張 理

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南新鄉(xiāng))

DSP芯片TMS320LF2407在數(shù)控測(cè)井儀中的應(yīng)用

張 理

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南新鄉(xiāng))

文章介紹了DSP芯片TMS320LF207在測(cè)井儀中的應(yīng)用,其中包括TMS320LF2407結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部資源、基于TMS320LF2407的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)制作、軟件的開(kāi)發(fā),并介紹了一些實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)。

DSP;數(shù)控測(cè)井儀;TMS320LF2407;雙端口RAM

0 引 言

在油田傳統(tǒng)測(cè)井項(xiàng)目中,單一項(xiàng)目測(cè)井或小組合項(xiàng)目測(cè)井較多,系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)量小,對(duì)數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性要求不高,單片機(jī)所具備的各種功能足以滿足對(duì)其數(shù)據(jù)的處理。所以傳統(tǒng)地面數(shù)控測(cè)井儀普遍采用單片機(jī)對(duì)井下上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并獲極大成功。隨著測(cè)井技術(shù)的發(fā)展,特殊項(xiàng)目測(cè)井和大組合項(xiàng)目測(cè)井日益增多,系統(tǒng)控制復(fù)雜,測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)量急劇加大,對(duì)數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性要求很高。由于單片機(jī)自身資源的局限性,已難以滿足要求。采用一種高速的,功能更強(qiáng)大,資源更豐富的處理芯片勢(shì)在必行。DSP芯片由于其高速的運(yùn)算能力,靈活的控制能力,豐富的資源功能而成為理想的選擇。本設(shè)計(jì)采用TI公司的TMS320系列中的TMS320LF2407。他具有靈活的指令集、內(nèi)部操作靈活性、高速的運(yùn)算能力、改進(jìn)的并行結(jié)構(gòu)、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

1 TMS320LF2407的結(jié)構(gòu)及芯片介紹[1]

TMS320LF2407是TI公司推出的定點(diǎn)DSP處理器,是一款性價(jià)比較高的芯片,具有以下特點(diǎn):

(1)采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),使得供電電壓降為3.3 V,降低了功耗;40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期可達(dá)25 ns,提高了實(shí)時(shí)控制和處理能力。

(2)片內(nèi)有高達(dá)32K的FLASH程序存儲(chǔ)器,1.5K的數(shù)據(jù)/程序RAM,544字雙口RAM(DARAM)和2K的單口RAM(SARAM)。

(3)兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB,每個(gè)包括兩個(gè) 16位通用定時(shí)器;8個(gè) 16位脈沖寬度調(diào)制(PWM)通道;3個(gè)捕獲單元;光電編碼器接口電路;16通道A/D轉(zhuǎn)換器。

(4)可以分別擴(kuò)展64K外部程序存儲(chǔ)器;64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;64KI/O尋址空間。

(5)看門(mén)狗定時(shí)器模塊(WDT)。

(6)10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500 ns,可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或者一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。

(7)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B模塊。

(8)串行通訊接口(SCI)模塊。

(9)16位的串行外設(shè)(SPI)接口模塊。

(10)基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。

(11)高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。

(12)5個(gè)外部中斷(兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù),復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷)。

(13)電源管理包括3種低功耗模式,能獨(dú)立的將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。

2 硬件設(shè)計(jì)

在測(cè)井項(xiàng)目中,地面數(shù)控測(cè)井儀所要處理的信號(hào)大致可分為:模擬信號(hào),普通脈沖信號(hào),脈沖編碼調(diào)制(PCM)信號(hào),深度脈沖信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中,模擬信號(hào)通道除各種測(cè)井項(xiàng)目必測(cè)的張力、記號(hào)通道外,另外共有四路模擬通道,總共6道模擬通道。對(duì)應(yīng)于TMS320LF2407的16道A/D轉(zhuǎn)換通道中的任意六道。由于普通脈沖信號(hào)和脈沖編碼調(diào)制(PCM)信號(hào)在處理上基本相同,故二者的預(yù)處理電路可以復(fù)用,不再設(shè)單獨(dú)的PCM處理通道,這里共設(shè)有四路普通脈沖通道,進(jìn)入TMS320LF2407的六路捕獲單元中的四路。深度脈沖信號(hào)正好進(jìn)入事件管理模塊的正交編碼脈沖電路(QEP)處理。利用TMS320LF2407的串行通信接口模塊來(lái)和絞車(chē)面板以及其他的 UART外設(shè)通信。TMS320LF2407和主機(jī)之間的通訊采用雙口RAM方式,整個(gè)硬件設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示[2]。

圖1 硬件設(shè)計(jì)原理框圖

這里著重介紹捕獲單元,QEP電路,SCI接口模塊在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2.1 捕獲單元

