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dsp设计的一线制汽车控制器
摘要
第一章绪论………………………………………………………………1
第二章系统硬件设计…………………………………………………3
2.1方案论证…………………………………………………………3
2.1.1设计原理……………………………………………………………3
2.1.2论证方案……………………………………………………………3
2.1.3器件选择……………………………………………………………4
2.2主控制器的选择…………………………………………………5
2.2.1DSP发展概述及DSP基础…………………………………………5
2.2.2所用芯片TMS320F240………………………………………………10
2.2.3系统配置和中断………………………………………………………11
2.2.4存储器介绍………………………………………………………12
2.2.5时钟电路设计………………………………………………………13
2.2.6复位电路设计………………………………………………………16
2.2.7数字I/O接口………………………………………………………17
2.3前向通道A/D……………………………………………………17
2.3.1信号采集模块……………………………………………………17
2.3.2CD4051介绍………………………………………………………18
2.3.3TMS320F240的ADC模块……………………………………………20
2.4后向通道D/A……………………………………………………22
2.4.1D/A转换器DAC8562…………………………………………………23
2.4.2运放电路…………………………………………………………23
第三章软件设计…………………………………………………………25
3.1前言………………………………………………………………25
3.2流程图………………………………………………………………25
第四章结束语………………………………………………………………28
参考文献
附录程序清单
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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指导教师签名：
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按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
第一章绪论
一线制汽车控制器是应用WZ位置码通讯技术派生出来的一套全新概念的汽车控制器。
WZ位置码通讯技术是一个全新的概念，现在已取得国际专利，而一线制汽车控制器已获得国家专利。
WZ位置码技术的主要特点是：
包括计算机在内的所有数字元件，设备之间通讯管脚及导线只有一个，而其通讯速度可以达到或接近计算机并行通讯的速度。
目前，这一通讯技术的理论已完全成型，实际应用我们首选在汽车上，也就是一线制汽车控制器。
应用WZ位置码通讯技术，首先开发了WZ32-0-1系统，它的特点是：
1.主频3.3K，汽车操作响应时间0.01S；
2.全车逻辑控制线只有一根，这一控制线完全实现双工特点；
3.全车没有任何过载及短路保护元器件，完全依靠线路自行控制；
4.全车不存在本系统以外的时间及逻辑控制元件；
5.全车所有主令元件由传统的符合元件变为信号元件，其通过的平均电流由安培级下降到微安级；
6.司机操作功能全部集中在方向盘上，方便了司机的操作；
7.整车成本有所下降，预计下降幅度10%---20%。
图1.1控制器脉冲功能分布图
目前，以上系统已经完成试车，在轻型车CA1046L试车25000公里，在红旗CA7221试车35000公里，情况良好。
所以，以上产品已经由实验室阶段转入生产阶段。
在原WZ-0-1系统的基础上，又新研制出了WZ64-0-2系统，这一系统在WZ32-0-1的基础上又增加了以下功能：
1车实现自检，并显示报警信息，将故障隐患及故障点直接显示给司机，使汽车行使更加安全；
2主频由3.3K上升到6K，响应时间保持0.01S；
3控制点由32点上升到64点；
以上系统的实验阶段已经结束。
现在正在研制WZ128-0-10系统，这一系统的主要特点是：
可以将全车的所有模拟信号转变为WZ信号，从而完成包括电喷，ABS,仪表在内的整车所有信号融入一线控制之中，彻底实现整车的一线制控制。
第二章系统硬件设计
2.1方案论证
设计要求：
以DSP为主控制器，设计一个检测装置。
接受板接收发射板以主频3.3K发出一系列2V或4V电平的脉冲，要求控制相应的继电器动作。
要求自行模拟发射板发出主频3.3K发出一系列2V或4V电平的脉冲。
在相应位置的2V电平脉冲变为4V电平脉冲。
然后进行检测，判断接收板的好坏。
2.1.1设计原理
一线制汽车控制器接收板的工作过程是：
接收板接收来自发射板以主频3.3K发出的一系列2V或4V的电平脉冲，当脉冲为2V时，接收板不动作，当脉冲为4V时，接收板相应的控制信号变为12V电平，控制相应的继电器动作。
根据上述原理，接收检测板首先要模拟发射板发出3.3K发出一系列2V或4V的电平脉冲，在相应位置的2V电平脉冲基础上叠加为4V电平脉冲，然后对接收板的输出信号进行检测，以判断接收板的好坏。
2.1.2论证方案
方案一：
采用89C51单片机实现。
单片机软件编程自用度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。
不过单片机对于外部数据的采集需另接A/D转换来实现，导致外围电路比较复杂。
方案二：
采用高速数字信号处理器DSP实现。
DSP内置模数转换器等外设，片内具有丰富的可编程多路复用I/O引脚，而且它的数据处理速度与89C51相比更有优势，在软件编程方面，DSP的语言可以采用C语言和汇编语言相结合的更为灵活的方式。
基于以上优点，本设计采用高速数字信号处理器（DSP）作为控制电路的核心。
2.1.3器件选择
主控制器的选择
在众多的DSP芯片种类中，最成功的是美国德克萨斯仪器公司（TexasInstruments，简称TI）的一系列产品。
