即保存一个0，如果为高，则证明是由一个0.58ms低电平和一个1.58ms高电平组成,即保存一个1,为1则再调一个延时，让它延到低电平。等待到高电平后重复上述过程解码。遥控器解码程序介绍：通过上述的解码原理，利用单片机的中断口来测PWM码的宽度，通过本实验配备的遥控，单片机解码将在数码管上显示。实际应用例如红外遥控。图1-1
14、是PWM波形发生器的原理结构框图,主要包括数据存储与扩展、定时器中断和与控制器通信三个部分。脉冲信号在定时器中断中从数据总线经由锁存和驱动输出至脉冲分配部分。DSP初始化扩展数据，生成地址表接收第一个m和f，计算地址表和指针定时器中断使能，全局中断使能，计算第一个时钟数并加载，输出第一个脉冲状态，启动计数器计数接收下一个m和f数据，更新地址表指针输出当前脉冲并指向下一个，计算定时器的下一个时钟并加载，启动计数器输出图1-1 PWM波形发生器原理框图1.2.2 PWM波形发生器的研究发展状况PWM波形发生器所产生的PWM波形在工业控制中有着广泛的应用，可以用它来控制各种电机、电力电子设备、逆变器
15、等，用途非常广泛，可以说很多控制最终都是由程序计算出的PWM波形来控制的。同时它也是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。这三种PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。基于DSP的脉宽调制(PWM)波形发生器设计在20世纪70年代有了飞速的发展，20世纪80年代，基于DSP的
16、PWM波形发生器已应用到各个工程技术领域，不管在军用还是在民用系统中都发挥了积极的作用。当前全世界使用最多的DSP是TI公司的TMS320系列DSP器件，由于近10年电子工业的飞速发展，基于DSP的PWM波形发生器的设计技术已经成为工程实用技术，目前，国外众多厂商涉足我国DSP产品市场，TI、MOTOROLA、LUCENT、ZSP、NEC等跨国公司都不同程度地和国内有关企业及政府机构建立了联系，市场竞争日趋激烈。在国内，基于DSP的PWM波形发生器的应用已有了相当好的基础，并有10多家集成电路设计企业从事基于DSP的PWM波形发生器的设计及相关产品的开发和应用，但在DSP芯片的研发上除了某些大
17、学、科研院所做过预研性的课题外，目前DSP芯片市场并没有国内厂商自己生产DSP器件，国内市场完全由国外厂商占领。从应用范围看，基于DSP的PWM波形发生器的市场前景广阔随着DSP芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化方向发展，脉宽调制(PWM)波形发生器日益用于人们的生活，在未来相当长的一段时间，我国在这方面的研发将蓬勃发展。1.2.3 课题的研究目的和意义各种波形发生器已广泛应用于我们的日常生活中，无论是民用还是军用，它的出现都各给人们带来了方便。其中PWM波形发生器的应用更为广泛，据日本电气协会1992年发表的一项关于PWM波形发生器的调查报告表明，到2001年,P
18、WM波形发生器的需求平均年增长率为12.7%，其中通信领域的需求增长率超过15%，全球PWM波形发生器市场规模从92年的82亿增加到99年的166亿美元，平均年增长率为10%，到03年全球开关电源规模超过288亿美元。因此，普及PWM波形发生器的应用，己经成为电力电子技术中的一个重大课题。同时，为了保证通信领域和工业控制领域的安全经济运行，目前许多工业国家和组织都开始了对PWM波形发生器的深入研究，我国从20世纪以来就开始了对PWM波形发生器的研究，目前，我国在这方面的发展已经取到了许多重大突破。总之，对PWM波形发生器的工程应用研究还有待继续深入。1.2.4 本文的主要研究内容本文在进行大量
19、有关PWM波形发生器的文献研究和资料分析的基础上，主要完成以下工作：（1）首先阅读了大量关于PWM波形发生器的文章，对该系统及其控制系统有了一定的了解。通过对各种PWM波形发生器的工作原理进行比较详细的分析，建立了PWM波形发生器的数学模型，为后面的分析提供了理论基础。（2）并对DSP的相关概念和DSP芯片的发展与应用做了简单的介绍。（3）采用DSP的LF2407芯片的通用定时器，设计了系统的硬件电路。（4）基于软件实现方案，利用汇编和C语言的混合编程，编写了其实现程序，完成了对PWM波形发生器的数字控制。2 DSP开发流程2.1 DSP简介DSP（digital signal process
20、or）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器件，其主机应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有以下主要特点：（1）在一个指令周期内