捕獲顧名思義是指記錄在TMS320LF2407的捕獲引腳上出現(xiàn)跳變時(shí)的信息,也就是發(fā)生跳變時(shí)的時(shí)間。并且相應(yīng)的中斷標(biāo)志位被置位,如果該中斷標(biāo)志沒(méi)有被屏蔽,則外設(shè)中斷將產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。跳變的檢測(cè)方式用戶自己定義(上升沿,下降沿,或者上升沿下降沿)。

利用這個(gè)特點(diǎn)我們用捕獲單元來(lái)對(duì)普通脈沖進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù),譬如GR信號(hào)。當(dāng)GR脈沖到來(lái)時(shí),就產(chǎn)生一個(gè)外設(shè)中斷,中斷程序里對(duì)GR脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),每來(lái)一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)值就加一(注意:退出中斷前一定要清除中斷標(biāo)志,否則下次將不再進(jìn)中斷)。這樣就可以在深度采樣點(diǎn)時(shí)向主機(jī)傳送計(jì)數(shù)值,主機(jī)根據(jù)兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間差和計(jì)數(shù)差算出計(jì)數(shù)率(也可以在DSP片內(nèi)直接算出計(jì)數(shù)率傳送給主機(jī),本設(shè)計(jì)即采用此方法,并加了五點(diǎn)平均濾波)。

在對(duì)PCM或WTC信號(hào)進(jìn)行軟件解碼時(shí),我們可以利用捕獲單元能記錄發(fā)生跳變時(shí)的時(shí)間這一特點(diǎn)[3]。譬如對(duì)PCM(3506)信號(hào),使用雙極性歸零碼,傳輸率為8 Kb/S,每位碼元所占時(shí)間是1/8 000=125 μs,根據(jù)雙極性歸零碼的特點(diǎn),“0”為零電平,“1”為交替的正負(fù)脈沖,我們的解碼過(guò)程是:經(jīng)過(guò)預(yù)處理的PCM(3506)信號(hào)由雙極性歸零碼變?yōu)閱螛O性歸零碼進(jìn)入捕獲單元,第一次發(fā)生跳變時(shí),當(dāng)前時(shí)間 t1被記錄下來(lái),第二次發(fā)生跳變時(shí),當(dāng)前時(shí)間t2也被記錄下來(lái);如果時(shí)間差Δt(Δt=t2-t1)等于125μs,那么數(shù)據(jù)為“1,1”,如果Δt等于兩個(gè)125 us,數(shù)據(jù)為“1,0,1”,以此類(lèi)推,就可以進(jìn)行解碼。當(dāng)然要注意由于電纜傳輸?shù)挠绊?引起信號(hào)畸變,在判定時(shí)間間隔時(shí)要留有一定的余量。

2.2 QEP電路

正交編碼脈沖是兩個(gè)頻率變化且正交(即相位相差90°)的脈沖,而深度脈沖信號(hào)即是正交編碼脈沖,故可以用QEP電路來(lái)處理深度脈沖信號(hào)。深度方向可以通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)脈沖序列中的哪一列先到來(lái)確定。DSP內(nèi)部是通過(guò)查詢深度脈沖計(jì)數(shù)器的狀態(tài)來(lái)確定(在通用定時(shí)器控制寄存器內(nèi)有專(zhuān)門(mén)的位供查詢),增計(jì)數(shù)為下放,減計(jì)數(shù)為上提。深度的數(shù)值可以通過(guò)對(duì)深度脈沖的計(jì)數(shù)以及每米脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算。

由于兩列正交輸入脈沖兩個(gè)邊沿都被正交編碼電路計(jì)數(shù),因此,產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率是每個(gè)輸入序列的4倍,并且這個(gè)時(shí)鐘是我們實(shí)際的計(jì)數(shù)時(shí)鐘。在計(jì)算深度值時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。

QEP1/CAP1和QEP2/CAP2是復(fù)用引腳,本設(shè)計(jì)使能了正交編碼脈沖電路,所以相應(yīng)引腳上的捕獲功能被禁止。

2.3 SCI接口模塊

SCI模塊支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。SCI接受器和發(fā)送器都是雙緩沖的,每一個(gè)都有自己的使能和中斷標(biāo)志位。二者可以獨(dú)立工作,或者在全雙工的方式下同時(shí)工作。通過(guò)一個(gè)16位的波特率選擇寄存器,數(shù)據(jù)的傳輸速度可以被編程為65535種不同的速度。本設(shè)計(jì)采用125 Kbps的波特率。

串行通信接口的數(shù)據(jù),無(wú)論是接受和發(fā)送都采用NRZ(非返回零)格式。NRZ數(shù)據(jù)格式包括:

1個(gè)起始位;

1～8個(gè)數(shù)據(jù)位;

1個(gè)奇/偶校驗(yàn)位或無(wú)奇/偶校驗(yàn)位;

1～2停止位;

