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DSP作业

DSP在控制中的应用报告

学校：

吉林大学

课程名称：

DSP在控制中的应用

姓名：

五里雾

DSP在控制中的应用报告

一、DSP概述

DSP广义上即指数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP）。

是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。

20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。

数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。

数字信号处理器（digitalsignalprocessor，DSP）是专门为实现数字信号处理而设计的一种可编程的嵌入式微处理器。

它具有运行速度高，处理能力强，片内外围设备丰富等诸多特点。

它的问世与发展为数字信号处理理论应用于工程实际提供了低成本的软、硬件平台。

DSP包括两层概念:

其一是指数字信号处理（DigitalSignalProcessing——DSP），其二是指数字信号处理器（DigitalSignalProcessor——DSPS）。

数字信号处理：

利用计算机或其它信号处理设备，对以数字形式表现的信号进行处理和研究的方法。

是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的新兴学科。

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，以获取有用的信息。

数字信号处理器：

也称DSP芯片，是一种具有特殊结构的微处理器。

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，具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，在芯片上运行目标程序，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。

二、DSP芯片的分类及我们在现实生活中的应用

1、按基础特性分类

这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。

如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称为静态DSP芯片。

例如，TI公司的TMS320系列芯片属于这一类。

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芯片称为一致性DSP芯片。

例如，美国TI公司的TMS320C54X就属于这一类。

2、按用途分类按照

DSP的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型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芯片属于通用型DSP芯片。

专用DSP芯片是为特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和FFT，如Motorola公司的DSP56200，Zoran公司的ZR34881，Inmos公司的IMSA100等就属于专用型DSP芯片。

3、按数据格式分类

按照数据格式分为定点DSP和浮点DSP。

数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP芯片，数据长度通常为16为/32位。

如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motolora公司的MC56000等。

其优点是：

成本较低，功耗较小。

缺点是：

数值表示范围较窄，编程难度大。

特别是有混合小数运算时，必须使用定点定标的方法，并要防止结果溢出。

以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片数据长度通常为32位/64位。

如TI公司的MS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motolora公司的MC96002等。

不同浮点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，如TMS320C3X，而有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式，如Motorola公司的MC96002、FUJITSU公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等。

由于浮点数据表示的动态范围宽，运算中不必顾忌小数点的位置，因此开发较容易，更适于大量数字信号处理运算的应用场合。

其缺点是硬件结构相对复杂，功耗较大，且比定点芯片的价格高。

近年来，随着DSP性能的日趋完善，功耗的逐步降低，开发环境的不断改进及价格的不断下调，DSP的应用价值和推广前景越来越凸显出来。

其应用以深入到人们的学习、工作和生活的各个方面。

早期的DSP主要应用于军事等高精尖端领域，后来，DSP被成功的应用于专业数字通信领域，如数字解调器、数字移动手机、多媒体网关、智能电话等，大大推动了数字网络化的法展。

