1、TMS320F240 简介 TMS320F240 为 TI 公司所出品的定点式数字信号处理器芯片， 具有强大的外围 (64k I/O space、 10 bit A/D Converter、 Digital I/O peripheral) ，芯片内部采用了加强型哈佛架构 (Enhanced Harvard Architecture)，由三个平行处理的总线 程序地址总线 (PAB)、 数据读出地址总线 (DRAB)及数据写入地址总线 (DWAB)，使其能 进入多个内存空间。由于总线之操作各自独立，因此可同时进入 程序及数据存储器空间，而两内存间的数据亦可互相交换，使得其 具有快速的运算速度，几乎
2、所有的指令皆可在 50ns 周期时间内执行 完毕，内部的程控以管线式的方式操作 (Pipeline operation)，且使 用内存映像的方式，使其整体的效能可达到 20MIPS，因此非常适 用于实时运转控制，而对于速度较慢的外围亦提供了 wait-states 的功 能。 TMS320F240 单芯片硬件架构上的一些特性对于高速信号处理及 数字控制上的应用是必须且重要的，其使用次微米 CMOS 技术制程 使其功率散逸降至最低。其与传 统的微处理机单芯片相较之下其具有 下列的优点： (1)执行速度快，整体效能佳，可达到真正的实时控制。 (2)特殊的硬件及指令设计，适用于高性能的控制。 (3)
3、容易增加附属功能，很容易扩展外围。 (4)具有实时中断的看门狗定时器模块，可监控程序之运作。 (5)使用 4 层的 Pipeline 的程序运作及设计有指令延迟之功能。 TMS302F240 架构介绍 TMS302F240 单芯片的硬件架构是以 16 位为基本数据处理单 元，采用 16 位的数据与地址总线，其指令集设计成可大范围且 复杂的计算及高速处理，属于 Memory Mapping 的模式，主要架构如 下表所示： 项目 说明 中央处理单元 .32 位的算数逻辑单元 .32 位的累积器 .16 位 16 位的乘法器 .16 位的倍率位移器 .8 个 16 位的辅助缓存器 内存单元 .16K
4、 word 芯片上的程序内存 .64K 的程序内存与数据存储器 .64K word 的 I/O 空间内存 .32K word 的共同内存 程控单元 .4 个管线式的操作 .8 层硬件堆栈 .6 个外部中断 指令设计 .采用定点式运算 .1 个机器周期 (50ns)内执行完毕 .计算时以 2 的补码做运算 事件处理器 .12 个脉波宽度调变信号的输出 .3 个 16 位一般用途的定时器 .3 个 16 位全比较单元 .3 个 16 位取样比较单元 .4 个捕捉单元 外部外围 .2 个相位编码电路 .2 个 10 位的模拟 /数字转换器 .28 个可规划 I/O 接脚 .锁相回路模块 .看门狗定时
5、器 .串行通讯接口 .串行外围模块 中央处理器 TMS320F240 单芯片之中央处理器因为其平行结构之设计，使得 在单一指令周期内可执行高速运算。中央处理器之内部主要可分为三 单元：输入倍率区段、乘法区段、中央运算逻辑区段。 1. 输入倍率区段 TMS320F240 芯片上共有三个硬件 16 位的倍率位移器，这些 倍率位移器具有将数据放大 (左移 )或缩小 (右移 )的功能，第一个倍率 位移器可以称为数据倍率位移器 (Input Data-Scaling Shifter)，位于输 入倍率区段内，它的输入端是直接连至 16 位的数据总线，而输 出端则是接到 32 位的中央运算逻辑单元 (CAL
6、U)。 2. 乘法区段 在 TMS320F240 单芯片中央处理器的硬件结构中，有一个能在一 个指令周期时序内 完成 32 位乘法的 1616 位硬件乘法器及二个 相关缓存器，其功能如下： (1)16 位暂时缓存器 (TREG)：可加载被乘数之空间。 (2)32 位乘积缓存器 (PREG)：可接收乘法运算结果之空间。 47 3. 中央运算逻辑区段 TMS320F240 芯片内部如同其它微处理器一样，有专门在做算数 运算及逻辑运算的地方，其即为中央运算逻辑单元。 (1)中央运算逻辑单元 执行算术及逻辑运算功能，且在一个频率周期内可完成。这些 功能可大致分为：加法、减法、逻辑运算及位的测试、位移、
