基于DSP的激光干涉仪数控系统接口设计.docx

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1、基于DSP的激光干涉仪数控系统接口设计 目 录摘要Abstract第1 章 绪 论11. 1 引言11. 2 国内外数控系统的发展概况11. 3 激光干涉仪的发展概况31. 4 DSP的发展概况41. 5 课题研究的意义51. 6 课题研究的内容61. 7 本章小结6第2 章 DSP芯片的选择及详细参数72. 1 DSP芯片选择的主要参数72. 1. 1 DSP芯片特点72. 1. 2 DSP芯片选型主要参数72. 1. 3所选DSP芯片详细参数82. 2 本章小结11第3 章 各个功能模块的设计123. 1 电源模块设计123.1.1 24V转5V电源模块设计123.1.2由24V转18V电

2、源模块153.1.3 24V转3.3V电源模块设计163.1.4 5V转1.8V电源模块设计183. 2 激光干涉仪信号接收模块设计203. 3 信号采集与隔离模块设计243.4 信号输出模块设计283.5开关量输入模块设计313.6开关量输出模块设计323.7 电平转换模块设计343.8 LCD12864显示模块设计363.9 DSP与各功能模块引脚373.10 本章小结39第4章 PCB电路板效果图404. 1 PCB板设计参数404. 2 元器件清单424. 3 本章小结44第5 章 总结与展望45参 考 文 献46谢辞47摘 要在数控机床的加工过程中，由于各种客观因素的存在，数控机床所

3、加工的零件会不可避免的有尺寸误差。本论文利用DSP处理这些从激光干涉仪采集来的误差信号，并将处理好的信号送入数控系统中进行误差补偿。提出这样的解决方案是一种新的探索，这个设计的自动化程度更高、成本更低、运行效率更高。另外设计的这个接口适应性较强，能够根据数控机床的不同对接口进行适量的调整。在论文中主要研究设计了如下这些内容： 1) 通过对工作环境的条件和DSP芯片选型的参数进行分析，对比DSP芯片的各种型号，选定TMS320F2802为整个设计的信号处理芯片；2) 分析加工过程中误差产生的原因，设计激光干涉仪信号接收的功能模块对数控机床上的位置、角度、直线度等误差进行采集；3) 工作环境的温度

4、和湿度会对机床的加工精度有所影响，设计一个信号的采集与隔离功能模块来采集传感器上的信号，并通过DSP对这些信号进行自动分析；4) 八路开关量输入与输出可以对外输出256个不同的信号，可通过DSP输出控制命令来实现误差的数字量式补偿；5) 每个功能模块中的供电电压有所不同，设计出了全部的功能模块需要的电压以及DSP芯片与各功能模块之间的电压转换电路。关键词：DSP 误差 温度 开关量 电压 CNC lASER INTERFEROMETER SYSTEM INTERFACE DESIGN BASED ON DSPABSTRACTThere are always size errors in the

5、 process of a CNC machining because of so many objective factors. In this paper, all the error signals are dealt by DSP, and then DSP carries out all the fixed signals to the CNC system to make an error compensation .This kind of solution is a new exploration with higher degree of automation, lower

6、cost and higher operating efficiency. Besides, this is an interface with good adaptability, it can adjust itself to adapt different CNC machine. The detail of the design is as follows:1) Analysis of the working environment and the DSP parameters, contrasted various of DSP chip and finally choose TMS

7、320F2802;2) Analyze the reason of errors, design a function module to deal with the signals from the laser Interferometer, the signals include positions、angles and Straightness;3) Design a signal acquisition function to collect signals from sensors, because the environment temperature and humidity a

8、ffect machining;4) Eight digital inputs and outputs with 256 different output signals, which is able to achieve digital compensation;5) Voltage function to appeal different function voltage needs.Key words：DSP error temperature switch voltage第1 章 绪 论1. 1 引言目前在世界范围内，数控系统种类繁多，形式各异，其组成结构及功能都有各自不同的特色。这样

