1、简介：德州仪器所生产的 TMS320F2812 数字讯号处理器是针对数字控制所设计的 DSP，整合了 DSP 及微控制器的最佳特性，主要使用在嵌入式控制应用，如数字电机控制(digital motor control, DMC)、资料撷取及 I/O 控制(data acquisition and control, DAQ)等领域。针对应用最佳化，并有效缩短产品开发周期，F28x 核心支持全新 CCS 环境的 C compiler，提供 C 语言中直接嵌入汇编语言的程序开发介面，可在 C 语言的环境中搭配汇编语言来撰写程序。值得一提的是， F28x DSP 核心支持特殊的 IQ-math 函式库
2、，系统开发人员可以使用便宜的定点数 DSP 来发展所需的浮点运算算法。F28x 系列 DSP 预计发展至 400MHz，目前已发展至 150MHz 的 Flash 型式。1.高性能静态 CMOS 制成技术(1)150MHz(6.67ns 周期时间 )(2)省电设计(1.8VCore，3.3VI/O)(3)3.3V 快取可程序电压2.JTAG 扫描支持3.高效能 32BitCPU(1)16x16 和 32x32MAC Operations(2)16x16Dual MAC(3)哈佛总线结构(4)快速中断响应(5)4M 线性程序寻址空间(LinearProgramAddressReach)(6)4M
3、 线性数据寻址空间(LinearDataAddressReach)(7)TMS320F24X/LF240X 程序核心兼容4.芯片上(On-Chip)的内存(1)128Kx16 Flash(4 个 8Kx16，6 个 16Kx16)(2)1Kx16OTPROM(单次可程序只读存储器)(3)L0 和 L1：2 组 4Kx16 SARAM(4)H0：1 组 8Kx16SARAM(5)M0 和 M1： 2 组 1Kx16 SARAM共 128Kx16 Flash，18Kx16 SARAM5.外部内存接口(1)支持 1M 的外部内存(2)可程序的 Wait States(3)可程序的 Read/Writ
4、e StrobeTi 最小 g(4)三个独立的芯片选择(Chip Selects)6.频率与系统控制(1)支持动态的相位锁定模块(PLL)比率变更(2)On-Chip 振荡器(3)看门狗定时器模块7.三个外部中断?8.外围中断扩展方块(PIE) ，支持 45 个外围中断9.128 位保护密码(1)保护 Flash/ROM/OTP 及 L0/L1SARAM(2)防止韧体逆向工程10.三个 32 位 CPU Timer11.电动机控制外围(1)两个事件管理模块(EVA ，EVB)(2)与 240xADSP 相容12. (1)同步串行外围接口 SPI 模块(2)两个异步串行通讯接口 SCI 模块，标
5、准 UART(3)eCAN(Enhanced Controller Area Network)(4)McBSP With SPI Mode13.16 个信道 12 位模拟-数字转换模块(ADC)(1)2x8 通道的输入多任务(2)两个独立的取样-保持(Sample-and-Hold)电路(3)可单一或同步转换(4)快速的转换率：80ns/12.5MSPS图 1TMS320F2812 功能方块图。2.2TMS320F2812 硬件结构介绍2.2.1OSC 与 PLL 方块F2812 芯片上设计了一个相位锁定模块(PLL)，这个模块将会提供整个芯片所需频率源。PLL 模块方块图如图 2 所示。PL
6、L提供了 4 位(PLLCR3:0) 的 PLL 倍率选择，共 10 种放大倍率，可动态改变 CPU 的频率频率。如表 1 所示为 PLLCR 缓存器的格式，缓存器的位说明如表 2 所示。XCLKIN：外部频率源输入。OSCCLK： 与 XCLKIN 的频率一样。CLKIN：CPU 维持正常工作所需的频率源。这是整个芯片的最高频率。SYSCLKOUT：与 CLKIN 的频率一样，提供给外围电路使用。图 2 OSC 与 PLL 方块图。 表 1PLLCR 缓存器位格式表：15-4 3 2 1 0 Reserved DIV R-0 R/W-0 R:读取 ;R/W:可读可写;-0=重置后的值NOTE
