变频器硬件设计主处理器的选择36页word.docx
《变频器硬件设计主处理器的选择36页word.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频器硬件设计主处理器的选择36页word.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
变频器硬件设计主处理器的选择36页word
变频器主控板需要实现如下功能：
1、电机控制算法的实现
2、产生PWM驱动信号
3、功率模块保护（过流，过压、欠压，过载、过热、缺相、短路等）
4、数字量、模拟量输入输出（外部控制、电压电流采样、速度检测等）
5、通信功能
在近20多年的时间里，DSP芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信号处理、通信、雷达、消费等许多领域。
主要应用有：
信号处理、通信、语音、图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。
DSP主要应用市场为3C（communication、computer、consumer——通信、计算机、消费类）领域，所占市场比例超过90%，并且总体市场规模在不断扩大。
在数字化、个人化和网络化的推动下，预计未来的年均增长率高达40%。
在全球的DSP市场中，TI公司独占鳌头，占世界市场的45%份额，其次是朗讯（28%）、ADI（12%）、摩托罗拉（12%）、其他公司（3%）
美国TI公司是1930年成立于美国德肯萨斯（Texas）州的一家从事石油勘探的公司，1951年更名为TI公司。
1982年TI公司的TMS320系列DSP芯片的第一代处理器TMS320CIO问世，TI公司经营重点转向电子技术。
经过十几年的发展，TI公司又相继发展了TMS320C⒛00、TMS320C5000和TMS320C6000这3个系列的DSP产品。
现今TI公司的TMS320系列已成为DSP市场中的主流产品，约占市场份额的70％，是世界最大的DSP芯片供应商。
美国德州仪器（TexasInstruments，TI）是世界上最知名的DSP芯片生产厂商，其产品应用也最广泛，TI公司生产的TMS320系列DSP芯片广泛应用于各个领域。
TI公司在1982年成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010，这是DSP应用历史上的一个里程碑，从此，DSP芯片开始得到真正的广泛应用。
由于TMS320系列DSP芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点，所以逐渐成为目前最有影响、最为成功的DSP系列处理器。
目前，TI公司在市场上主要有三大系列产品：
（1）面向数字控制、运动控制的TMS320C2000系列，主要包括TMS320C24x/F24x、TMS320LC240x/LF240x、TMS320C24xA/LF240xA、TMS320C28xx等。
（2）面向低功耗、手持设备、无线终端应用的TMS320C5000系列，主要包括TMS320C54x、TMS320C54xx、TMS320C55x等。
（3）面向高性能、多功能、复杂应用领域的TMS320C6000系列，主要包括TMS320C62xx、TMS320C64xx、TMS320C67xx等。
美国模拟器件公司
ADI公司在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有ADSP2101/2103/2105、ADSP2111/2115、ADSP2126/2162/2164、ADSP2127/2181、ADSP-BF532以及Blackfin系列，浮点DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062，以及虎鲨TS101，TS201S。
Motorola公司
Motorola公司推出的DSP芯片比较晚。