9、的结构特点和功能来源于系统初始设计时的基本要求，以及硬件和软件的工程设计思路。对于不同的生产厂家来说，由于历史发展的因素，以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思路和实现功能上也是各有千秋。如今比较有代表意义的，在世界范围内使用较广泛的，具有代表性的是日本FANUC、德国SINUMERIK,另外我国也有一款自己的数控系统：华中数控系统。激光干涉仪是一种以激光的波长为已知长度，并运用迈克耳逊干涉系统来测量位移的工具，主要有单频和双频两种。利用激光干涉仪来测量数控系统在加工过程中的误差，其精度较高，处理速度较快。DSP(Digital Signal Processing) 技术是一门囊括许多学科

10、而又广泛应用于多个领域的新兴学科。自从20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术也应运而生并得到了迅速的发展。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，来处理物理信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有极为强大的实力。1. 2 国内外数控系统的发展概况数控系统一直是国内外研究的热点课题。在国际市场上，德国、美国、日本等几个欧美发达国家基本掌控了整个中高档数控系统领域。国外主要制造商有德国西门子、日本发那克、三菱电机、德国博世力士乐、日

11、本大隈等。上世纪80年代，日本的小岛辉一在高精度加工中心上成功地实现了利用微机对热变形进行补偿。而我国北京机床研究所于1985年在一台DM7732数控线割机上也实现了热变形误差补偿，效果达到了预期的70%。现在，纳米插补与控制技术已经投入实用，将“纳米插补”应用于所有的插补之后，可以实现纳米级别的高质量加工。在两年举办一届的美国芝加哥国际制造技术(机床)展览会(IM，rs 200)上，发那克公司就展出了30i，31i，32i/35iMODEL B数控系统。除了伺服控制之外，“纳米插补”也可以用于Cs轴轮廓的控制。西门子展出的828D所具有的独特80bit浮点计算精度，能够装将插补达到很高的轮廓

12、控制精度，从而获取很好的工件精度。此外，三菱的M7OOV系列数控系统也能够实现纳米级插补。随着全球学术和产业界对开放式数控系统研究的日益推进和发展，我国的相关研究也越来越受到重视。经过几十年时间的发展，我国机床行业形成了具有一定生产规模和技术水平的完整产业体系，1992年北京机床研究所为XH714立式加工中心研制了智能误差补偿模块并且实现了机床运动误差、热误差以及承载变形误差补偿，1996年美国密歇根大学的吴贤铭制造中心开发出了一款误差补偿系统，并成功地应用于一百多台类型相同及规格基本相同的车削中心。国产数控系统产业发展十分迅速，在质与量上都取得了重大飞跃。国内数控以低端数控系统市场为主。比较

13、有代表性的，武汉华中数控股份有限公司、北京航天数控系统有限公司、北京机电院高技术股份有限公司和上海电气(集团)总公司等已成功开发了五轴联动的数控系统，分别应用于数控加工中心、数控龙门铣床和数控铣床。武汉重型机床集团有限公司使用华中数控系统，成功开发了CKX5680数控七轴五联动车铣复合式加工机床。国内较有代表意义数控系统生产基地主要是华中数控、航天数控、广州数控和上海开通数控等。然而，由于我国原有的数控系统的封闭性及数控软硬件研究开发的基础较差，时间较短，技术积累较少，研发的投入力度远远不够，国产的中高档数控系统在使用性能、功能和系统可靠性等方面与国外相比仍有较大的差距，限制了我国数控系统的发

14、展。在数控系统的的未来发展方面，效率、质量是先进制造技术的关键。高速、高精加工技术能大大提高生产效率，产品质量和档次，缩短生产周期并提高市场竞争能力。为此，Et本先端技术研究会把数控制造技术列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会(CIRP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在汽车工业领域，年产3O万辆汽车的生产节拍是40s/car且多品种加工是轿车装备中必须要解决的重点问题之一；在航空以及宇航工业等领域，所要加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，使用的材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力非常小的情况下，才可以对这样的筋、壁进行加工。近年采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机