21、可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；（7）可以并行执行多个操作；（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。DSP市场拓展纵横谈：在经历整整二十年的市场拓展之后，DSP所树立的高速处理器地位不仅不可动摇，而且业已成为数字信息时代的核心引擎。与此同时，DSP的市场正在蓬勃发展。根据Forward Concepts分析家的预测，今年全球DSP销量将
22、达到$82亿美元，比去年增加约三分之一。而对于2004年和2005年的预测值，则分别是$108亿元和$140亿元，并预言未来几年DSP都将以每年超过30%的速度成长。根据CCID权威的分析，中国DSP市场今年可达到120亿元人民币，比去年增长约40%，未来的增长将可能超过全球的平均速度。对于DSP市场的高速增长，许多人充满着浓厚的兴趣。本文将结合DSP纵向的发展历程和横向的拓展方向进行探讨，以便探讨DSP市场拓展的特点。DSP商品化历程：八十年代前后，陆续有公司设计出适合于DSP处理技术的处理器，于是DSP开始成为一种高性能处理器的名称。TI在1982年发表一款DSP处理器名为TMS32010
23、，其出色的性能和特性倍受业界的关注，当然新兴的DSP业务的确承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。进入九十年代，有多家公司跻身于DSP领域与TI进行市场竞争。TI首家提供可定制DSP，称作CDSP。CDSP基于内核DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度，大加速了产品的上市时间。同时TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域，适时地提供各种面向未来发展的解决方案。到九十年代中期，这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。德州仪器通过不断革新，推陈出新，DSP业务也一跃成为TI的最
24、大的业务，并始终处于全球DSP市场的领导地位。虽然这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围，但DSP所带动的市场规模巨大。2.2 DSP开发方案的设计与选择十多年前，DSP以其高速、低功耗和高集成度在军事、航天等领域大显身手，随着半导体工艺的进步和工业民用领域的大量采用，近几年来，DSP价格大幅下调，而性能却不断提高，以不可阻挡的趋势进入通信、工业控制和消费领域，DSP正日渐成为现代信息产业的重要基石。从DSP应用范围看，DSP可分为通用DSP和专用DSP两种。其中专用DSP往往是实现信号处理的某些专项功能，实现方式则往往是通用DSP的掩模版本,生产通用DSP的主要厂家有TI
25、公司，AD公司,Motorola, Lucent，其中TI公司著名的TMS320系列占据了国际市场接近一半的市场份额。当我们确定了采用DSP方案以后，首先要做的就是DSP系统的功能需求分析，根据需求选择合适的DSP芯片和相应的开发、仿真工具。2.2.1 DSP系统的功能需求分析在确定了某个具体应用以后，我们要做的第一件事就是构造出一个DSP系统功能框图（图略）。DSP系统设计中要考虑如下几个重要方面：(1)DSP系统处理的模拟带宽。根据这个带宽，选择合适的A/D采样率，A/D采样频率必须服从采样定理。语音信号一般为几kHz到几十kHz，图像信号则可达几MHz；(2)实时性要求。系统设计中实时性
26、与非实时性对系统要求的差异非常之大；(3)算法的复杂度。为了获得较好的系统处理性能，往往要采用复杂算法，而算法越复杂，对DSP处理器的要求也就越多。有时需要在算法的复杂度和处理速度之间进行折衷；(4)DSP系统处理精度要求。一般而言，在高精度要求中往往采用专业浮点DSP，其它场合采用定点DSP就足够了。在实际应用中采用块浮点方法能有效提高定点DSP的处理精度；(5)成本要求。在军事和航天用途中，为了高性能、高可靠性和留有发展余地，往往尽量采用高性能DSP处理器，甚至不计成本。而在工业和消费领域中，为了保持最终产品在市场上的竞争力，往往要寻找性能、价格比最好的产品；(6)可靠性要求。DSP处理系