1986年该公司推出了定点DSP处理器MC56001；1990年，又推出了与IEEE浮点格式兼容的的浮点DSP芯片MC96002。
还有DSP53611、16位DSP56800、24位的DSP563XX和MSC8101等产品。
DSP技术的特点
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。
DSP器件就是为了满足数字信号处理而制造的一类专用微处理器，一般具有以下几个特点：
1、在单指令周期类完成乘加运算。
2、高速的运算能力。
3、一般采用哈佛结构和流水线技术。
4、芯片具有满足数字信号算法特殊要求的功能，如为了支持Viterbi蝶形算法而设计的比特反转寻址。
5、数据交换能力高。
6、支持并行处理指令。
7、哈佛结构，程序空间和数据空间分开，可同时取指令和操作数。
8、流水线结构，能保证数字信号处理中用的最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。
9、多处理单元，一些特殊算法可在芯片内部用硬件实现以提高运行速度。
如FFT的位码倒置寻址和取模运算。
特别适用于FIR和IIR滤波器。
10、指令周期短。
C54X100MIPS（十亿条指令每秒）C6X2400MIPS。
11、运算精度高：
40位。
12、硬件配置强，具有多通道高速缓冲串口MCBSP、并行主机接口HPI、DMA控制器、软件可编程等待状态发生器、锁相环PLL时钟发生器、以及实现在线仿真的测试口。
1．从运算速度角度选择DSP型号
DSP广泛应用于通信、语音、雷达、仪器仪表等领域。
针对不同应用，市场上有许多型号的DSP产品。
以TI的产品为例，从用途上分，有Ｃ2000系列定点DSP，因为集成了大量外设资源，更多地用于控制领域；Ｃ5000系列定点低功耗DSP，主要用于消费产品和通信领域；还有Ｃ6000高速高性能DSP，主要用于网络和图像处理。
面对众多型号，拿到一个项目时要选择何种DSP呢？
运算速度、功耗、结构、价格等都是需要考虑的地方，但运算速度无疑是首要考虑的，只有满足运算速度的前提下，选择能够适应其他要求的产品才是最合理的。
下面就以实例讨论一下如何计算运算速度。
DSP处理的是数字信号，往往来源于前端模拟信号采样。
如果信号为50Hz的正弦信号，每周期要采80个点才能满足后续算法精度要求，那么采样频率为4000Hz，采样点的时间间隔为250μs。
即所有相关运算必须在250μs的时间内完成。
假设采样点需要进行FFT这样的乘加运算，假定DSP执行一次乘加运算的时间只有１个指令周期，那么在两个采样点之间需要完成4096个乘加运算时，指令周期则必须小于250μs／4096=61.2ns，否则不能实现实时处理（在这里还没有考虑获取采样点的时间）。
有些DSP具有DMA模块，可以在没有CPU的参与下完成采集。
例如语音编码算法，一帧信号为30ms，而一帧信号处理算法程序必须要在30ms内完成。
若DSP的指令周期为20ns，则一帧时间内DSP能够提供的最大运算量为150万条指令。
因此，一帧信号对应的算法程序不能超过150万条指令，否则就要更换速度更快的DSP了。
2．DSP芯片选择中通常应注意的几条
（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DSP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、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，2.5V，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。
3．DSP的选择策略
DSP器件按设计要求可以分为两类。
第一类，应用领域为廉价的、大规模嵌入式应用系统，如手机、磁盘驱动（DSP用作伺服电机控制）以及便携式数字音频播放器等。
在这些应用中价格和集成度是最重要的考虑因素。
对于便携式电池供电的设备，功耗也是一个关键的因素。
尽管这些应用常常需要开发运行于DSP的客户应用软件和外围支持硬件，但易于开发的要求仍然是次要的因素，因为批量生产可以分摊开发成本，从而降低单位产品的开发成本。
