2.5硬件和軟件功能的分配和協(xié)調

2.5.1硬件功能的分配

（1）控制模塊：該模塊由TMSF2812來實現(xiàn)，通過計算機接收用戶的指令，生成所需的電壓電流信號，驅動信號板上的開關元件，并根據(jù)信號板反饋回來的電壓電流信號，實時的調整輸出信號；

（2）信號板模塊：該模塊由傳統(tǒng)的電子負載的驅動放大電路組成，根據(jù)DSP輸出的控制信號，調整放大控制電壓信號，輸出到電源板，實時的改變MOSFET基極電壓的大小。

（3）電源板模塊：該模塊是MOSFET組成的可調功率級電路，根據(jù)信號板輸出到MOS管的負載電壓的大小，精確的調整相應的負載電流；

下圖為數(shù)字電子負載的簡單框圖：

直流電子負載系統(tǒng)由軟、硬件共同組成。需要綜合考慮測試設備工作速度、開發(fā)成本和可靠性等因素，合理地分配硬件和軟件資源，使開發(fā)出的系統(tǒng)軟硬件上具有升級的可能。

2.5.2控制軟件設計

電子負載系統(tǒng)的控制程序，包括以下部分：

（1）通信程序，包括工作模式、高低檔位按鍵選擇輸入程序，實時處理數(shù)據(jù)反饋回電腦串行通訊程序，128*64點陣液晶顯示輸出程序等。

（2）數(shù)據(jù)采集和處理程序，主要是AD轉換程序，電壓電流采集程序。

（3）各種算法程序，這是電子負載系統(tǒng)的核心部分，調用不同的PID控制算法來實現(xiàn)控制電壓輸出值的實時調節(jié)和高精度的要求。

上述設計步驟如圖2.15所示。

第3章電子負載硬件系統(tǒng)設計

3.1控制電路設計

3.1.1核心處理器

電子負載系統(tǒng)的核心控制器選用了德州TI公司DSP控制器2000系列里的TMS320LF2812.TMS320LF2812是179引腳的球形網(wǎng)格封裝和176腳低剖面西線芯扁平封裝，所有引腳電平與TTL電平兼容，引腳的輸出均為3.3V的CMOS電平，最大輸入承受電壓為5V。

TMS320LF2812的CPU是低功耗的32位定點處理器，基于改進哈佛結構并且具有精簡指令集，片上自帶閃存、處理速度高達150MIPS.其主要外設特點為：

（1）16個輸入通道的12位模數(shù)轉換器，可配置成兩個獨立的8通道，能以12.5MSPS的速率進行雙信道轉換，雙采樣保持功能為模擬控制回路的完成提供了關鍵支持。

（2）高效的代碼C/C++和匯編語言，獨特的“IQmath”程序庫，專用程序包實現(xiàn)精確的浮點運算，與TMS320C24XTM系列代碼兼容。

（3）串行外設接口SPI，兩個串行通訊接口SCI，為主機、測試設備和其它部件提供了方便的通訊接口，增強型CAN總線為多種工業(yè)、汽車應用提供了控制區(qū)域網(wǎng)絡的無縫接口。

（4）可達56個獨立的可編程的多路通用輸入、輸出（GPIO）引腳。

（5） TMS320LF2812提供了一個外部存儲器接口（XINTF），其尋址地址可達到1兆字節(jié)。

（6）兩個事件管理器包括靈活的脈寬調制生成器，每個事件管理器模塊包括定時器、比較器、捕捉單元、PWM邏輯電路、正交編碼電路和中斷邏輯電路。

表3.1所示為電子負載系統(tǒng)中TMS320LF2812的I/O口的分配連接情況。

3.1.2液晶顯示模塊

顯示模塊作為一種直觀的輸出設備，是設計中必不可少的模塊，在電子負載系統(tǒng)中，其功能主要是顯示所處的測試模式，當前檔位，設定的測試值。液晶模塊可以通過總線控制，也可以通過GPIO口控制。F2812中有眾多的GPIO口，所以在模塊設計時需要通過GPIO口來控制液晶模塊。設計中采用的液晶是是長沙太陽人公司生產(chǎn)的128x64點陣SMG12864ZK LCD模塊，內部含有8000多個GB2312簡體中文字庫，采用8位數(shù)據(jù)并行或者串行連接方式。

SMG12864ZK共有20個引腳，其中包括數(shù)據(jù)線8根，指令數(shù)據(jù)選擇引腳（RS）、讀寫選擇引腳（RW）、使能引腳（e），其余為電源線和地線等。需要注意的是SMG12864ZK為5V供電，但DSP的I/O引腳的輸出電壓為3.3V，所以在輸出到液晶之前需要經(jīng)過3.3V到5V的電壓轉換芯片，采用74LVX3245電壓轉換芯片。其引腳說明如表3.2所示：

DSP與液晶模塊的具體電氣連接是GPIOB0引腳控制液晶模塊的指令數(shù)據(jù)選擇引腳（RS），GPIOB11引腳控制液晶模塊的讀寫選擇引腳（RW），GPIOB12控制液晶模塊的使能引腳（e），GPIOB3—GPIOB10引腳分別控制液晶顯示模塊的8位數(shù)據(jù)線DB0—DB7.