15、翼、机身等大型零件，这种方式替代了原来多个零件通过众多铆钉、螺钉和其它联结方式拼装起来的方式，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。但是这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的硬性要求。在加工精度方面，近10年来普通级别数控机床的加工精度由10m提高到了5m ，精密级加工中心的精度更高，从35 m，提高到11.5m，且超精密加工的精度已开始进入到纳米级(0.010m)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已经达到6000h以上，伺服系统的MTBF值达到了30000h以上，表现出非常高的可靠性。为实现高速、高精加工，与之配套的各种功能部件如电主轴、直线电机亦得到了快速发展，应用领域进一步扩大。

16、而轴联动加工和复合加工机床也将得到快速发展。采用5轴联动装置对三维曲面零件进行加工，可利用刀具的最佳几何形状进行切削，不仅其光洁度高，而且效率也将大幅度提高。一般，1台5轴联动的机床效率等于2台3轴联动的机床。尤其是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削和淬硬钢零件时，5轴联动加工比3轴联动加工发挥的效益更高。但在过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其成本要比3轴联动数控机床高出数倍，再加上编程技术难度较大，便制约了5轴联动机床的发展。当前，由于电主轴的出现，实现5轴联动加工的复合，主轴结构已经大为简化。制造难度以及成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小不少。因此促进了复合主轴的类型

17、，5轴联动机床和复合加工机床(含5面加工机床)的发展。另外，能化、开放式、网络化是当代数控系统发展的主流趋势。21世纪的数控装置将具有一定的智能化的系统，智能化的内容包括各个方面：为提高加工效率和加工质量的智能化；为改善驱动性能及使用连接方便的智能化；为编程和操作更简单的智能化。为了解决传统数控系统的封闭性和数控应用软件的产业化生产问题,目前许多国家对开放式数控系统进行了大量研究，如美国的NzGC (The Next Generation WorkStationMachineContro1)、欧共体的OSACA(Open System Architecture for Control with

18、in Automation Systems等。数控系统的开放化已成为数控系统发展的未来之路。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库及数控系统功能软件开发是研究的重点。网络化数控装置是近年国际机床博览会的新亮点。数控装备的网络化将极大地满足需求，也是实现新的制造模式基础单元。国内外的著名数控机床和数控系统制造公司都在近年推出了相关的新概念和样机，如日本山崎马扎克(Mazak)公司展出的智能生产控制中心，简称CPC；德国西门子(Siemens)公司展出的开放制造环境，简称OME)等。反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1. 3 激光干涉仪的发展概况激光

19、的特点是亮度高、方向性好、单色性及相干性好，随着现代技术的不断进步，激光技术已渐渐地被人们所使用。随着激光干涉测量技术日渐成熟，激光的应用领域几乎涉及到当今科技的各个方面。尤其是在激光加工、激光测量、军事等领域的应用，优势明显，潜力巨大。激光器的出现，将古老的干涉技术迅速发展。激光干涉仪的工作原理是以激光波长为已知长度，利用迈克耳逊干涉系统来测量位移。激光干涉仪有单频的和双频的两种，单频的是在20世纪60年代中期出现的，刚开始主要用于检定基准线纹尺，后来又应用在计量室中的精密测长。双频激光干涉仪发明后，彻底使得激光干涉仪摆脱了计量室的束缚，应用到工业生产和科学研究中1。双频激光干涉仪是上世纪七

20、十年代初由美国HP公司推出的，至八十年代中期的十几年时间内几乎垄断整个世界市场。双频激光干涉仪利用外差干涉测量原理，解决了普通单频干涉仪测量信号的直流漂移问题，其信号噪声更小、抗环境干扰、允许光源的多通道复用等优点，使干涉测长技术能真正用于生产。可应用在精密机床、大规模集成电路加工设备的在线在位测量、误差修正及控制。双频激光干涉仪是当今精度最高、量程最大的长度计量器，可在恒温，恒湿，防震的计量室内检测量块、量杆、刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内标定大型机床的刻度，既能够对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等的微小运动进行精密测量，既可以对几何量进行测量，也可以用于特殊场合。双频