7、:EALLOW-protected register表 2 PLLCR 缓存器位说明表：位 名称 功能描述 15-4 Reserved 保留 3-0 DIV DIV 可以控制(不论 PLL 是否在旁路状态皆可控制 )及设定( 仅在 PLL 为非旁路状态时才可设定)PLL 的频率比： =0000，CLKIN =OSCCLK/2(PLL bypass) =0001，CLKIN =(OSCCLK*1.0)/2 =0010，CLKIN =(OSCCLK*2.0)/2 =0011，CLKIN =(OSCCLK*3.0)/2 =0100，CLKIN =(OSCCLK*4.0)/2 =0101，CLKIN
8、=(OSCCLK*5.0)/2 =0110，CLKIN =(OSCCLK*6.0)/2 =0111，CLKIN =(OSCCLK*7.0)/2 =1000，CLKIN =(OSCCLK*8.0)/2 =1001，CLKIN =(OSCCLK*9.0)/2 =1010，CLKIN =(OSCCLK*10.0)/2 =1011-1111 ，保留 2.2.2 系统频率控制如图 3 所示，所有外围电路的频率都是由 SYSCLKOUT 经过除频而来，F2812 将所有外围分成两类，分别是：1.高速外围：包括事件管理模块(EVA ，EVB)及 ADC。2.低速外围：包括 SCI-A/B、SPI、McBSP
9、。HSPCLK：高速外围的频率，可经由 HISPCP 缓存器改变其频率，如表2-3 所示为 HISPCP 缓存器的格式，缓存器的位说明如表 4 所示。LSPCLK：低速外围的频率，可经由 LOSPCP 缓存器改变其频率，如表2-5 所示为 LOSPCP 缓存器的格式，缓存器的位说明如表 6 所示。图 3 系统频率方块图。表 3HISPCP 缓存器位元格式表： 15-3 2 1 0 Reserved HSPCLK R-0 R/W-001 R:读取 ;R/W:可读可写;-0=重置后的值NOTE:EALLOW-protected register表 4 HISPCP 缓存器位元说明表：位元 名称 功
10、能描述 15-3 Reserved 保留 2-0 HSPCLK 这些位元设定高速外围频率比(HSPCLK)与 SYSCLKOUT 的关系： 如果 HISPCP0，HSPCLK=SYSCLKOUT/(HISPCPx2) 如果 HISPCP=0，HSPCLK =SYSCLKOUT =000，高速频率= SYSCLKOUT/1 =001，高速频率= SYSCLKOUT/2( 预设值) =010，高速频率= SYSCLKOUT/4 =011 ，高速频率= SYSCLKOUT/6 =100，高速频率= SYSCLKOUT/8 =101，高速频率= SYSCLKOUT/10 =110 ，高速频率= SYS
11、CLKOUT/12 =111 ，高速频率= SYSCLKOUT/14 表 5 LOSPCP 缓存器位元格式图：15-3 2 1 0 Reserved LSPCLK R-0 R/W-010 图 7 CPU-Timers 方块图2.5 事件管理模块(EVA,EVB)如图 8 事件管理模块包括一般用途定时器(General-Purpose,GPTimers)、全比较(full-compare)/PWM 单元、补抓单元(capture)及四象限编码器 (QEP)电路，如此丰富的功能足以用于动态控制(motion control)及电机控制(motor control)的应用。如表 9 所示，这两个事件