3.1.3鍵盤模塊

在電子負載控制系統(tǒng)中，鍵盤掃描是CPU工作任務之一，鍵盤的工作時既要保證及時響應按鍵的操作，又不過多占用CPU的工作時間。在電子負載系統(tǒng)運行時，并不需要按鍵輸入，為了了提高CPU工作效率，加快操作速度，采用中斷掃描電路，在鍵盤有按鍵按下時，才執(zhí)行鍵盤掃描，執(zhí)行該鍵的功能程序，把每個按鍵和DSP的IO口相連，每個獨立式的按鍵占有一個IO口，每個IO口線上按鍵的工作狀態(tài)不會影響其他IO口。這種連接方式相當于把按鍵當作RAM的某一工作單元，通過讀片外RAM的方法，識別按鍵的工作狀態(tài)。

電子負載系統(tǒng)中按鍵實現(xiàn)的功能有：

（1）啟動/停止：按下按鍵1時，進入運行狀態(tài)，載入初始數(shù)據(jù)并進行按鍵查詢，執(zhí)行負載電流調節(jié)、A/D采集、顯示和實時數(shù)據(jù)反饋。再次按下按鍵后，測試數(shù)據(jù)保存后停機。

（2）工作方式切換：按鍵1對應恒流工作方式，按鍵2對應恒壓工作方式，按鍵3對應恒阻工作方式。

設計中共需4個按鍵，按鍵較少，因此采用了獨立式鍵盤接口方式和中斷掃描方式來實現(xiàn)按鍵的功能。

電流和電壓值的調節(jié)由旋鈕式電位器來實現(xiàn)，3.3V電壓由DSP擴展IO口提供。

3.1.4通信電路

電子負載和上位機傳遞信息采用RS232雙工通訊方式，采用MAXIM公司的MAX3232接口芯片設計中采用9腳的COM1接口，用標準的串口連線連接PC機的COM1口和DSP板上COM1口。DSP內置SCI通信模塊，是采用雙線制通訊的異步傳行接口，設計中用于電子負載狀態(tài)查詢和上傳運行信息。DSP與232的接口設計：DSP的串口引腳GPIOF4和GPIOF5分別連接MAX3232的TIIN和R1OUT引腳，進行串行數(shù)據(jù)交換，如下圖3.1所示。

SCI模塊的接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每一個都有自己單獨的使能和中斷標志位。SCI使用奇偶校驗、幀出錯監(jiān)測確保數(shù)據(jù)的準確傳輸。在2812的150MHZ時鐘下，外設低速時鐘75MHZ，SCI異步的波特率為：

LSPCLK/（SCIBRR+1）=75MHZ/（12+1）=57600b/s.

3.1.5 SPI接口的DA模塊

由于DSP不能輸出模擬信號，電子負載功率板上的控制信號又是連續(xù)變化電壓信號，只能在擴展板加上DA轉換器，把DSP輸出控制數(shù)字量轉換成模擬信號，解決控制電壓信號的問題。SPI是一個高速的同步串行輸入、輸出串行外設接口，可以實現(xiàn)DSP處理器和外部外設之間的通信。在電子負載電路設計中選用的是Ti公司的TLV5617A模數(shù)轉換器，它是三線串行雙通道10位電壓輸出的DAC，能與TMS320LF2812的串行接口完全兼容。它含有4個控制位和10個數(shù)據(jù)位可對16位的字符串進行編程。DAC的結構框圖如圖3.2所示。

DIN為輸入數(shù)據(jù)，CS為片選信號，REF模擬參考電壓為3.3V，由DSP提供。SCLK為SPI輸入時鐘，SPI通信的波特率

=LSPCLK/（SPIBRR+1）=75MHZ/（124+1）=600KHZ.

在設計的電子負載中，控制的MOSFET管門極的是DAC的OUA的輸出電壓信號。

上表3.3是DAC的寄存器設置表，其中2～11位時DAC接受的SPI的10位數(shù)據(jù)，14位設置為1選擇DAC的2.5微妙快速方式，12和15設置位（1，0）為寫數(shù)據(jù)到DACA和緩沖。由于TLV5617A的控制信號要求較高，需要將DSP輸出的時鐘和片選信號用74HC08與門電路抬高為高電平。

3.1.6數(shù)據(jù)保存EEPROM模塊

電子負載系統(tǒng)測試時，經(jīng)常需要現(xiàn)場改變參數(shù)或設置，并在調試完畢后將參數(shù)保存，這就用到電可擦寫的EEPROM.數(shù)據(jù)保存單元采用串行接口4KB的EEPROM X5043，由于DSP采用串行外設接口SPI與DA連接，用DSP通用外設接口（GPIOF8～GPIOF11）與X5043連接，通過對四個引腳的軟件配置來實現(xiàn)對X5043的數(shù)據(jù)的讀寫。X5043選用3.3V封裝，它將監(jiān)控功能（上電復位，看門狗時鐘，電源電壓監(jiān)視）集成在一個芯片上，可以讀寫100萬次，數(shù)據(jù)保存100年。DSP與X5043硬件接口電路如下圖3.2所示。

X5043的WP引腳接高電平，處于可寫入狀態(tài)，DSP通過IOF8在串行時鐘，在下降沿時向X5043輸出數(shù)據(jù)，并在串行時鐘的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，通過IOF9向EEPROM輸入時鐘信號，IOF11為片選信號，輸出為高電平，向低電平跳變時選通X5043.