采用电力电子应用平台DSP通用板的设计原理

摘要：随着电力电子市场需求与日俱增,为了缩短电力电子硬件设计的开发时间，本文设计开发了DSP56F803通用板作为各种电力电子应用的硬件开发平台。为了增强它的应用灵活性，该通用板在扩展出DSP主要功能模块的同时，通过采用复杂可编程逻辑器件XC95XL144实现各种保护逻辑以及输入输出口的扩展功能.DSP和CPLD综合利用作为通用板的核心是本文设计的主要特色。

引言

为了与电力电子技术的迅速发展同步, 同时提高电力电子硬件开发的模块化，缩短硬件开发的时间，本文设计开发了DSP56F803通用板作为各种电力电子应用的硬件开发平台。此外，复杂可编程逻辑器件CPLD具有可编程性强和应用灵活的特点，可以极大的降低系统开发成本和缩短开发周期。为了提高该通用板的应用灵活性，本文采用Xilinx公司的高性能低电压的复杂可编程逻辑器件CPLD XC95XL144 实现了各种保护逻辑以及四组输入输出口的扩展,DSP56F803和XC95XL144的综合应用作为通用板的核心部分是本文设计的主要特色。

电力电子技术飞速发展，电力电子控制装置也广泛应用于各种领域。例如：不停电电源、开关电源、机车辅助电源、蓄电池充电放电、电子模拟负载、电力机车、电传动内燃机车等。此外，在有些国家，例如丹麦、德国、美国等，电力电子控制并网逆变器已经逐步应用于太阳能发电以及风能发电装置与电力系统的连接。

1 设计思想

本文设计通用板遵循的主要原则是在满足功能尽量全面的同时提高抗干扰能力和应用灵活性，这样可以大大的降低电力电子应用的硬件开发成本，缩短开发时间，提高应用稳定性。本文设计的通用板综合使用DSP和CPLD作为核心部分，开发了丰富灵活的外围电路。本文首先基于Xilinx Foudation 3.li软件用硬件描述语言VHDL编程进行仿真综合，最后，本文采用了Xlinx公司的XC95XL144高性能的可编程逻辑器件CPLD 实现了各种保护逻辑以及四组输入输出口的扩展。

设计DSP通用板时首先考虑是应该扩展的功能模块。1、脉宽调制技术已经广泛应用于各种电力电子控制场合，因此首先扩展了脉宽调制模块PWM的输出。DSP56800系列的PWM的频率和占空比可以连续变化，这样可以实现无级变频调速。2、电力电子控制必然要采样各种电压、电流信号，因此，本文扩展了DSP的8路12位模数转换模块ADC。3、目前大部分的电力电子控制需要进行DSP与DSP或DSP与PC机的通信，因此本文扩展了异步串行通信模块SCI，为了提高抗干扰能力，增长传输距离，实现远程监控，本文采用RS-485差分通信。4、越来越多的电力电子装置是并网运行的，因此需要检测电网的过零点和周期，本文扩展了定时器模块TIMER，它的接口可用于各种信号的过零点和周期检测。5、电力电子应用一般只需要记录少量的故障数据，因此本文仅扩展了64K铁电非易失性存储器FM24CL64，它读写只需要两根线，而且读写没有延时。6、一般的系统都会有时钟，记录故障时同时记录故障发生的时刻，以备分析故障数据。本文扩展了实时时钟X1226，它和FM24CL64共用时钟线和读写信号线，只是两个器件的物理地址不同。7、最后，本文还扩展了电源监测和硬件看门狗芯片MAX706RESA。MAX706.pdf MAX707.pdf MAX708.pdf

DSP56F803和XC95XL144的接口主要包括电力电子主电路检测到的过压、过流保护信号通过CPLD的逻辑操作后触发DSP外中断或PWM出错保护引脚PWMFAULT来实现保护功能；利用低位地址线和低位数据线来扩展输入输出口。

DSP56F803外设模块的子程序的编写采用Embedded SDK，因为它提供各种外设模块的驱动程序和接口，即使不需要熟悉DSP的内部硬件结构也可以方便的使用。对于DSP56F803对XC95XL144的读写操作，本文根据DSP56800系列汇编指令集，开发自己的SDK软件包。

2 硬件设计

印制电路板（PCB）的抗干扰设计与具体电路有着密切的联系，在设计通用板的硬件时，本文充分考虑了抗干扰设计的要求。为了提高通用板的稳定性以及抗干扰能力，本文设计了高速四层板，中间两层分别铺电源和地，上下两个表面走信号线。为了提高电源和地的抗干扰能力，数字电源和模拟电源之间以及数字地和模拟地之间使用磁珠相连，模拟地和模拟电源以及数字地和数字电源之间连接电容。为了消除公共阻抗耦合，每个芯片的关键部位都配置了容量适当的去藕电容。

图一：DSP通用版硬件结构图

2.1核心芯片介绍

本文采用的DSP是DSP56800系列数字信号处理器中的DSP56F803。DSP56800系列采用哈佛结构，将程序空间和地址空间分开编址，这样在处理数据空间运算与数据传输的同时可以并行的从程序空间读取下一条指令，提高处理速度。DSP56800系列数字信号处理器具有丰富的I/O口和多种外围设备。DSP芯片上集成了通用输入输出模块GPIO、异步串行通信模块SCI、脉宽调制模块PWM、模数转换模块ADC、同步串行通信模块SSI、控制局域网模块CAN2.0A/B、定时器模块TIMER等多种外设模块，实现完全的单片化。

XC95XL144是Xilinx公司推出的一款高性能低电压的可编程逻辑器件，它共有100 个引脚，内部集成了3200个典型可用门，有144个逻辑单元，74个可用I/O口，可单独配置为输入、输出及双向工作方式，3个全局时钟及3个全局使能端和1个全局清除端，它支持3.3V和2.5V电压工作，其传输延时仅为5 ns。同时，XC95XL144支持在线编程，程序通过JTAG接口下载，使用简单方便。