12、管理模块 (EVA 和 EVB)有相同的外围，能够控制 2 个三相电动机，可以应用于多轴动态控制。图 8 事件管理模块(EVA)之功能方块图。表 9 事件管理模块和信号名称：2.5.1 脉波宽度调变(PWM)PWM 的功能包括：1.拥有宽广可程序的 Dead-time 长度。2.PWM 载波频率实时的改变。3.PWM 脉波宽度实时的改变。4.可以透过程序来产生非对称、对称及空间向量 PWM 信号。5.提供外部保护接脚 PDPINTx 来保护功率级板，当这个接脚为 ”LOW”时，PWM 信号将会强制变为高阻抗. 如图 9 所示为 PWM 电路的方块图，其动作流程大致为：比较器的值(CMPRx)进
13、来与 T1CON 所设定的对称或非对称之波形比较，然后产生方波 PHx 输出进入Dead-time 产生电路产生出两个有Dead-time 的信号，再透过输出逻辑电路来设定每个 PWM 的输出逻辑，如此就可产生所需要的 PWM 信号。图 9 PWM 电路方块图如图 10 所示为非对称 PWM 波形图，其中 PWM1、PWM3、PWM5 输出逻辑设为 Active High，PWM2 、PWM4、PWM6 输出逻辑设为 ActiveLow，如此设定 Dead-time 会使得 PWMx 与 PWMX+1 两讯号不同时为 High，适用于 IGBT 为 Active High 之功率级板。图 10
14、 非对称 PWM 信号波形图(x=1,3,or5)。如图 11 所示为对称 PWM 波形图，其中 PWM1、PWM3 、 PWM5 输出逻辑设为 ActiveLow，PWM2、PWM4、PWM6输出逻辑设为 ActiveHigh，如此设定 Dead-time 会使得 PWMx 与 PWMX+1 两信号不同时为 Low，适用于 IGBT 为ActiveLow 之功率级板，本系统就是用这个设定方式。图 11 对称 PWM 信号波形图(x=1,3,or5)。2.5.2QEP 单元每个事件管理模块都有一个四象限编码计数电路(QEP 电路) ，使用者可以藉由这个电路将光编码器两个相差 90 度的信号送到
15、 EVA 的 CAP1/QEP1 及 CAP2/QEP2 或 EVB 的 CAP4/QEP3 及 CAP5/QEP4，来取得位置与速度的信息。F2812能够透过 EVA 和 EVB 撷取两个 Encoder 的信号。EVA 的 QEP 电路以 GPtimer2 为频率基础，而 EVB 的 QEP 电路以GPtimer4 为频率基础，与 F240 最大的差异在于无法合并两个 16 位的定时器来扩展成 32 位的定时器，只能以 16 位的定时器来使用。QEP 电路的定时器之计数模式必需操作于”方向性上数/下数计数模式” 。EVA 的 QEP 电路方块图如图 12所示。EVB 的 QEP 电路方块图
16、如图 13 所示。图 12EVA 的 QEP 电路方块图。图 13EVB 的 QEP 电路方块图。如图 14 所示为典型的 Encoder 输出信号，在图的左半部，看到 QEP1 领先 QEP2 为 90 度，所以定时器使用上数型。在图的右半部，看到 QEP2 领先 QEP1 为 90 度，所以定时器使用下数型。图 14QEP 的解碼时序及方向图。2.6 通用输入/输出(GPIO)接口图 15 为 GPIO 的方块图，F2812 许多外围都与 GPIO 共享接脚，使用时需要设定 GPxMUX、GPxDIR、GPxQUAL、GPxDAT 等缓存器来达到硬件上的运用。GPxMUX：每个 I/O 端
17、口都有一个多任务缓存器 (GPxMUX)，GPxMUX 缓存器是用来选择这些接脚被拿来当做数字I/O(GPxMUX.bit=0)还是外围 I/O(GPxMUX.bit=1)。当 DSP 重置时，所有 I/O 预设为数位 I/O。GPxDIR：每个 I/O 端口都有一个方向控制缓存器 (GPxDIR)，用来设定为数字 I/O 时，其接脚为输入(GPxDIR.bit= 0)或输出(GPxDIR.bit=1)。当 DSP重置时，所有 I/O 预设为数字 I/O。GPxQUAL：输入取样控制缓存器，用来设定做为数字 I/O 输入(INPUT)时，其资料的取样率。GPxDAT：每个 I/O 端口都有一个