TI公司在1982年成功推出启迪一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS32C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS32C40/C44，第五代DSP芯片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。
采用TI公司的TMS320LF240x芯片作为控制器。
TMS320LF240x芯片作为DSP控制器24x系列的新成员，是TMS320C2000平台下的一种定点DSP芯片。
从结构设计上讲，240x系列DSP提供了低成本、低消耗、高性能的处理能力，对电机的数字化控制作用非常突出。
TI公司的TMS320F240器件是基于TMS320C2型16位定点数字信号处理器（DSP）的新型DSP控制器。
由于F240器件片内集成了544字双口RAM、双10位模数转换模块、串行通信接口以及提供死区功能和12路比较/脉冲宽度调制通道的事件管理器模块，并将存储器和外设集成到控制器内部，使得F240在诸多微机控制系统中得到了广泛的应用。
基于上述原因，本次设计采用TMS320F240作为控制器
存储器CY7C199
CY7C199是一种采用COMS工艺制成的32K×8位的SRAM芯片，采用28引脚DIP封装或其它的封装形式。
该电源5伏供电，其输入输出电平与TTL电平兼容，三态输出。
它的读写访问时间根据不同型号可从20ns—200ns。
该芯片具有低功耗操作方式，当未选通时，芯片处于底功耗状态，这时可减少80%以上的功耗，只需要2伏电源供电，几十微安电流就可以保持数据不变，此性能可用于电池供电的数据掉电保护操作。
AD转换DAC8562
目前，在测试和控制领域中，大量地使用了数据采集系统，而且位数更多、速度更快、精度更高的D/A转换器件不断出现。
DAC8562是高速高精度12位数字／模拟转换器芯片，由于DAC8562转换器件的功耗特别低，而且其线性失真可低达0.012%，因此，该D/A转换器芯片特别适合于精密模拟数据的获得和控制。
此外，由于DAC8562器件内部带有激光制作的精密晶片电阻和温度补偿电路以及NMOS开关，因而可充分保证DAC8562具有12位的精度。
DAC8562其性能指标，精度要求完全符合设计要求。
运放电路LM324
设计中，运放电路主要实现电平脉冲的放大，并且，放大倍数不是很大，LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
使用LM324运放电路可实现设计要求。
时钟电路设计
采用封装好的晶体振荡器，将外部时钟源直接输入X2/CLKIN引脚，而将X1引脚悬空。
如图所示。
只要将晶体振荡器的4脚接+5V，2引脚接地，就可以在3脚上获得时钟信号。
图2.1晶体振荡器
复位电路
TMS320F240芯片的引脚/RS是复位输入信号，当该引脚电平为低时使芯片复位。
在设计复位电路时，一般应从两种复位的需要去考虑，一个是上电复位；另一个是工作中的复位。
在系统刚接通电源时，复位电路应处于低电平以使系统从一个初始状态开始工作：
这段低电平时间应该大于系统的晶体振荡器起振时间，以便避开振荡器起振时的非线性特性对整个系统的影响：
通常，共振需要100—200ms的稳定时间，则上电复位时间应该大于200ms：
工作中复位则要求复位的低电平至少保持6个时钟周期，以使芯片的初始化能够正确的完成。
2.2主控制器
2.2.1DSP发展概述及DSP基础
一.什么是DSP芯片
DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。
DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来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芯片一般具有如下的一些主要特点：
（一）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。
（二）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。
（三）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。
（四）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。
（五）快速的中断处理和硬件I/O支持。
（六）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
（七）可以并行执行多个操作。
（八）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。
二.DSP芯片的发展
世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，1979年美国Iintel公司发布的商用可编程期间2920是DSP芯片的一个主要里程碑。
这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须的单周期芯片。
1980年。
日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。
第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi公司，它于1982年推出了浮点DSP芯片。
1983年，日本的Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。
而第一个高性能的浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。
在这么多的DSP芯片种类中，最成功的是美国德克萨斯仪器公司（TexasInstruments，简称TI）的一系列产品。
TI公司灾982年成功推出启迪一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS32C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS32C40/C44，第五代DSP芯片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。