21、激光干涉仪以其优良的性能、在很多场合，特别是大长度和大位移的精密测量中得到了广泛应用。八十年代后期，一些先进工业国家也陆续推出了不同的双频激光干涉仪器，进而在国际市场出现了群芳争艳的格局。目前国外生产激光干涉仪的公司主要有美国的Agilent (前身为HP) 、ZYGO、光动、德国的耶拿尔（JENAer）、英国的Renishaw 等公司2。我国从七十年代中期开始研制双频激光干涉仪，至今已有几十年历史。当时由于国内HeNe激光器的生产技术尚未成熟，全内腔稳频激光器也找不到生产厂家，所以都从开发激光器着手，并在七十年代后期相继研制出双频激光干涉仪。但因为激光器工艺不过关，激光器使用寿命短，影响了仪

22、器的推广使用。八十年代中后期，热稳频技术日趋成熟，可利用普通高寿命激光器作为干涉仪的光源，解决了激光器寿命短的问题。目前我国的双频激光干涉仪主要生产厂家是成都工具研究所有限公司，该公司研制的MJS系列激光干涉仪产品采用了进口激光器和热稳频技术，根据纵向塞曼效应来产生激光束。功能基本与HP5528A相似，同时根据国内实际使用情况，增加了一些控制和检测功能等。1. 4 DSP的发展概况1982年世界上出现了首枚DSP芯片，这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，当时运算速度比MPU快几十倍，在语音合成及编码解码器中得到了广泛应用。80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工

23、艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都相对一代成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的硬件基础。80年代后期，出现第三代DSP芯片，运算速度进一步提高，应用范围扩大到通信、计算机领域。90年代DSP发展最快，更新到第五代DSP器件，现在的DSP就属于第五代产品，它与四代相比，系统集成度更高，将DSP芯片核心及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片已经逐渐渗透到人们日常消费领域。经过20多年的发展，DSP产品的应用已经扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素10。根据美国的权威资讯公司统计中得知，目前可编程DSP在市场上的使用情况比

24、例如下：通信占56.1%；计算机占21.16%；消费电子产品和自动控制占10.69%；军事/航空占4.59%；仪器仪表制造占3.5%；工业控制占3.31%；办公自动化占0.65%。这些数据直观地说明了DSP应用的广泛性和今后的发展趋势。TI是全球最知名的DSP芯片生产厂商，其产品功能最齐全，应用最广泛，TI生产的TMS320系列DSP芯片应用于各个领域。目前，TI在市场上主要有三大系列产品：1) 针对数字控制、运动控制的TMS320C2000系列DSP芯片，主要包括TMS320C24x/F24x、TMS320LC240x/LF240x、TMS320C24xA/LF240xA、TMS320C28

25、xx等。2) 针对低功耗、手持设备、无线终端应用的TMS320C5000系列，主要包括TMS320C54x、TMS320C54xx、TMS320C55x等。3) 针对高性能、多功能、复杂应用领域的TMS320C6000系列，主要包括TMS320C62xx、TMS320C64xx、TMS320C67xx等。ADI公司在DSP芯片市场上也占有一定的市场份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片，ADI定点DSP芯片有ADSP2101/2103/2105、ADSP2111/2115、ADSP2126/2162/2164、ADSP2127/2181 、ADSP-BF532以及Blackfin系列，

26、ADI浮点DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062。Motorola 公司推出DSP芯片的时间比较晚。Motorola有定点DSP芯片处理器MC56001；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。1. 5 课题研究的意义本课题利用DSP（Digital Signal Processing）数字信号处理系统作为整个设计系统的硬件开发板，激光干涉仪作为数控机床加工误差采集工具，温度传感器和湿度传感器作为数控机床工作环境影响因素采集工具，对数控加工过程中的误

