摘要：針對(duì)目前DSP的算法開發(fā)主要依賴手工編寫C代碼，不但工作量大，而且程序的下載依賴于專門的昂貴的仿真器的問題，在此提出了基于Matlab／Simulink環(huán)境的DSP算法開發(fā)，并利用串口通信實(shí)現(xiàn)程序下裁的綜合方案。該方案能很好地利用Matlab現(xiàn)有的功能模塊，大大降低了DSP的算法開發(fā)難度，利用RTW技術(shù)，可將算法自動(dòng)生成C代碼。利用串口通信下載調(diào)試程序，方便有效，節(jié)約了系統(tǒng)開發(fā)的成本。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用該方案縮短了算法開發(fā)的周期，結(jié)果可靠，成本低。
關(guān)鍵詞：DSP；串口； RTW；Simulink
0 引言
數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processing，DSP)是一項(xiàng)成熟的數(shù)字處理技術(shù)。它具有速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、尺寸小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，特別適合處理復(fù)雜的控制算法。目前傳統(tǒng)的DSP功能開發(fā)方法，是利用匯編語(yǔ)言或C／C++語(yǔ)言進(jìn)行DSP功能開發(fā)，具有周期長(zhǎng)，工作量大，調(diào)試復(fù)雜等缺點(diǎn)，不利于算法驗(yàn)證和產(chǎn)品快速開發(fā)。而且，程序下載所依賴的仿真器價(jià)格一般比較昂貴，也增加了產(chǎn)品開發(fā)的成本。
本文利用TMS320F2812芯片自主開發(fā)了硬件平臺(tái)，提出了在Matlab／Simulink環(huán)境下，搭建算法模型并自動(dòng)生成C代碼，并通過串口下載至DSP目標(biāo)板的快速開發(fā)方案。
1 總體方案介紹
本文自主開發(fā)的硬件平臺(tái)是以TMS320F2812作為核心處理器，開發(fā)了串口通信、正交編碼、PWM輸出和啟動(dòng)模式跳線等功能。基于Matlab ／Simulink環(huán)境的DSP快速開發(fā)方法，首先利用了自主開發(fā)的軟件在DSP硬件、Code Composer Studio開發(fā)環(huán)境(CCS)和Matlab軟件之間建立連接，然后在Simulink環(huán)境下，建立運(yùn)動(dòng)控制算法模型。在該建模過程中，用戶可以像操作Matlab變量一樣操作DSP的存儲(chǔ)器和寄存器。模型搭建完成后，再利用RTW技術(shù)，將模型自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的C／C++代碼，該代碼能夠被CCS集成開發(fā)環(huán)境支持的，經(jīng)過CCS編譯后生成可執(zhí)行代碼，最后利用DSP的串口將可執(zhí)行代碼下載到DSP的儲(chǔ)存器中運(yùn)行。該過程的流程圖如圖1所示。
在Matlab環(huán)境下對(duì)DSP進(jìn)行開發(fā)，不僅可以方便地利用Matlab現(xiàn)有的數(shù)學(xué)工具箱來(lái)完成復(fù)雜算法的設(shè)計(jì)，而且將所有操作統(tǒng)一為Matlab命令流操作，大大降低了設(shè)計(jì)人員需要掌握不同軟件的難度。
2 Matlab建模
在SimuIink環(huán)境下，使用工具箱中與DSP相關(guān)的庫(kù)，將需要模塊拖至模型窗口，建立目標(biāo)模型，該過程與普通的Simulink建模過程相似。特別需要說明的是幾類重要的模塊。Target模塊預(yù)定義了DSP的所有基本硬件信息，比如主頻，儲(chǔ)存器的分配，是每個(gè)模型都必須有的模塊。該模塊需要放置在模型的頂層，沒有輸入輸出設(shè)置。外設(shè)模塊包含了DSP所有功能外設(shè)，包括I／O口、PWM波形生成器、計(jì)時(shí)器、QEP正交編碼功能等。算法模塊庫(kù)包含了DSP常用的算法模型，比如PID控制器。這些算法庫(kù)都是支持IQrnath格式，是一種將浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)運(yùn)算的功能，可以提高DSP進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的效率。模型建立完成后，利用RTW功能編譯后就能生成與該模型對(duì)應(yīng)的C／C++代碼，并生成相應(yīng)的Project文件。使用CCS集成開發(fā)環(huán)境，對(duì)該代碼編譯，即生成可執(zhí)行文件，為串口下載程序做好準(zhǔn)備。
3 串口下載
實(shí)現(xiàn)基于串口實(shí)現(xiàn)程序下載的功能，是利用了Matlab的串口通信指令和在DSP中的一個(gè)引導(dǎo)的函數(shù)。