自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。
从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从80年代初的400ns（如TMS32010）降低到40ns（如TMS32C40），处理能力提高了10多倍。
DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年的占模区的40左右下降到5以下，片内RAM增加一个数量级以上。
从制造工艺来看，1980年采用4μ的N沟道MOS工艺，而现在则普遍采用亚微米CMOS工艺。
DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。
此外，DSP芯片的发展，是DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。
三.DSP芯片的分类
DSP的芯片可以按照以下的三种方式进行分类。
（一）按基础特性分
这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。
如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。
如果有两种或两种以上的DSP芯片,它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容,则这类DSP芯片称之为一致性的DSP芯片。
（二）按数据格式分
这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。
数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点DSP芯片。
以浮点格式工作的称为DSP芯片。
不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。
（三）按用途分
按照DSP芯片的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型的DSP芯片。
通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片。
专用型DSP芯片市为特定的DSP运算而设计，更适合特殊的运算，如数字滤波，卷积和FFT等。
四.DSP芯片的选择
（一）设计DSP应用系统，选择DSP芯片时非常重要的一个环节。
只有选定了DSP芯片才能进一步设计外围电路集系统的其它电路。
总的来说，DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。
一般来说，选择DSP芯片时考虑如下诸多因素。
1.DSP芯片的运算速度。
运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP芯片时所需要考虑的一个主要因素。
DSP芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量：
（1）指令周期。
就是执行一条指令所需要的时间，通常以ns为单位。
（2）MAC时间。
即一次乘法加上一次加法的时间。
（3）FFT执行时间。
即运行一个N点FFT程序所需的时间。
（4）MIPS。
即每秒执行百万条指令。
（5）MOPS。
即每秒执行百万次操作。
（6）MFLOPS。
即每秒执行百万次浮点操作。
（7）BOPS。
即每秒执行十亿次操作。
2.DSP芯片的价格。
根据一个价格实际的应用情况，确定一个价格适中的DSP芯片。
3.DSP芯片的硬件资源。
4.DSP芯片的运算速度。
5.DSP芯片的开发工具。
6.DSP芯片的功耗。
7.其它的因素，如封装的形式、质量标准、生命周期等。
（二）DSP应用系统的运算量是确定选用处理能力多大的DSP芯片的基础。
那么如何确定DSP系统的运算量以选择DSP芯片呢？
1.按样点处理
按样点处理就是DSP算法对每一个输入样点循环一次。
例如；一个采用LMS算法的256抽头德的自适应FIR滤波器，假定每个抽头的计算需要3个MAC周期，则256抽头计算需要256*3=768个MAC周期。
如果采样频率为8KHz，即样点之间的间隔为125μs的时间，DSP芯片的MAC周期为200μs，则768个周期需要153.6μs的时间，显然无法实时处理，需要选用速度更快的芯片。
2.按帧处理
有些数字信号处理算法不是每个输入样点循环一次，而是每隔一定的时间间隔（通常称为帧）循环一次。
所以选择DSP芯片应该比较一帧内DSP芯片的处理能力和DSP算法的运算量。
假设DSP芯片的指令周期为P（ns），一帧的时间为⊿τ（ns），则该DSP芯片在一帧内所提供的最大运算量为⊿τ/P条指令。
五.DSP芯片的基本结构
（一）DSP芯片的基本结构包括：
1.哈佛结构；
2.流水线操作；
3.专用的硬件乘法器；
4.特殊的DSP指令；
5.快速的指令周期。
（二）哈佛结构
哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。
与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。
由于程序和存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠。
流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。
处理器可以并行处理二到四条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。
如2.2图所示是一个三级流水线操作的例子。
图2.2三级流水线操作
（三）专用的硬件乘法器
乘法速度越快，DSP处理器的性能越高。
由于具有专用的应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。
（四）特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令。