27、差参数进行采集，并通过DSP开发板对加工过程中产生的误差进行自动补偿。本课题的设计着力于研究在数控加工过程中，对所加工工件进行实时在线误差采集与补偿，可提高在数控加工过程中的误差精度，由于主要利用电路元件和软件进行误差测量和补偿，在成本方面，相较于传统的机械式误差补偿方法，价格优势更明显，同时可缩短制造周期，提高数控加工的生产效率，优点显著。1. 6 课题研究的内容本课题中所有设计的目的是实现信号的采集和输出，主要设计的电路模块将围绕这些功能来展开，故所研究内容大致分为如下三个方面：1) DSP芯片的选型。目前市场上DSP芯片有很多，所能实现的功能也各有所不同，但是主要的功能都有相似性，所以D

28、SP芯片的选择主要考虑性价比和处理速度。2) 信号采集模块的设计。为增强电路板的通用性，信号采集模块必须使用工业标准的420mA电流信号或者010V电压信号，故在设计当中要加入信号转换电路和一些防干扰的电容与电感。3) 信号输出模块的设计。信号输出分为模拟量和开关量的输出，同样要求使用工业标准的420mA电流信号或者010V电压信号。通过信号采集模块将温度传感器、湿度传感器以及激光干涉仪送进来的信号进行处理与整合，使其变成标准的便于识别的信号，再将这些信号送入DSP数字信号处理系统中进行数据处理，通过DSP的运算和判断，向信号输出模块中送入这些信号，最终由信号输出模块将信号送出到数控系统中，并

29、由数控系统根据接收到的信号进行相应的动作，以达到误差补偿的目的。1. 7 本章小结本章通过对课题的大致介绍，讲述了数控系统在国内外的发展情况，应用前景和市场需求，激光干涉仪和DSP的发展历史和它们广阔的应用范围。并阐述了所研究的课题对数控系统的主要作用，分析了在整个电路中可能会出现的问题，通过模块化的设计，分别达到预期的功能，并提出如何解决可能出现的问题的方案，对各个功能模块的设计理由做出了简要分析，确定出了设计的主要方向和要求。第2 章 DSP芯片的选择及详细参数2. 1 DSP芯片选择的主要参数在设计电路时，通常对DSP芯片的选择都有不同的要求，根据具体工作环境的不同，要参考不同的数据。2

30、. 1. 1 DSP芯片特点DSP芯片适合对数字信号进行处理，包括将模拟信号转换为0或1的数字信号，对数字信号进行删除、修改、强化等。一般来讲，DSP芯片主要有以下特点：1) 在一个指令周期（20ns以下）内可完成一次乘法运算和一次加法运算；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) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；6) 可以并行执行多个操作； 7) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。2. 1. 2 DSP芯片选型主要参数前面说过选择DSP要

31、根据使用工作环境的不同确定不同的参数，下面列举常用的需要考虑的DSP参数：1) MIPS(Million of Instructions Per Second)，即百万条指令/秒；2) MOPS(Million of Operations Per Second)，即百万次操作/秒；3) MFLOPS（Million Floating Point Operations Per Second），百万次浮点操作/秒；4) MBPS(Million Bit Per Second)，百万比特/秒；5) MACS（Multiply-Accumulates Per Second），即乘法累加/秒；6) 指令

32、周期，即执行一条指令所需的时间，通常以ns（纳秒）为单位；7) MAC时间，执行一次乘法和加法运算所需要花费的时间；8) FFT/FIR执行时间，执行一个N点FFT或N点FIR程序所需要耗费的时间；9) 运算精度： 一般情况下，浮点DSP芯片的运算精度定点DSP芯片的运算精度要高，但是其功耗和价格也随之上升；10) 字长的选择：一般情况下浮点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；11) 存储器等片内硬件的资源安排：包括存储器的大小，片内存储器的数量，总线寻址空间等；12) 开发和调试工具：完善、方便的开发工具以及相关的支持软件是开发大型、复杂DSP系统的必备条件，可