27、统所有器件的选择，必须考虑产品的最后应用场合，原则上是星载系统采用宇航级，军事应用采用军品，工业场合选用工业级器件，民用选用商品级即可。最后所选用的器件要考虑是否对应级别；(7)方便开发和使用。为了方便开发仿真，DSP系统设计师最好选用带JTAG硬件仿真接口的DSP芯片，既能方便开发，又便于此后生产中的测试；2.2.2 DSP算法的验证与模拟一个实际的DSP处理系统必然要使用各种算法，要求DSP系统设计者在选择某种算法前就精通各种算法的细节是不现实的。DSP处理系统所选用的算法无非是各种通用算法的组合和改进。革命性的算法不是DSP设计师的任务，DSP系统设计师应尽量选用成熟可靠、经过时间考验的
28、算法，而支持各种通用算法的DSP模拟软件市场上已有不少。我们对其中的一些优秀产品作简单介绍：(1)SPW工作站：cadence公司产品，含有大量的算法库，对通信系统设计尤其适合。(2)Matlab工具包：该软件在国内高校中已经开始流行，该软件矢量矩阵处理功能很强，最新版本中信号处理功能大大加强。(3)Dalisp软件：优秀的信号处理软件包，网上有免费的高校版读者，可自行下载使用。在用如上的工具模拟挑选出了合适的算法组合以后，设计师就可应用高级语言在PC机上进行实际编程验证，设计出DSP的软件处理流程，并给出最终可实现的软件需求分析。2.2.3 DSP开发工具的选择在选定了DSP器件型号后，则应
29、进行DSP开发工具的选择，DSP必备的开发工具有如下几种：（1）ASM/LINK；汇编/链接器；（2）JTAG硬件仿真器，可全透明地访问DSP的所有资源而不占用用户任何资源；（3）Debugger调试器；其他选件还有：C编译器、实时操作系统和算法库。下面以TMs320cZxx/c24x系列为例，介绍国内外DSP开发系统简况。汇编/链接器：该软件由TI公司的产品提供，型号为TMD32485002。JTAG硬件仿真器：TI公司型号为XDS510，TI公司正式认证的国内第三方合作伙伴也能提供JTAG硬件仿真器。但用户选择国内产品时，应注意有的仿真器无法与TI公司的XDS510兼容，而北京闻亭等公司的
30、产品却能与XDS510兼容得非常好。兼容意味着用户的很多投资可得到保护。Debugger调试软件：与XDS510配合使用，通过该软件能访问用户DSP系统的所有资源。最新的调试软件应该基于Win95平台，能够图形化，有效地显示存储器的波形和频谱。另外，将C编译、汇编/链接调试集成在一起的集成调试环境是新一代调试软件的必备功能。2.2.4 DSP系统调试在选择了合适的DSP开发工具后，设计师就会做具体的硬件设计和软件设计。硬件设计应注意如下要点：认真处理好复位和时钟信号。在DSP电路中，对所有的输入信号必须有明确的处理，不能悬浮和置之不理。模拟电路和数字电路独立布线，最后单点连接电源和地。软件设计
31、则应严格按照软件工程的方法进行管理。一个实际的DSP系统的调试总要经过多次反复，需要设计者和调试者有足够的耐心，坚强的意志和九死一生的精神。做一个现代设计师非常辛苦，必须不断的纠正自己所犯下的各种设计错误。只有当系统可靠地运行并得到市场和社会承认后，才能松一口气，美美的睡上一觉，然后又充满信心地开始下一轮的设计。2.3 DSP系统设计开发流程在设计需求规范，确定设计目标时，其实要解决二个方面的问题：即信号处理方面和非信号处理方面的问题。信号处理的问题包括：输入、输出结果特性的分析，DSP算法的确定，以及按要求对确定的性能指标在通用机上用高级语言编程仿真。非信号处理问题包括：应用环境、设备的可靠
32、性指标，设备的可维护性，功耗、体积重量、成本、性能价格比等项目。算法研究与仿真这是DSP实际应用系统设计中重要的一步。系统性能指标能否实现，以及何种算法和结构能够满足需求，这些都是在这一步考虑的。这种仿真是在通用机上用高级语言编程实现的，编程时最好能模仿DSP处理器形式运行，以达到更好的真实性。在DSP芯片选择中通常有以下几条注意事项：（1）精度：表数格式（定点或浮点），通常可以用定点器件解决的问题，尽量用定点器件，因为它经济、速度快、成本低，功耗小。但是在编程时要关注信号的动态范围，在代码中增加限制信号动态范围的定标运算。（2）字长的选择：一般浮点DSP芯片都用32位的数据字，大多数定点DS
33、P芯片是16位数据字。而MOTOROLA公司定点芯片用24位数据字，以便在定点和浮点精度之间取得折中。字长大小是影响成本的重要因素，它影响芯片的大小、引脚数以及存储器的大小，设计时在满足性能指标的条件下，尽可能选用最小的数据字。 （3）存储器安排：包括存储器的大小，片内存储器的数量，总线寻址空间等。片内存储器的大小决定了芯片运行速度和成本，例如TI公司同一系列的DSP芯片，不同种类芯片存储器的配置等硬件资源各不相同。（4）开发工具：在DSP系统设计中，开发工具是必不可少的，一个复杂的DSP系统，必须有功能强大的开发工具支持。开发工具包括软件和硬件两部分。软件开发工具主要包括：C编译器、汇编器、