18、数据缓存器(GPxDAT)，用来读写接脚的状态。图 15 GPIO 方块图。2.7 模拟数字转换 (Analog-to-DigitalConverter,ADC)模块图 16 为 ADC 模块。ADC 模块包括内建于取样/ 保持(sample-and-hold,S/H)的 12-bitADC，ADC 模块功能包括：1.内建取样 /保持(sample-and-hold,S/H)之 12 位 ADC 核心2.模拟输入范围：0.0V3.0V3.快速转换速率：80nsat25-MHz ADC clock,12.5 MSPS4.共 16 通道(channels)的多任务输入取得输入模拟电压之数字电压值：
19、12-bit 的 ADC 模块有 25-MHzADC 频率于 80ns 之快速转换，ADC 模块有 16 个信道，可以设定成两个独立的 8 信道模块来服务事件管理(EVA,EVB)。图 16ADC 模块方块图。如图 17 所示为 TI 建议之连接图，其中若 ADC 模块的频率操作于 118.75MHz 时 ADCRESEXT 的电流偏压电阻使用24.9K，若操作于 18.75MHz25MHz，ADCRESEXT 的电流偏压电阻使用 20K。本 2812 数位控制板之 ADC 模块希望操作于 25MHz，所以需使用 20K 来做偏压电阻。图 17ADC 管脚之连接。2.8 串行通讯接口(Seri
20、alCommunicationsInterface,SCI)模块F2812 如图 18 所示包含两个串行通讯接口(SCI) 模块，SCI 模块提供了 DSP 与其它标准 non-return-to-zero(NRZ)格式的异步外围之间的数字通讯。SCI 的接收者和传输者皆采用双总线模式 (Double-Buffered)，每一个皆有自已独自的允许和中断位。为了保证数据的完整性，SCI 有中断侦测、同位检测、过载和框架错误去检查接收进来的数据。SCI 模块主要的功能如下所示：1.两个外部的引脚 位SCITXD：SCI 传送输出引脚位SCIRXD：SCI 接收输入引脚位2.鲍率有 64K 种不同的
21、速率，可藉由缓存器设定改变传输速率3.数据字符(Data-word)格式一个开始位传输数据位长度格式，可从 1 到 8 之间作程序化选择奇同位检测/偶同位检测/不使用同位检测的选择可选用 1 或 2 个停止位4.四种错误侦测旗标：同位(Parity)、过载(Overrun)、框架(Framing) 和中断(Break)错误侦测5.可选择使用半双工或是全双工操作模式6.接收和与传输皆采用双总线模式(Double-buffered)7.传输方法采用 NRZ(non-return-to-zero)格式图 18 串行通讯接口 (SCI)模块之方块图。增强型 SCI 的特色：自动鲍率侦测硬件逻辑16-l
22、evel 传输/接收 FIFO2.9 串行外围接口(SerialPeripheralInterface,SPI)模块F2812 如图 19 所示包含四引脚位串行外围接口(SPI)模块。SPI 模块使用于 DSP 控制器和外部外围或另一个处理器两者之一的通讯。典型的应用包含外部 I/O 或外围延伸装置，例如：移位缓存器、显示装置和 ADCs。SPI 之 Master/Slave操作支持多重装置通讯。SPI 模块装置主要功能共有如下所述：1.四个外部引脚 位：SPISOMI：SPIslave- 输出/master- 输入引脚位SPISIMO：SPIslave- 输入/master- 输出引脚位SP
23、ISTE：SPIslave 传送-允许引脚位SPICLK：SPI 串行-频率引脚位2.两个操作模式：Master 和 Slave3.鲍率：125 个不同可程序速率4.数据字符(Data-word)长度：1 到 16 个数据位增强型 SPI 的特色：16-level 传输/接收 FIFO延迟传递控制图 19 串行外围接口(SPI)模块之方块图。2.10Bootloader 开机模式TMS320F2812 单芯片提供多种的 Boot 开机模式供使用者选择和使用，这一小节主要描述 Boot 开机模式的方法。如表10 为 Boot 开机模式经由 GPIOF 中的四个接脚(GPIOF2、3、4、12)在
