DSP数位控制简介.PDF

DSP 數位控制簡介 1. 簡　介 2. DSP的硬體架構 3. 以 DSP 為基礎的數位控制系統 4. 微處理器／數位信號處理器的控制功能 5. 數位控制系統設計 6. 參考文獻 1. 簡 介 數位信號處理器(Digital Signal Processor,DSP) 的設計主要即在於以數位計算的方式進行信號 處理，因而先天上即具有強大的數值計算能力，主要應用於電腦繪圖、儀器量測、影像語音、控 制通訊等領域。DSP也可視為一個具有強大計算能力的微處理器，因此舉凡微處理器可以應用的 場合，如需要更快速的計算能力，則可考慮使用DSP。但值得注意的是，單晶片微控器(microcont roller, mC) 已廣泛應用於工業控制領域，其關鍵主要在於完整的I/O 界面，而一般的DSP 並不具備 這些功能。 在工業控制的應用領域，如機器人控制、磁碟機與光碟機的控制、伺服控制等[54],[56], [58], [59]，採用DSP來實現數位控制器的主要著眼點即在於其快速的計算能力，表1.1列出一些主要處 理器與DSP在執行一個典型的PID控制迴路所能達到的取樣頻率[23]。 由於DSP 的快速計算能力，因而具有廣泛應用的潛力，採用DSP 來實現需要複雜計算的數位 控制系統，以達到高性能控制系統的需求即為未來發展的趨勢。因此有眾多的半導體製造商投入 高性能DSP的開發，表1.2列出一些廠商所提供的DSP晶片，表1.3列出一些支援廠商所提供的軟硬 體發展工具。 表1.1　PID數位控制取樣頻率 表1.2　一些典型的DSP 為了推展DSP的應用，一些DSP的製造商通常會提供評估模組(evaluation kit)，這些評估模組 通常包含一個以DSP為核心的電路板及相關的支援軟體；這些電路板一般具有記憶體、高解析度 的類比數位及數位類比轉換器。支援軟體則包含組合語言組譯器/ / (assembler) 、C語言編譯器(comp iler)、載入器(loader)與偵錯器(debugger)等。DSP雖然均具有快速的計算能力，但其種類繁多， 硬體架構亦不同，對各別應用的適用性也有所不同，因此設計工程師在選用DSP時，不僅需要考 慮其計算速度、價格、軟體支援能力、與供貨能力等，其應用上的特殊功能亦是重要考慮因素。 例如TI的TMS320C14特別適合於數位控制的應用，而TM320C40則是為列陣信號處理而設計的。 表1.3　DSP與其支援發展工具 2. DSP 的硬體架構 DSP為了達成其快速的計算能力，其晶片在設計時通常採用16位元的字元長度，並以32位元 設計中央處理單元(CPU)內的累積器(accumulator)與暫存器(register)等。在CPU架構設計上亦多有 不同，有的採用pipeline架構，有的則採用哈佛架構(Harvard architecture)或特殊的硬體架構。 圖2.1 　TMS320的硬體架構 圖2.1 所示為德州儀器所製造的數位信號處理器TMS320 系列的硬體架構，以16 位元為基本資 料處理單元，採用16位元的資料與位址匯流排與32位元的暫存器，其核心為32位元的算數運算邏 輯單元(ALU)與累積器(ACC)，並以硬體方式來實現不同的功能，如乘法器、位移器等，以提升其 計算速度。在整數計算方面，為了減少數值計算所衍生的問題如溢位(overflow)與尺規劃(scaling) 等，採用硬體式的位移暫存器。表 2.1列出了TMS320系列在硬體架構上的特色。 表2.1　TMS320硬體架構特色 TMS320系列的DSP晶片為了加快其計算速度，在設計上一些常用的數學計算指令往往以硬體 方式實現，例如差分方程式的z-1運算元(operator) 可以單一指令DMOV完成，而MACD指令則可 同時完成四個操作：兩個數的相乘、移動資料、與前一比資料累加、與載入下一個暫存器。由於 這些特殊指令的硬體設計，使得DSP在運算速度上較一般的微處理器快上10倍以上。 為了說明DSP