33、以有效缩短产品开发周期3。2. 1. 3所选DSP芯片详细参数图2- 1 TMS320F2802引脚分布4详图见附表1本课题所选DSP芯片为TI公司生产的TMS320F2802,TMS320F2802是TMS320C28x系列中的一款芯片，该系列芯片具有高集成度，并能为所需求的控制领域提供高性能解决方案。图2-1为TMS320F2802芯片引脚分布图，在TMS320F2802中，一共有100个引脚，其中包括中断、片内RAM、AD转换等一系列控制与数据引脚。对于DSP芯片的开发板，没有必要将所有的引脚都用到，只需关心开发板上可以作为二次开发的引脚及其端口，下面将列表说明在设计中用到的相关引脚及其

34、功能，如表2-1所示。表2- 1 DSP引脚功能说明5名称引脚号说明PZ 封装GGM/ ZGM封装GPIO047K8通用输入输出0（I/O/Z）,与LCD相接GPIO144K7通用输入输出1（I/O/Z）,与LCD相接GPIO245J7通用输入输出2（I/O/Z）,与LCD相接GPIO348J8通用输入输出3（I/O/Z）,与LCD相接GPIO451J9通用输入输出4（I/O/Z）,与LCD相接GPIO553H9通用输入输出5（I/O/Z）,与LCD相接GPIO656G9通用输入输出6（I/O/Z）,与LCD相接GPIO758G8通用输入输出7（I/O/Z）,与LCD相接GPIO860F9通用

35、输入输出8（I/O/Z）,与LCD相接GPIO961F8通用输入输出9（I/O/Z）,与LCD相接GPIO1064E10通用输入输出10（I/O/Z）,与LCD相接GPIO1170D9通用输入输出11（I/O/Z）,与LCD相接GPIO121B2通用输入输出12（I/O/Z），接开关量输出GPIO1395B4通用输入输出13（I/O/Z），接开关量输入GPIO148D3通用输入输出14（I/O/Z），接开关量输出GPIO159E1通用输入输出15（I/O/Z），接开关量输入GPIO1650K10通用输入输出16（I/O/Z），接开关量输出GPIO1752J10通用输入输出17（I/O/Z），接

36、开关量输入GPIO1854H8通用输入输出18（I/O/Z），接开关量输出GPIO1957G10通用输入输出19（I/O/Z），接开关量输入GPIO2063F6通用输入输出20（I/O/Z），接开关量输出GPIO2167E7通用输入输出21（I/O/Z），接开关量输入GPIO2271D8通用输入输出22（I/O/Z），接开关量输出GPIO2372C10通用输入输出23（I/O/Z），接开关量输入GPIO2483C7通用输入输出24（I/O/Z），接开关量输出GPIO2591C5通用输入输出25（I/O/Z），接开关量输出GPIO2699A2通用输入输出26（I/O/Z），接开关量输入GPIO2

37、779C8通用输入输出27（I/O/Z），接开关量输入GPIO2892D5通用输入输出28（I/O/Z），接信号输出回路GPIO294C3通用输入输出29（I/O/Z），接信号输出回路GPIO306D2通用输入输出30（I/O/Z），接信号输出回路GPIO3171D1通用输入输出31（I/O/Z）GPIO32100A1通用输入输出32（I/O/Z），接信号采集回路GPIO335C1通用输入输出33（I/O/Z），接信号输出回路在表2-1中，列表说明了DSP芯片与电路设计中的各个模块之间引脚连接方式，另外，由于DSP芯片引脚所能承受的最高电压是4.6V（详细的绝对最大额定值可参考TI公司数据手册