7、 旋转。 (2)累积器 为 32 位结构，一般的数据存取都要透过累积器，而由于记 忆体的宽度多为 16 位的宽度所以我们可以将 32 位的累积 器视为高阶位 (ACCH)及低阶位 (ACCL)，其接受中央运算 逻辑单元的输出数据，并利用进位位对数据内容执行位移位。 (3)输出数据倍率位移器 其功能为当累积器的高阶位要存入到指定的数据存储器 时，可以用此移位器来做数据的处理。 内存结构 在设计单芯片微处理机系统时，首先必须要了解该单芯片的硬件 架构，才能充分且适切地发挥单芯片的完全功能。单芯片硬件结构中 最重要的部分就当属于内存结构了。内存的大小、配置 方式，往 往决定了该单芯片是否适用的主要因
8、素。 TMS320F240 控制芯片为了 增进执行速度，在芯片上设计有快速的 Flash EEPROM 来搭配内部或 外部内存的执行，使处理器在程序的执行上更快速更有效率。 1. 程序内存 在 TMS320F240 中其程序内存即是存放程序本体的地方，由 MP/MC 此接脚信号可将其区分为使用微处理模式 (Microprocessor)或 微电脑模式 (Microcomputer)，若使用微电脑模式则 MP/MC 接脚应为 低电位，此时 TMS320F240 使用内部程序内存，于 TMS320F240 中，其内部具有 Flash EEPROM 可以烧录程序；而当使用微处理模式 时其 MP/MC
9、 接脚应为高电位，此时其芯片内部的程序内存将会被 禁能，微处理器就只执行外部内存内的程序。 2. 数据存储器 在 TMS320F240 内的数据存储器有为每一个处理器单独使用的 内存，即所谓的区域性的数据存储器。另外当有多个处理器时，所 共享的数据存储器则称为共同区域数据存储器 (Global Data Memory)，数据存储器主要是作为数据的存取以及作为外围控制、 I/O 内存地址的映像内存，其根据状态缓 存器理的数据页与地址来做 分页。 3. I/O 空间 (I/O space) 在 TMS320F240 内定义了 64K 的 I/O 空间，用来与外面的一些 装置做沟通用的，这些外围视场
10、合而定可以是 LED 灯、控制器，或 控制电路等，也是透过 16 位的地址总线 (A0A15)、数据总线 (D0D15)，与外部的触发信号 IS 来作为触发之动作。当使用这些指 令时， IS 的触发信号会变成低电位，使我们可以藉由对这些信号的解 码处理而来对外部的外围进行控制。 事件管理者模块 事件管理者模块提供广泛的功能及特性，主要功能 如下： (1)三组通用定时器 (General Purpose timers， GP)。 (2)三组完全比较单元 (Full Compare Units)。 (3)三组简易比较单元 (Simple Compare Units)。 (4)脉波宽度调变 (PWM
11、)电路：包括空间向量 PWM 电路、停滞 带 (dead-band)产生单元及输出逻辑。 (5)四组捕捉单元 (Capture Units)及中断逻辑 (Interrupt Logic)。 (6)方形编码器脉波 (Quadrature Encoder Pulse， QEP) 电路。 1. 比较单元 在事件管理者模块中总共有三组完全比较单元及三组简易比较 单元，每一组完全比较单元皆可工作在二种模式：比较模式与 PWM 输出模式。完全比较单元的时间基底是由第一通用定时器提供，简易 比较单元的时间基底则是由第一或第二通用定时器提供。这些比较单 元的主要用途是作为脉宽调变的输出，通常在做脉宽调变时需要