1個(gè)用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和地址的額外位。

SCI模塊有兩個(gè)多處理器通信協(xié)議:空閑線多處理器模式和地址位多處理器模式。多處理器通信模式使得一個(gè)處理器能有效地在同條連接線上將數(shù)據(jù)傳送到其他的處理器。一條串行線上一次只能進(jìn)行一次傳送,即一條串行線上只能一個(gè)人說(shuō)話(廣播方式)。說(shuō)話者發(fā)送的數(shù)據(jù)塊的第一個(gè)字節(jié)包括一個(gè)地址字節(jié),他被所有的聽(tīng)眾讀取(偵聽(tīng)方式),但只有地址相符的聽(tīng)眾才能接收跟在地址字節(jié)后面的數(shù)據(jù),地址不符的聽(tīng)眾不接受地址字節(jié)后面的數(shù)據(jù),且等待接收下一個(gè)地址字節(jié)。這里采用地址位多處理器模式,與UART外設(shè)的連接采用RS-232的格式。

TMS320LF2407的外圍電路可以根據(jù)需要擴(kuò)展。由于TMS320LF2407內(nèi)部自帶32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器,程序調(diào)試完畢后可以燒寫(xiě)進(jìn)去。但程序調(diào)試過(guò)程中需要頻繁的修改程序,所以可擴(kuò)展一片存儲(chǔ)器,調(diào)試程序時(shí)當(dāng)作程序存儲(chǔ)器用,程序調(diào)試完畢后再作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用,這樣既方便又實(shí)惠。

TMS320LF2407供電電壓為3.3 V,而平常我們用的芯片的供電電壓是5 V,這樣就可能存在接口電平不匹配的問(wèn)題,在這種情況下需要加電平轉(zhuǎn)換電路,這里選用74LVC245來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

TI公司提供了DSP專(zhuān)用仿真器和仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。對(duì)于不同的仿真器,只要安裝驅(qū)動(dòng)程序即可使用該開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真器選用最新款的帶USB接口的ICETEK5100USB2.0仿真器。由于該仿真器使用USB接口,所以不需要外接供電電源,使用極為方便。

開(kāi)發(fā)一個(gè)DSP的C語(yǔ)言應(yīng)用程序,需要4種類(lèi)型的文件:C語(yǔ)言文件、匯編文件、頭文件、命令文件。C語(yǔ)言文件是必須的;匯編語(yǔ)言文件則根據(jù)實(shí)際情況而定,一般程序的復(fù)位和中斷向量需要用匯編語(yǔ)言編寫(xiě);頭文件定義DSP內(nèi)部寄存器的地址分配,書(shū)寫(xiě)一次后可被其他程序反復(fù)使用;命令文件主要定義堆棧、程序空間分配和數(shù)據(jù)空間分配等。這些文件的書(shū)寫(xiě)比較隨意,但必須存儲(chǔ)成相應(yīng)的格式。C語(yǔ)言文件為“.C”格式,匯編語(yǔ)言文件為“.ASM”格式,頭文件為“.H”格式,命令文件為“.CMD”格式。

由于硬件設(shè)計(jì)時(shí)擴(kuò)展了可轉(zhuǎn)換的存儲(chǔ)器,進(jìn)行仿真時(shí)程序可以直接轉(zhuǎn)載到擴(kuò)展的存儲(chǔ)器中進(jìn)行調(diào)試,免去了以往FLASH中燒寫(xiě)的麻煩,程序調(diào)試完畢后再固化到FLASH中。

4 結(jié)束語(yǔ)

DSP技術(shù)是今后電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向,其應(yīng)用十分廣泛。利用本文介紹的方法開(kāi)發(fā)出來(lái)的測(cè)井單元板卡已成功地運(yùn)用于數(shù)控測(cè)井儀中,并取得了良好的效果。從整個(gè)設(shè)計(jì)中可以看出,硬件設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單,只進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理,數(shù)據(jù)的處理部分都交給了DSP,簡(jiǎn)化了測(cè)井板卡的設(shè)計(jì),減少了板卡的種類(lèi),降低了整個(gè)設(shè)備維護(hù)難度,提高了儀器的精度,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

隨著DSP技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟,必將帶動(dòng)測(cè)井技術(shù)的發(fā)展,其在測(cè)井技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。

[1] 劉和平,王維俊,江 渝,等.TMS320LF240X DSP C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003

[2] 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所.SKD-3000A數(shù)控測(cè)井儀硬件使用說(shuō)明.2000(資料)

[3] [美]A.V.奧本海姆,R.W.謝弗.數(shù)字信號(hào)處理[M]. 1996

P631,8+3

B

1004-9134(2010)04-0074-03

張 理,女,1974年生,工程師,1997年畢業(yè)于燕山大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所從事地面數(shù)控測(cè)井儀的開(kāi)發(fā)研制與生產(chǎn)工作。郵編:453003

2009-11-11 編輯:劉雅銘)

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