另外一类是需要用复杂算法对大量数据进行处理的应用，例如声纳探测和地震探测等，也需要用DSP器件。
该类设备的批量一般较小、算法要求苛刻、产品很大而且很复杂。
所以设计工程师在选择处理器时会尽量选择性能最佳、易于开发并支持多处理器的DSP器件。
有时，设计工程师更喜欢选用现成的开发板来开发系统而不是从零开始硬件和软件设计，同时可以采用现成的功能库文件开发应用软件。
在实际设计时应根据具体的应用选择合适的DSP。
不同的DSP有不同的特点，适用于不同的应用，在选择时可以遵循以下要点。
●算法格式
DSP的算法有多种。
绝大多数的DSP处理器使用定点算法，数字表示为整数或-1.0到+1.0之间的小数形式。
有些处理器采用浮点算法，数据表示成尾数加指数的形式：
尾数×2指数。
浮点算法是一种较复杂的常规算法，利用浮点数据可以实现大的数据动态范围（这个动态范围可以用最大和最小数的比值来表示）。
浮点DSP在应用中，设计工程师不用关心动态范围和精度一类的问题。
浮点DSP比定点DSP更容易编程，但是成本和功耗高。
由于成本和功耗的原因，一般批量产品选用定点DSP。
编程和算法设计人员通过分析或仿真来确定所需要的动态范围和精度。
如果要求易于开发，而且动态范围很宽、精度很高，可以考虑采用浮点DSP。
也可以在采用定点DSP的条件下由软件实现浮点计算，但是这样的软件程序会占用大量处理器时间，因而很少使用。
有效的办法是“块浮点”，利用该方法将具有相同指数，而尾数不同的一组数据作为数据块进行处理。
“块浮点”处理通常用软件来实现。
●数据宽度
所有浮点DSP的字宽为32位，而定点DSP的字宽一般为16位，也有24位和20位的DSP，如摩托罗拉的DSP563XX系列和Zoran公司的ZR3800X系列。
由于字宽与DSP的外部尺寸、管脚数量以及需要的存储器的大小等有很大的关系，所以字宽的长短直接影响到器件的成本。
字宽越宽则尺寸越大，管脚越多，存储器要求也越大，成本相应地增大。
在满足设计要求的条件下，要尽量选用小字宽的DSP以减小成本。
在关于定点和浮点的选择时，可以权衡字宽和开发复杂度之间的关系。
例如，通过将指令组合连用，一个16位字宽的DSP器件也可以实现32位字宽双精度算法（当然双精度算法比单精度算法慢得多）。
如果单精度能满足绝大多数的计算要求，而仅少量代码需要双精度，这种方法也可行，但如果大多数的计算要求精度很高，则需要选用较大字宽的处理器。
请注意，绝大多数DSP器件的指令字和数据字的宽度一样，也有一些不一样，如ADI（模拟器件公司）的ADSP-21XX系列的数据字为16位而指令字为24位。
●DSP的速度
处理器是否符合设计要求，关键在于是否满足速度要求。
测试处理器的速度有很多方法，最基本的是测量处理器的指令周期，即处理器执行最快指令所需要的时间。
指令周期的倒数除以一百万，再乘以每个周期执行的指令数，结果即为处理器的最高速率，单位为每秒百万条指令MIPS。
但是指令执行时间并不能表明处理器的真正性能，不同的处理器在单个指令完成的任务量不一样，单纯地比较指令执行时间并不能公正地区别性能的差异。
现在一些新的DSP采用超长指令字（VLIW）架构，在这种架构中，单个周期时间内可以实现多条指令，而每个指令所实现的任务比传统DSP少，因此相对VLIW和通用DSP器件而言，比较MIPS的大小时会产生误导作用。
即使在传统DSP之间比较MIPS大小也具有一定的片面性。
例如，某些处理器允许在单个指令中同时对几位一起进行移位，而有些DSP的一个指令只能对单个数据位移位；有些DSP可以进行与正在执行的ALU指令无关的数据的并行处理（在执行指令的同时加载操作数），而另外有些DSP只能支持与正在执行的ALU指令有关的数据并行处理；有些新的DSP允许在单个指令内定义两个MAC。
因此仅仅进行MIPS比较并不能准确得出处理器的性能。
解决上述问题的方法之一是采用一个基本的操作（而不是指令）作为标准来比较处理器的性能。