24、开机时的状态来选择六种的开机动作。表 10Boot 模式之 GPIOF 引脚 位状态。GPIOF4 (SCITXDA) GPIOF12 (MDXA) GPIOF3 (SPISTEA) GPIOF2 (SPICLK) 模式选择 (Mode Selected) 1 X X X 至 Flash 地址 (0x3F7FF6) 0 1 X X 至外部 EEPROM 呼叫 SPI_Boot 下载0 0 1 1 至 SCI-A 呼叫 SCI_Boot 下载 0 0 1 0 至 H0 SARAM 地址 (0x3F8000) 0 0 0 1 至 OTP 地址(0x3D7800) 0 0 0 0 至 GPIOB 呼
25、叫 Parallel_Boot 下载 图 20Bootloader 模式流程图。如图 20 为 Bootloader 模式流程图，下列是 Bootloader 模式分析。1.至 FlashMemory：在这个模式中，DSP 会先跳去执行内部的 FlashMemory 地址(0x3F7FF6) ，所以使用者必需在 0x3F7FF6 这个地址烧录一段跳至 Boot 主程序的机械码，如：LB_c_int00。2.至 H0SARAM：在这个模式中，BootROM 软件将设定 F2812 装置然后直接跳去地址 0x3F8000(在 H0SARAM 内存方块的第一个地址)。3.至 OTP 内存：在这个模式
26、中，BootROM 软件将设定 F2812 装置然后直接跳去地址 0x3D7800(在 OTP 内存方块之第一个地址) 。4.标准串行 Boot 模式(SCI)：在这个模式中，经由 SCI-A 端口加载程序代码到 on-chip 内存里，执后在内存里执行 Boot 程序。5.SPIEEPROMBoot 模式：在这个模式中，经由 SPI 埠从外部 EEPROM 加载程序代码和数据到 on-chip 内存里。6.从 GPIO 埠 Boot：在这个模式中，利用 GPIOB 从外部来加载程序代码和数据，这个模式分别支持 8 位和 16 位的数据串。本文如需正确应用需结合英文原版资料配合查阅R:读取 ;
27、R/W:可读可写;-0=重置后的值NOTE:EALLOW-protected register表 6 LOSPCP 缓存器位元说明表。位元 名称 功能描述 15-3 Reserved 保留 2-0 LSPCLK这些位元设定低速外围频率比(LSPCLK)与 SYSCLKOUT 的关系： 如果 LOSPCP0，LSPCLK=SYSCLKOUT/(LOSPCPx2) 如果 LOSPCP=0，LSPCLK =SYSCLKOUT =000，低速频率= SYSCLKOUT/1 =001，低速频率= SYSCLKOUT/2 =010，低速频率= SYSCLKOUT/4( 预设值) =011 ，低速频率= S
28、YSCLKOUT/6 =100，低速频率= SYSCLKOUT/8 =101，低速频率= SYSCLKOUT/10 =110 ，低速频率= SYSCLKOUT/12 =111 ，低速频率= SYSCLKOUT/14 PCLKCR(外围频率控制缓存器)是用来允许或禁能各个外围模块的频率，当外围要使用时就必需将其频率允许，如此一来外围才能使用，而若不需使用的外围，可以将其频率关掉，如此可以达到节省功率的作用。如表 7 所示为 PCLKCR 缓存器的格式，缓存器的位元说明如表 8 所示。表 7PCLKCR 缓存器位元格式表*。 15 14 13 12 11 10 9 8 Reserved ECAN