38、TMS320F2802 Datasheet），通常是设定引脚电压高电平为3.3V，低电平为0V，而在设计中所用到的很多其它芯片供电电压都是+5V，其引脚输出的高电平电压也是+5V，不能将这样的高电压直接输入DSP芯片中，否则DSP将烧毁,由DSP芯片输出的3.3V高电平电压也不能直接用于输入到功能模块中表示高电平（对于外设芯片来说，3.3V即不是高电平也不是低电平，系统无法判断是什么命令），所以在TMS320F2802与各个功能模块之间应该再设计一个高电平的电压转换芯片，当功能模块要向TMS320F2802输入高电平时，将5V电压转换为3V电压，当DSP向功能模块输入高电平时，将3.3V电压转

39、换为5V电压，这样DSP和各个功能模块都可以识别高电平命令。图2- 3 DSP焊盘实物图图2- 2 TMS320F2802尺寸了解完TMS320F2802的引脚功能和电气特性之后，还需要知道DSP芯片的物理尺寸，这样才可以利用Altium-Designer将芯片的PCB焊盘画出来。如图2-2中所示。DSP芯片引脚的宽度是0.27mil，引脚中心与引脚中心之间的宽度为0.5mil，在DSP的四个边上各有25条引脚，每边的引脚总距离是12.00mil，DSP边长是13.80mil到14.20mil，图中还可计算出每个引脚的长度，芯片加引脚的总长度是15.80mil16.20mil，用这个数据减去芯

40、片边长，就可以得到芯片引脚的长度。由这些数据就可以在电路板上制作出焊盘，要注意在设计焊盘时，焊盘的焊接宽度要比引脚宽度适当大些，以免造成焊盘与引脚接触不良，图2-3是在电路PCB板上制作出的TMS320F2802焊盘。2. 2 本章小结TMS320F2802是一款功能强大的DSP芯片，共有100个引脚，分为多个功能模块，将许多功能都集成在了一块小小的芯片上，这一章主要向读者介绍了DSP芯片选择时所要考虑的参数，如何选择适合的DSP芯片、TMS320F2802的电气和机械参数等。具体如下：1) 选择DSP要考虑的参数。包括MIPS、MOPS、MFLOPS、MBPS、MACS、运算精度、成本等等；

41、2) 所选DSP芯片的引脚功能和在电路当中连接的功能模块，因为在设计当中用到的引脚只是TMS320F2802芯片中一部分可与外部连接的二次开发引脚，故没有将所有引脚和功能全部列出，读者如果想知道所有引脚和其功能，可以参照TI公司TMS320F2802的相关资料手册；3) TMS320F2802的电气和机械参数。芯片的电气参数是在设计中应该遵循的规则，所有的外围元件设计都必须满足DSP芯片的工作条件，如果外围元件工作条件与DSP芯片有矛盾，可以增设一个电压转换芯片，以达到符合要求的目的，芯片的机械参数指的是DSP的外形尺寸，以mil为单位（具体可以查DSP的芯片手册），这些参数主要是为了能够利用

42、Altium-Designer在电路板上制作出芯片的焊盘。第3 章 各个功能模块的设计3. 1 电源模块设计3.1.1 24V转5V电源模块设计工业电路的应用中，工程师所设计的电路大多需要将外设电源的电压经过转换才能使用，本课题中所用到的芯片供电电压和输入输出电压值也较低，一般为5V或者3.3V，基于些，需要设计几个电压转换模块，将外设电源的电压值转换为设计需要的电压值，以供电路使用。本设计中使用的芯片选择美国国家半导体公司（National Semiconductor）所生产的LM2596S，该芯片可实现24V电压转换为5V电压的功能。其工作温度范围宽，输出电压误差小，可以满足设计需要。1)