常用到的是MAC操作，但是MAC操作时间不能提供比较DSP性能差异的足够信息，在绝大多数DSP中，MAC操作仅在单个指令周期内实现，其MAC时间等于指令周期时间，如上所述，某些DSP在单个MAC周期内处理的任务比其它DSP多。
MAC时间并不能反映诸如循环操作等的性能，而这种操作在所有的应用中都会用到。
最通用的办法是定义一套标准例程，比较在不同DSP上的执行速度。
这种例程可能是一个算法的“核心”功能，如FIR或IIR滤波器等，也可以是整个或部分应用程序（如语音编码器）。
图1为使用BDTI公司的工具测试的几款DSP器件性能。
在比较DSP处理器的速度时要注意其所标榜的MOPS（百万次操作每秒）和MFLOPS（百万次浮点操作每秒）参数，因为不同的厂商对“操作”的理解不一样，指标的意义也不一样。
例如，某些处理器能同时进行浮点乘法操作和浮点加法操作，因而标榜其产品的MFLOPS为MIPS的两倍。
其次，在比较处理器时钟速率时，DSP的输入时钟可能与其指令速率一样，也可能是指令速率的两倍到四倍，不同的处理器可能不一样。
另外，许多DSP具有时钟倍频器或锁相环，可以使用外部低频时钟产生片上所需的高频时钟信号。
●存储器管理
DSP的性能受其对存储器子系统的管理能力的影响。
如前所述，MAC和其它一些信号处理功能是DSP器件信号处理的基本能力，快速MAC执行能力要求在每个指令周期从存储器读取一个指令字和两个数据字。
有多种方法实现这种读取，包括多接口存储器（允许在每个指令周期内对存储器多次访问）、分离指令和数据存储器（“哈佛”结构及其派生类）以及指令缓存（允许从缓存读取指令而不是存储器，从而将存储器空闲出来用作数据读取）。
图2和图3显示了哈佛存储器结构与很多微控制器采用的“冯·诺曼”结构的差别。
另外要注意所支持的存储器空间的大小。
许多定点DSP的主要目标市场是嵌入式应用系统，在这种应用中存储器一般较小，所以这种DSP器件具有小到中等片上存储器（4K到64K字左右），备有窄的外部数据总线。
另外，绝大多数定点DSP的地址总线小于或等于16位，因而可外接的存储器空间受到限制。
一些浮点DSP的片上存储器很小，甚至没有，但外部数据总线宽。
例如TI公司的TMS320C30只有6K片上存储器，外部总线为24位，13位外部地址总线。
而ADI的ADSP2-21060具有4Mb的片上存储器，可以多种方式划分为程序存储器和数据存储器。
选择DSP时，需要根据具体应用对存储空间大小以及对外部总线的要求来选择。
●开发的简便性
对不同的应用来说，对开发简便性的要求不一样。
对于研究和样机的开发，一般要求系统工具能便于开发。
而如果公司在开发下一代手机产品，成本是最重要的因素，只要能降低最终产品的成本，一般他们愿意承受很烦琐的开发，采用复杂的开发工具（当然如果大大延迟了产品上市的时间则是另一回事）。
因此选择DSP时需要考虑的因素有软件开发工具（包括汇编、链接、仿真、调试、编译、代码库以及实时操作系统等部分）、硬件工具（开发板和仿真机）和高级工具（例如基于框图的代码生成环境）。
利用这些工具的设计过程如图4所示。
选择DSP器件时常有如何实现编程的问题。
一般设计工程师选择汇编语言或高级语言（如C或Ada），或两者相结合的办法。
现在大部分的DSP程序采用汇编语言，由于编译器产生的汇编代码一般未经最优化，需要手动进行程序优化，降低程序代码大小和使流程更合理，进一步加快程序的执行速度。
这样的工作对于消费类电子产品很有意义，因为通过代码的优化能弥补DSP性能的不足。
使用高级语言编译器的设计工程师会发现，浮点DSP编译器的执行效果比定点DSP好，这有几个原因：
首先，多数的高级语言本身并不支持小数算法；其次，浮点处理器一般比定点处理器具有更规则的指令，指令限制少，更适合编译器处理；第三，由于浮点处理器支持更大的存储器，能提供足够的空间。
编译器产生的代码一般比手动生成的代码更大。
不管是用高级语言还是汇编语言实现编程，都必须注意调试和硬件仿真工具的使用，因为很大一部分的开发时间会花在这里。
几乎所有的生产商都提供指令集仿真器，在硬件完成之前，采用指令集仿真器对软件调试很有帮助。
如果所用的是高级语言，对高级语言调试器功能进行评估很重要，包括能否与模拟机和/或硬件仿真器一起运行等性能。