29、ENCLK Reserved MCBSP ENCLK SCIB ENCLK SCIA ENCLK Reserved SPI ENCLK R-0 R/W-0 R-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R-0 R/W-0 7-4 3 2 1 0 Reserved ADC ENCLK Reserved EVB ENCLK EVA ENCLK R-0 R/W-0 R-0 R/W-0 R/W-0 R:读取 ;R/W:可读可写;-0=重置后的值NOTE:EALLOW-protected register*如果外围区块没有使用，则此外围的频率将可以被关掉已达成最小的电力消耗表 8PCLKCR 缓存器位元说
30、明表：位元 名称 功能描述 15 Reserved 保留14 ECAN ENCLK 如果此位元被设定，在 CAN 外围范围内的系统频率将 被致能。在低电力操作下，此位将被使用者或重置设为 0。 13 Reserved 保留 12 MCBSP ENCLK 如果此位元被设定，在 McBSP 外围范围内的低速频率(LSPCLK) 将被致能。在低电力操作下，此位将被使用者或经由重置设为 0。 11 SCIB 如果此位元被设定，在 SCI-B 外围范围内的低速频率(LSPCLK)将被致能。在低电力ENCLK 操作下，此位元将被使用者或经由重置设为 0。 10 SCIA ENCLK 如果此位元被设定，在
31、SCI-A 外围范围内的低速频率(LSPCLK)将被致能。在低电力操作下，此位将被使用者或经由重置设为 0。 9 Reserved 保留 8 SPIA ENCLK 如果此位元被设定，在 SPI 外围范围内的低速频率(LSPCLK)将被致能。在低电力操作下，此位将被使用者或经由重置设为 0。 7-4 Reserved 保留 3 ADC ENCLK 如果此位元被设定，在 ADC 外围范围内的高速频率(HSPCLK) 将被致能。在低电力操作下，此位将被使用者或经由重置设为 0。2 Reserved 保留 1 EVB ENCLK 如果此位元被设定，在 EV-B 外围范围内的高速频率(HSPCLK)将被
32、致能。在低电力操作下，此位将被使用者或经由重置设为 0。 0 EVA ENCLK 如果此位元被设定，在 EV-A 外围范围内的高速频率(HSPCLK) 将被致能。在低电力操作下，此位将被使用者或经由重置设为 0。 2.3 内存结构介绍2.3.1TMS320F2812 内存映如图 4 为 TMS320F2812 内存映像。“Low64K”之内存地址范围映像到 240x 的数据空间地址，”High 64K”之内存地址范围映像到24x/240x 的程序空间地址，24x/240x 兼容程序代码只能在“High64K”内存区域执行。图 4TMS320F2812 内存映像(MemoryMap)。172.3
33、.2 外部内存接口(XINTF)TMS320F2812 的外部内存接口(XINTF)是非多任务异步总线，映像到 5 个固定的内存映像区段，其定义如图 5 所示. 外部内存接口(XINTF)提供 19 条地址线及 16 条数据线，每个区段最大可以存取的内存范围为 512Kx16，所支持的外部内存高达 1Mx16以上。图 5 外部内存接口 (XINTF)方块图。2.4 32 位元 CPU Timers0/1/2TMS320F2812 有 3 个 32 位元的 CPUTimer，如图 7 为 CPU-Timers 之方块图。CPU-Timer0 可以让使用者来应用，而 CPU-Timer1 和 CPU-Timer2 则被保留做为实时(Real-Time)OS(例如： DSP-BIOS)。这些 CPU-Timers 不同于事件管理模块(EVA,EVB)内一般用途用(General-Purpose)Timers。CPU-Timer 大致上的运作如下：32 位元的计数缓存器(TIMH：TIM) 加载周期缓存器(PRDH：PRD) 的值，计数缓存器是以 TMS320F2812 的 SYSCLKOUT(150MHz)之速率递减，当计数到 0 时，Timer 会产生一个中断信号。