34、链接器、程序库、软件仿真器等，在确定DSP算法后，编写的程序代码通过软件仿真器进行仿真运行，来确定必要的性能指标。硬件开发工具包括在线硬件仿真器和系统开发板。在线硬件仿真器通常是JTAG周边扫描接口板，可以对设计的硬件进行在线调试；在硬件系统完成之前，不同功能的开发板上实时运行设计的DSP软件，可以提高开发效率。甚至在有的数量小的产品中，直接将开发板当作最终产品。（5）功耗与电源管理：在一些手提便携式的消费类电子产品中，供电电源的节省是很重要的问题，因而目前DSP生产厂商越来越重视这方面。它通常包括供电电压的选择和电源的管理功能。供电电压一般取得比较低，实施芯片的低电压供电，通常有3.3V，2
35、.5V，1.8V，0.9V等，在同样的时钟频率下，它们的功耗将远远低于5V供电电压的芯片。加强了对电源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式节省功率消耗。例如TI公司提供了详细的、功能随指令类型和处理器配置而改变的应用说明。（6）成本和厂家的销售后服务：特别要注意DSP芯片的生产和主推产品，以便以低的成本实施来要求产品。但低价位的芯片必然是功能较少、片内存储器少、性能上差一些的，这就带给编程一定的困难。（7）支持多处理器：近来各类软件在无线电产品及雷达中的应用中，都需要能处理高数据率、大运算量的应用系统。单一的处理器系统已难以承担这类复杂任务，因而采用多个处理器并行工作。这种情况下，各处理器之间
36、连接和通讯功能是必须要作为主要因素予以考虑的。近年新推出的DSP芯片系列都改善了这方面性能，注意增加专门的接口或DMA通道，来支持多处理器的DSP运行。 设计需求规范，确定设计目标定义系统性能指标实施算法研究与仿真真选择DSP芯片软件编程代码调试硬件设计原理样机系统集成系统调试与性能测试图2-1 基于DSP芯片的DSP实时系统设计和开发流程图2.4 DSP处理器的软、硬件开发工具简介随着DSP处理器的功能不断强化和系统开发周期不断缩短，设计和调试DSP系统越来越依赖于DSP开发系统和开发工具，图2-2为DSP处理器开发流程图。虽然厂家不同，但提供的开发调试工具大致类同，一般有下列几种：（1）C
37、语言编译器(C Compiler)一般厂家为了开发DSP系统方便、减小编写汇编程序的难度，都提供了高级语言设计方法：一般是C语言。开发系统针对DSP库函数、头文件及编写的C 程序，自动生成对应的汇编语言，这一步称为C编译。C编译器通常符合ANSI C标准，可以对编写的程序进行不同等级的优化，以产生高效的汇编代码；C编译器还具有对存储器的配置、分配及部分链接功能，并具有灵活的汇编语言接口等多种功能。C编程方法易学易用，但编译出的汇编程序比手工汇编程序长得多，因而效率一般只有20%40%。为了克服C编译器低效率，在提供标准C库函数同时，开发系统也提供了许多针对DSP运算的高效库函数，例如FFT、F
38、IR、IIR、相关、矩阵运算等，它们都是手工汇编的。C源程序汇编源文件C编译器库文件汇编器链接器可执行代码码结构文件开发板/实验板硬件仿真器软件模拟器目标板测试/调试板产EPROM码 图2-2 DSP开发工具及开发流程图（2）带有高级语言调用/返回接口一般为了得到高效编程，在系统软件开发中，关键的DSP运算程序都是自行手工用汇编语言编写，按照规定的接口约定，由C程序进行调用，这样极大提高编程效率。（3）汇编器（Assembler）将汇编语言原文件转变为基于公用目标文件格式的机器语言目标文件。（4）链接器（Linker）它是将主程序、库函数和子程序以及由汇编器产生的目标文件链接在一起，产生一个可
39、执行的模块，形成DSP目标代码。（5）软件模拟器（Simulator）它是脱离硬件的纯软件仿真工具。将程序代码加载后，在一个窗口工作环境中，可以模拟DSP的运行程序，同时对程序进行单步执行、设置断点，对寄存器/存储器进行观察、修改，统计某段程序的执行时间等。通常在程序编写完以后，都会在软件仿真器上进行调试，以初步确定程序的可运行性。软件仿真器的主要欠缺是对外部接口的仿真不够完善。（6）硬件仿真器（Emulator）在线仿真工具，它用JTAG接口电缆把DSP硬件目标系统和装有仿真软件/仿真卡的PC接口板连接起来，用PC平台对实际硬件目标系统进行调试，能真实地仿真程序在实际硬件环境下的功能。DSP