大多数DSP销售商提供硬件仿真工具，现在许多处理器具有片上调试/仿真功能，通过采用IEEE1149.1JTAG标准的串行接口访问。
该串行接口允许基于扫描的仿真，即程序员通过该接口加载断点，然后通过扫描处理器内部寄存器来查看处理器到达断点后寄存器的内容并进行修改。
很多的生产商都可以提供现成的DSP开发系统板。
在硬件没有开发完成之前可用开发板实现软件实时运行调试，这样可以提高最终产品的可制造性。
对于一些小批量系统甚至可以用开发板作为最终产品电路板。
●支持多处理器
在某些数据计算量很大的应用中，经常要求使用多个DSP处理器。
在这种情况下，多处理器互连和互连性能（关于相互间通信流量、开销和时间延迟）成为重要的考虑因素。
如ADI的ADSP-2106X系列提供了简化多处理器系统设计的专用硬件。
●电源管理和功耗
DSP器件越来越多地应用在便携式产品中，在这些应用中功耗是一个重要的考虑因素，因而DSP生产商尽量在产品内部加入电源管理并降低工作电压以减小系统的功耗。
在某些DSP器件中的电源管理功能包括：
a.降低工作电压：
许多生产商提供低电压DSP版本（3.3V，2.5V，或1.8V），这种处理器在相同的时钟下功耗远远低于5V供电的同类产品。
b.“休眠”或“空闲”模式：
绝大多数处理器具有关断处理器部分时钟的功能，降低功耗。
在某些情况下，非屏蔽的中断信号可以将处理器从“休眠”模式下恢复，而在另外一些情况下，只有设定的几个外部中断才能唤醒处理器。
有些处理器可以提供不同省电功能和时延的多个“休眠”模式。
c.可编程时钟分频器：
某些DSP允许在软件控制下改变处理器时钟，以便在某个特定任务时使用最低时钟频率来降低功耗。
d.外围控制：
一些DSP器件允许程序停止系统未用到的外围电路的工作。
不管电源管理特性怎么样，设计工程师要获得优秀的省电设计很困难，因为DSP的功耗随所执行的指令不同而不同。
多数生产商所提供的功耗指标为典型值或最大值，而TI公司给出的指标是一个例外，该公司的应用实例中详细地说明了在执行不同指令和不同配置下的功耗。
●成本因素
在满足设计要求条件下要尽量使用低成本DSP，即使这种DSP编程难度很大而且灵活性差。
在处理器系列中，越便宜的处理器功能越少，片上存储器也越小，性能也比价格高的处理器差。
封装不同的DSP器件价格也存在差别。
例如，PQFP和TQFP封装比PGA封装便宜得多。
在考虑到成本时要切记两点。
首先，处理器的价格在持续下跌；第二点，价格还依赖于批量，如10，000片的单价可能会比1，000片的单价便宜很多。
本文小结
DSP处理器存在两种发展趋势：
一是DSP应用越来越多，如手机和便携式音频播放器等。
DSP将集成更多功能，如A/D转换、LCD控制器等，系统成本和器件数将会大为降低。
另一个趋势是将DSP作为IP出售，如亿恒科技公司的Camel和TriCore内核。
随着EDA工具的不断成熟，系统设计工程师将更容易地修改DSP内核，加入用户专用外围电路以实现更专业化、更低成本的DSP解决方案。
4．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。
一、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，一个典型的处理框图如下：
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~几十kHz，图像信号则可达8MHz。
2.实时性要求。
系统设计中实时与非实时对系统要求的差异非常之大。
3.算法的复杂度。
为了获得好的系统处理性能，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处理系统所有器件的选择，必须考虑产品的最后应用场合，原则上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有对应的级别。
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
升级会员 