3．1 引導(dǎo)函數(shù)
在F2812的ROM中編寫引導(dǎo)函數(shù)，該函數(shù)是在DSP上電或重啟時(shí)執(zhí)行。它是用于將執(zhí)行代碼從外部源傳輸?shù)絻?nèi)存儲(chǔ)器中；從而允許代碼存儲(chǔ)在外部的慢速而不易丟失的存儲(chǔ)器中，然后引導(dǎo)至DSP內(nèi)部的快速存儲(chǔ)器中執(zhí)行。該引導(dǎo)函數(shù)提供了多種引導(dǎo)的方式，以適應(yīng)不同的系統(tǒng)要求。不同的模式是根據(jù)GPIO引腳的信號(hào)來(lái)決定的，對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。
本文是使用了SCI引導(dǎo)模式，通過串口將可執(zhí)行代碼傳送至DSP內(nèi)部來(lái)執(zhí)行。所以DSP硬件的引腳必須有對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸入。
3．2 串口通信
Matlab中有支持串口通信的對(duì)象，使用該對(duì)象，可以方便的實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的串口通訊相關(guān)的所有事件，比如設(shè)置參數(shù)(波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等)，發(fā)送／接收數(shù)據(jù)，中斷等。在本文中，使用Matlab的串口功能的最基本流程如下：
3．3 程序下載步驟
在上位機(jī)編寫串口通信函數(shù)后，就可以利用串口將可執(zhí)行代碼下載至DSP目標(biāo)板運(yùn)行。按照以下步驟完成：
(1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。引導(dǎo)函數(shù)對(duì)于流入的數(shù)據(jù)有相應(yīng)的格式規(guī)定。經(jīng)過CCS編譯的文件必須先進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化才能被引導(dǎo)函數(shù)接收。該過程可以使用TI公司免費(fèi)提供的hex2000工具完成。
(2)硬件設(shè)置。將DSP硬件設(shè)置為SCI引導(dǎo)模式。
(3)建立串口通信。將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)流保存為Matlab的變量形式，按照前面描述的串口通訊辦法，將變量中的數(shù)據(jù)傳送至DSP。
(4)程序執(zhí)行。
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證本方案的可靠性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)串口控制電機(jī)調(diào)速的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是：上位機(jī)利用串口來(lái)發(fā)送速度指令，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID控制。其中，對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式采用PWM驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)置PWM的周期寄存器值是64 000個(gè)計(jì)數(shù)周期。該實(shí)驗(yàn)硬件連接如圖2所示，DSP與PC機(jī)之間以串口連接。上位機(jī)建立控制模型如圖3所示。
本文所使用的DSP主頻是150MHz，根據(jù)時(shí)鐘分頻后換算的結(jié)果，實(shí)際的PWM波的周期約是850μs，設(shè)置上位機(jī)發(fā)送指令為75％的最大轉(zhuǎn)速，則對(duì)應(yīng)的PWM的占空比為75％，其中高電平的實(shí)際長(zhǎng)度約為640 μs，這與用示波器觀察到的圖4是一致的，因此，本文提出的DSP功能開發(fā)方案是可靠的。
5 結(jié)語(yǔ)
本文提出了基于Matlab／Simulink環(huán)境的DSP算法開發(fā)，并利用串口實(shí)現(xiàn)程序下載的快速開發(fā)方案。該方案很好地利用了Matlab強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和可視化圖形開發(fā)功能，縮短了DSP算法的開發(fā)周期，降低了DSP編程的工作量，節(jié)約了硬件成本。最后，在本文自主設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該方案是可行有效的。