40、开发系统，这是由厂家提供的一个包含DSP、存储器、常用接口电路的通用电路板和相应软件的软/硬件系统。通常有两种形式，一种是电路板卡的形式，插入计算机中；另一种是通过计算机的串口或并口连接到计算机。这些都是通过计算机的控制端口来控制DSP的运行，并且有简单的DSK（DSP starter Kit）入门套件，和较为复杂的EVM（Evaluation Module）评估模块等。这些都有助于初学者熟悉和使用DSP处理器的应用，也可以作为程序的初步运行对象，方便调试。随着DSP应用范围的扩大、处理能力的加强以及DSP更新速度的加快，DSP处理系统越来越复杂，对设计者来说难度也越来越大，为此有的厂家已产生
41、出一定标准，依据标准来设计生产电路板级DSP处理模块，同时为这种标准模块提供丰富的软件开发系统和算法库。其中典型的如TMS320C4X和SDSP2106X，它们可以通过通信口和全局总线插座，将若干个模块安装在母板上，方便地组成多处理器系统。这种模块化设计降低了硬件设计难度，减少了硬件设计时间，有利于更高效的开发DSP系统。目前各DSP芯片生产厂家已经把以上列出的各开发工具集成在一起，构成集成开发环境。例如TI公司的CCS IDE（Code Composer Studio Integrated Dev-elopment Environment）可以提供环境配置、源程序编辑、编译连接、程序调试、跟
42、踪分析等各个环节，以加速软件开发进程，提高工作效率。它把编译、汇编、链接等工具集成在一起，用一条命令即可完成全部的汇编工作。另外把软、硬件开发工具集成在其中，使程序的编写、汇编、程序的软/硬件仿真和调试等开发工作在统一的环境中进行，给开发工作带来极大的方便。2.5 DSP系统设计的实现过程DSP系统设计的实现过程如附录B所示,设计过程共分为以下几个阶段:（1） 系统功能需求分析阶段：步骤（1）。（2） 系统方案设计阶段：包括算法方案设计（步骤（5），（6），（7），（8），硬件方案设计和系统评估。（3） 目的实施阶段：包括项目预算（步骤（14），（15），（16），硬件设计（步骤（17），软件
43、设计（步骤（18），和系统调试（步骤（19），（20）。（4） 项目验收阶段：步骤（21），（22），（23）。其中系统设计思想和系统设计的七层结构贯穿与DSP系统实现过程的始终。3 PWM波形发生器的设计方法3.1 常见的设计方法简介采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。PWM控制的基本原
44、理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法。 3.1.1等脉宽PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulati
45、on)控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于PAM法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。3.1.2随机PWM在上世纪70年代开始至上世纪80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振
46、动引起了人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的)，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术正是提供了一个分析、解决这种问题的全新思路。3.1.3非线性控制PWM 单周控制法又称积分复位控制(Integration Reset Control，简称IRC)，是一种新型
47、非线性控制技术，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例。该技术同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。单周控制器由控制器、比较器、积分器及时钟组成，其中控制器可以是RS触发器，此中K可以是任何物理开关，也可是其它可转化为开关变量形式的抽象信号。 单周控制在控制电路中不需要误差综合,它能在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，使前一周期的误差不会带到下一周期。虽然硬件电路较复杂，但其克服了传统的PWM控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关逆变器，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强等优点，此外，单周控制还能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，是一种很有前途的控制方法。 3.1.4等面积法