43、 LM2596 LM2596外部共有5个引脚，只需外接4个元器件便可实现电压转换的功能，设计简单，表3-1是该芯片的引脚功能介绍，有一个电源输入引脚，一个电源输出引脚，一个地脚，一个反馈端引脚，用来反馈输出电压的大小，从而达到调节输出的目的，一个开关引脚，当该引脚打开时LM2596才会工作，详细的引脚功能说明在表中列出。表3- 1 LM2596引脚功能管脚序号符 号描 述1+VINH2596 的正电源输入端，这个管脚必须加一个适当的旁路电容，电容的作用是减小暂态电压，同时为 H2596 提供开关电流。2Output内部开关管输出端，该管脚上的电压可在(+VINVSAT)和-0.5V（大约）间转

44、换。为了减小耦合，PCB 上连接到该脚上的铜线区域要尽量小。3GND接地端，在设计时可直接接在电路板上的铜地。4Feedback该管脚把输出端的电压反馈到闭环反馈回路。5ON/OFF该管脚的电压下拉到低于大约 1.3V 时，H2596 就被打开；而上拉到高于 1.3V（最大到 25V）时，H2596 就被关断。如果不使用该功能，可以把该管脚接地或开路，在任何一种情况下，H2596都处于打开的状态。另外，在LM2596的芯片手册中，可以查到芯片的电气特性参数和绝对最大额定值，当测试芯片的条件为输入电压7VVIN40V，负载电流0.2AILOAD3A的时候，输出电压VOUT的范围是+4.75VVO

45、UT+5.25V，如果需要将VOUT的误差减小，就需要在芯片外围加上一些电感和电容，并将输出反馈给芯片，这就是为什么要外接四个电器元件的原因。图3- 1 LM2596引脚尺寸说明在对这个电源模块进行参数设计之前，首先要介绍一下LM2596的物理尺寸，这样更方便于在电路设计软件中去画出芯片的PCB焊盘。如图3-1中所示，由于LM2596是单列直插式芯片，所以在电路板上只需要关心芯片五个引脚的尺寸和相对位置关系，LM2596的引脚宽度是(0.0350.005mil)，可以在焊盘上设置焊点的直径为0.040mil，两引脚之间的中心距离是(0.0670.005mil)，那么焊点间距就是0.067mil

46、。2) 24V转5V电路详细设计参数通过LM2596手册中的样例，可以得知，手册中已经给出了参考的电压转换电路样例。图3-2为手册中查到的参考电压转换设计电路，图3- 2 LM2596S电路设计原理图（5V输出）给出参考电路后，可以根据设计要求更改电路中各元器件参数值。下面给出详细设计步骤。首先来看设计电路中的条件：要求的输出电压为VOUT=+5V，而外设电源提供的最大输入电压是VINMAX=+24V，电路中的最大负载电流是ILOAD=3A。这些是在设计中已知的条件。其次电路的设计步骤，分为电感L1的选择、输出电容COUT参数的确定、吸纳二极管D1的选择和输入电容CIN的选择四个步骤。对于电感

47、L16，由图3-3可知，电感L1的大小与最大负载电流ILOAD、最大输入电压VIN（max）呈线性关系，由最大输入电压线和最大负载电流线交叉区域可以确定电感的值为47H，代号为L39。所需电感值为47H，这样可以从手册中给出的电感选择列表确定合适的电感，其型号为肖特其直插式67144210。输出电容COUT的大小也可以查手册得出其大小，输出电容可以选择直插式电解电容，也可以选择表贴式钽电容，由于之前选定的电感是47H，且输出电压为5V 时，输出电容的耐压值至少应该为7.5V或者更高。但是就算是在低等效电阻下和开关级，一个220F/10V的铝电解电容也会产生大约225的等效阻抗，如此大的一个等效电阻势必会在输出端口产生相对较高的输出纹波电压。而要把纹波电压降到输出电压的1%或者更低，就需选择一个耐压值（低等效电阻的）更高或容值更高的电容。如果选择一个16V或25V的电容，那么就几乎可以把纹波电压降到原来的一半。如果选择使用钽电容，则确定的耐压值要达到输入电压的2倍，所以在这里