快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。
六.DSP系统的特点
数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部特点：
（一）接口方便。
DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易的多。
（二）编程方便。
DSP系统的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。
（三）稳定性好。
DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高。
（四）精度高。
16位数字系统可以达到的精度。
（五）可重复性好。
模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本上不受影响，因此数字系统便于测试，调试和大规模生产。
（六）集成方便。
DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。
七.DSP芯片的应用
自从DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展。
DSP芯片高速发展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。
在短短的十多年时间，DSP芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。
目前，DSP芯片的价格也越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。
DSP芯片的应用主要有：
（一）信号处理--如，数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。
（二）通信--如，调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回坡抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、波形产生等。
（三）语音--如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音储存等。
（四）图像/图形--如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。
（五）军事--如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航等。
（六）仪器仪表--如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。
（七）自动控制--如引擎控制、深空、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制。
（八）医疗--如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。
（九）家用电器--如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等。
2.2.2所用芯片TMS320F240介绍
1．TMS320F240性能指标
TMS320F240是TI公司生产的一种低价格高性能16位定点运算DSP芯片，
其主要性能指标为：
（1）内核CPU：
32位中央算术逻辑单元（CALU）；32位累加器；16位×16位并行乘法器，产生32位乘积；三个定标移位器；八个16位辅助寄存器和一个用于数据存储器间接寻址的专用算术单元。
（2）存储器：
544字×16位片内数据/程序双口RAM；16K字×16位片内程序FLASH；224K字×16位最大寻址存储范围；16位地址总线和16位数据总线。
（3）中断：
功率驱动保护中断，复位，NMI（不可屏蔽中断）和三个可屏蔽中断。
（4）速度：
50ns指令周期（20MIPS），且大多数指令为单周期。
（5）定时器：
3个16位通用定时器，共有6个可设置模式。
（6）双10位A/D转换器。
（7）28个可单独编程的多路复用I/O引脚。
（8）串行通信接口（SCI）。
（9）基于锁相环（PLL）的时钟模块。
（10）带实时中断的看门狗定时器模块。
2．CPU
TMS320F240的中央处理单元包括：
（1）32位中央算术逻辑单元（CALU）和累加器，可实现二进制补码算术运算；
（2）CALU的输入/输出数据定标移位器，用于定标、位抽取、扩展算术运算和溢出预防操作的32位移位器；（3）乘法器，实现16位
16位二进制不码乘法运算，输出32位结果；（4）辅助寄存器算术单元（ARAU）和辅助寄存器。
图2.3TMS320F240
2.2.3系统配置和中断
TMS320F240的中断可以划分为：
软件中断：
由指令INTR、NMl、TRAP向CPU发出中断信号。
硬件中断：
1外部硬件中断，由外部中断引脚上的中断申请信号触发。
2内部硬件中断，由片内外围设备的请求信号触发。
从另一个角度讲，TMS320F240的中断可以划分为：
可屏蔽中断：
仅包括硬件中断，可以通过软件屏蔽或使能。
非屏蔽中断：
包括所有软件中断和外部硬件中断RS、NMl，它们不能被屏蔽。
TMS320F240的中断响应过程可分为以下3个主要阶段：
1.接收中断请求：
由指令启动的软件中断、来自引脚的中断请求或由片内外围器件发出的硬件中断向CPU提出中断请求。
2.响应中断：
如果中断是可屏蔽的，则必须满足某种条件，TMS320F240才进行响应。
而对于非屏蔽硬件中断和软件中断来说，CPU立即响应。
3.执行中断服务程序。
一旦中断被确认，TMS320F240将迫使CPU转移到预先确定的中断矢量地址，转人相应的中断服务子程序入门，并执行该程序。
F240芯片的外部中断引脚个数因为型号的不同而有所不同，最多可有6个外部引脚，它们的极性和大多数的优先级都可通过类型A、B、C中断控制寄存器进行软件编程，在本设计中用到了由片内外围设备中断。
2.2.4存储器
存储器选用CYPRESS
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