不仅如此，DSP在工业控制、汽车电子等测控领域也有广泛用途。

目前，DSP已经成为数字音频和视频、宽带接入和新一代无线通信等创新应用的核心平台，在信息产业及其他许多领域中发挥着越来越大的作用。

DSP的典型应用通常有自适应滤波、相关、数字滤波、卷积、快速傅里叶变换、希尔伯特变换、加窗等。

在工业控制方面应用有数控机床、电力线监控、磁盘驱动控制、激光打印机控制、电机控制、机器人控制、工业自动化、伺服控制等。

在仪器仪表方面应用有数据采集、数字滤波、函数发生、模式匹配、锁相环、地震处理、频谱分析、瞬态分析等。

在军事方面应用有导弹制造、导航、声纳处理、全球定位、雷达处理、保密通信等。

在医疗方面应用有诊断工具、助听器、胎儿监护、病人监护、心电图、脑电图、超声设备、康复应用等。

在汽车电子方面应用有自适应驾驶控制、防滑刹车、蜂窝电话、引擎控制、全球定位系统、导航、振动分析、语音命令、数字收音机等。

在通信方面应用有有扩频通信、蜂窝电话、视频会议、个人数字处理、线路增音器、回波抵消、数字语音内插、个人通信系统等。

近几年来，DSP芯片、应用软件和系统的发展非常迅速，每年增长速度高达40%。

其市场驱动力主要是因特网、无线通信、硬盘驱动器、可视电话和会议电视以及其它消费类电子产品。

也就是说，DSP产业的发展依赖于通信技术和通信市场。

随着新的通信体制、传输方式和多媒体智能终端的迅速发展，其算法、标准和规程都需要在实践中不断发展、改进和优化。

DSP编程的灵活性和不断增强的运算能力，同时又将使通信技术向更高层次迈进。

这对通信领域的广大科技人员是一个机遇。

抓住这个机遇，我们将大有作为。

三、DSP在机器人控制系统中的应用

以AnalogDevice公司的定点DSP芯片ADSP2183在机器人控制系统中的应用为例。

1、DSP芯片ADSP2183简介

ADSP2183是AnalogDevice公司的16位定点DSP,其主要性能特点如下:

（1）、40MHz主频,40MIPS运算速度,指令周期为25ns,所有指令单周期执行。

（2）、16位独立的ALU,16位*16位乘法器,40位累加器。

（3）、两个DMA口,其中一个为16位的DMA（ID-MA）口,用于高速存取片内存储器及装载数据和程序,一个为8位的自举DMA（BDMA）口,用于从自举程序存储器中装载数据和程序。

（4）、片内80KB存储器,可配置为16K*24Bit程序区和16K*16Bit数据区。

（5）、16位字长运算精度。

（6）、提供两个双缓冲区的串口,带自动压扩。

（7）、6个外部中断、13个可编程I/O引脚和EZ-ICE仿真口。

由于DSP的上述功能和特点,DSP与外围接口电路可方便地实现连接。

并且由于DSP具有16K的程序区和16K的数据区,所以对于本系统无需外扩存储器,即由单片DSP就构成了本系统所需的最小DSP系统。

2、系统硬件结构框架

基于DSP的机器人控制系统的硬件结构框架如图1所示。

系统采用双CPU的主从式结构,主机（工业PC机）为一级CPU,它担当系统管理、机器人语言编译和人机接口等功能;DSP为二级CPU,它完成全部关节的位置数字控制。

主CPU与DSP不直接进行通讯,它们是通过公用内存来交换数据,主机和DSP均可读写内存,从而达到通信的目的。

同时主机CPU也可直接读写I/O信号和读取位置反馈信号。

这种采用共享内存的通信方式为整个控制系统提供了高速数据信息交换的通道,并且DSP的引入使控制系统具有高速高精度定位与联动控制的能力。

DSP控制器使用一种简单而特有的计算机结构提供先进的计算和实时控制功能。

它不要求主机任何时候都处于通讯状态,只有在有信息传送或命令运行时,计算机才需要读或写数据总线,而且任何运动命令均可暂存在DSP的内存中等待执行。

3、DSP运行的工作流程

DSP的主要功能是完成机器人全部关节的位置数字控制,也就是在每一个采样周期内完成伺服回路的计算并输出。

DSP的采样周期为014ms,在每一个采样周期内DSP连续执行如图2所示的主流程。

（1）、读编码器信号DSP定时中断一到,就立即读取所有运动轴的编码器信号,这是当前各运动轴的实际位置,存储后供伺服回路计算用。

（2）、计算新的轨迹DSP计算一个轴的指令位移,并计算指令速度、指令加速度。

（3）、检查发生的事

DSP检查一个轴的正限位开关、负限位开关、原点开关、软件限位、编码器故障、驱动器故障等,然后根据预先设定的参数产生对应的事件。

（4）、处理事件

DSP根据事件产生的优先程度,依次进行处理。

四种可能的事件为:

设置新的运动参数、停、急停、异常中断,其中异常中断事件属于最高优先级,设置新的运动参数事件属于最低优先级。

（5）、计算DAC并输出DSP计算一个轴的DAC输出是基于PID伺服控制算法,PID算法的输入是当前指令位置与实际位置之间的位置偏差。

PID控制是控制理论中技术成熟、应用广泛的一种控制策略,但是经典的PID控制存在两个弊端:

积分饱和与微分突变。

本文采用的PID算法可有效地克服这两点,该PID算法的公式如下:

其中:

n为采样序数次号。

4、总结

将DSP应用于机器人的控制系统,充分利用DSP实时运算速度快的特点,这是当前发展的趋势。

尤其是随着数字信号芯片速度的不断提高,并易于构成并行处理网络,可大大提高控制系统的性能。

目前,佛山机器人公司成功地开发了基于DSP的机器人控制系统,并已应用于FS602六自由度关节型喷涂机器人上,经过十个月的生产实践证明,该系统具有较好的可靠性、开放性、容错性及可扩展性,符合机器人控制系统的性能要求。

四、单片机和DSP的区别。

1、单片机的特点

所谓单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM（EPROM或EEPROM）、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口，如Intel公司的8031系列等。

除了以上基本功能外，有的还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。

概括起来说，单片机具有如下特点：

具有位处理能力，强调控制和事务处理功能。

价格低廉，如低档单片机价格只有人民币几元钱。

开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。

后备人才充足，国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。

2、DSP器件的特点

与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。

DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器。

提供高速、同步串口和标准异步串口。

有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。

DSP器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。

内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力。

DSP器件比16位单片机单指令执行时间快8～10倍，完成一次乘加运算快16～30倍。

DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。

此外，DSP器件提供JTAG接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。

软件配有汇编/链接C编译器、C源码调试器。

目前国内推广应用最为广泛的DSP器件是美国德州仪器（TI）公司生产的TMS320系列。

DSP开发系统的国产化工作已经完成，国产开发系统的价格至少比进口价格低一半，有的如TMS320C2XX开发系统只有进口开发系统价格的1/5，这大大刺激了DSP器件的应用。

目前，已有不少高校计划建立DSP实验室，TI公司和北京闻亭公司都已制订了高校支持计划，将带动国内DSP器件的应用和推广。

3、DSP器件大规模推广指日可待

通过上述比较，我们可得出结论：

DSP器件是一种具有高速运算能力的单片机。

从应用角度看：

DSP器件是运算密集型的，而单片机是事务密集型的，DSP器件可以取代单片机，单片机却不能取代DSP。

DSP器件价格大幅度下滑，直逼单片机。

DSP器件广泛使用了JTAG硬件仿真，比单片机更易于硬件调试。

国产化的DSP开发系统为更多用户采用DSP器件提供了可能性。

DSP取代单片机的技术和价格的市场条件已经成熟,大规模推广指日可待。

4、DSP器件的典型应用

随着DSP性能不断改善，用DSP器件来作实时处理已成为当今和未来技术发展的一个新热点。

TI公司最新推出的TMS320C2XX系列具有良好的性能价格比，基本可以取代16位单片机。

其中TMS320C203单片价格不到人民币100元，芯片内置544字的高速SRAM。

外部可寻址64K字程序/数据及I/O，指令周期在25ns～50ns之间，实时性处理比16位单片机快2倍以上，可取代一般的单片机。

TMS320F206除了具有TMS320C203的功能外，内置32K字零等待快闪存储器，可满足单片设计的要求，能最大限度减少用户板的体积。

TMS320F240的指令、DSP核与TMS320C203、F206完全兼容，内置8K/16K字快闪存储器，增加了两路10位A/D，每路采样频率可达166kHz，提供9路独立的PWM输出，内置SCI和SPI接口，内置CAN总线接口。

这些大大增强了TMS320X240的处理能力，在电机控制领域显示了强大的生命力。

它是一个典型的TMS320F240的用户系统，它实现如下功能：

3相PWM输出/3相电流测量/按键控制、液晶显示/RS232通信,A/D、D/A接口,62K字零等待SRAM,扩展的输入、输出及双向I/O口/JTAG接口结论DSP技术的不断完善，各种DSP器件的不断推出，将为实时数字信号处理的应用创造前所未有的广阔空间。

单片机用户在硬件和软件方面的设计经验可使他们很容易从单片机升级到DSP。

五、DSP学习

通过DSP在控制中的应用的学习，对DSP有了深入的了解。

一直以来只了解过单片机的相关知识和嵌入式的一些基本概念。

通过老师的讲解和相关资料的学习，了解了DSP的功能、特点、内部资源、总体结构、中断系统、定时功能、技术功能、A/D与D/A转换等相关知识，为以后的研究生学习做了准备。

也增加了工作技能。