12、做一 些参数的设定，来决定所比较出来的脉宽是要何种型式并可由通用计 时器的设定来决定比较所需要的周期，以达到控制目的。 2. 脉波宽度调变 (PWM)产生器 TMS320F240 拥有三组独立 的脉波宽度调变产生器：完全比较 / 脉波宽度调变产生器、简易比较 /脉波宽度调变产生器及通用定时器 比较 /脉波宽度调变产生器。每一组脉波宽度调变产生器皆可各别产 生三组独立之脉波宽度调变信号。其中，完全比较 /脉波宽度调变产 生器可同时产生三组相依之脉波宽度调变信号，可符合本文之切换式 磁阻电动机之控制需求，故本文使用此三组完全比较 /脉波宽度调变 产生器来驱动六颗功率开关组件。图 2 为脉波宽度调变
13、电路方块 图，包含下列几个单元：非对称 /对称波形产生器、可程序停滞带单 元 (Programmable Dead-Band Unit)、输出逻辑，及空间向量 (Space Vector)脉波宽度调变信号单元。其中非对称 /对称波形的产生，可藉 由规划通用计数器为连续上数的模式或连续上 /下数的模式而决定， 本系统所使用之非对称脉波宽度调变信号波形如图 3 所示。为了产 生 PWM 信号，一组合适的定时器是必须的，它可以重复计数与 PWM 周期一样的周期数。比较缓存器 (CMPRx , x = 1,2,3)存有其调变值， 其值将不断与定时器之计数值 (T1CNT)作比较，当比较符合时，相对 应
14、之输出脚位将发生转态。为了要让脉宽调变信号的宽度达到 所要求 的输出，需要设定下列的控制缓存器： (1)通用定时器 1 的周期缓存器 (GP Timer 1 Period Register)。 (2)完全比较动作控制缓存器 (ACTR)。 (3)比较控制缓存器 (COMCON)。 (4)通用定时器 1 控制缓存器 (T1CON)。 (5)停滞带 (dead-band)时间控制缓存器 (DBTCON)。 图 1 引脚 功能图 图 2 脉波宽度调变电路方块图 图 3 非对称脉波宽度调变信号波形 3. 模拟 /数字转换器模块 模拟 /数字转换器模块，为一个有内部取样保持器设计的 10 位 转换器，图
15、 4 为模拟 /数字转换器模块方块图。 TMS320F240 内所提 供的模拟 /数字转换器模块共有 2 组，总计共有 16 个模拟输入通道 (Channel)，而每 8 个模拟输入信号藉由一组 8 对 1 的多任务器，选择 其中之一个信道进行模拟 /数字转换的工作。每一个 ADC 总转换时间 约为 6s，而 ADC 的参考电压必须由外部电源供应 (须低于 +5V)。其 特性如下： (1)每组 ADC 有 8 个模拟输入通道，合计共有 16 个模拟输入。 (2)转换动作可采用单一转换 (Single conversion)或连续转换 (Continuous conversion)方式操作。 (
16、3)可由程序软件、内部事件或外部事件来启动转换。 (4)高参考电压 (VREFHI)或低参考电压 (VREFLO)输入。 (5)提供二层深的数字缓存器，用来储存转换完成后的数字值。 (6)提供二个可程序 ADC 模块控制缓存器，可令两组 ADC 独立工作。 (7)可选用可程序频率比率器 (prescaler)，调整其转换的时间，以 保持最佳之转换性能。 (8)可选用中断或轮询模式操作。 图 4 模拟 /数字转 换器模组方块图 由于 ADC 模块的内部结构，为了确保一个准确转换动作，转换 时间必须大于或等于 5.5s，而在任何系统频率频率可能设计在破坏 此关系下，因此在 ADC 模块中，提供一个比率器 (prescaler)，以允许 当 DSP 频率在应用上需要改变时，仍能维持最佳之转换性能。使用 者可选择 ADC 比率器之内含值使得整个 ADC 取样 /转换时间可以大 于或等于 5.5s。此比率器 (prescaler)之内含值必须满足下式： 系统频率周期 (SYSCLK)比率值 5.55.5s
