1、 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 基于 DSP 的 PWM 波形发生器设计 学生姓名： 学生学号： 200320520075 院（系） 电气信息工程学院 年级专业： 03级电子信息工程 指导教师： 二 七 年 六 月 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘要 摘 要 PWM 波形发生器在 20 世纪 70 年代有了飞速的发展 ,20 世纪 80 年代 ,PWM 波形发生器已应用到各个工程技术领域，例如在工业控制中可以用它来控制各种电机、电力电子设备、逆变器等 ,它 不管在军用还是在民用系统中都发挥了积极的作用。 本文首先对 PWM 波形发生器的基本原理和目前国内外的发展状况做了简单介绍，然后介绍了
2、基于 DSP 的应用系统 的 开发流程，并对 DSP 的相关知识做了全面介绍，最后针对目前 波形发生器 的发展状况和实际生活中的应用 ， 提出了基于DSP 的 PWM 波形发生器的设计方法。 论文完成了基本的硬件电路设计和软件算法设计。硬件设计方面，基于 DSP芯片的相关特点，采用了 DSP 的 LF2407 芯片来完成本课题的硬件电路设计。软件算法方面，根据要求采用了汇编语言进行程序设计，并给出了相关的源程序以及调试过程，最后对本设计的可行性和性能误差 进行了分析。 关键词 波形 发生器 ， LF2407 芯片 ， PWM， DSP 攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACT ABST
3、RACT The pulse-width modulation (PWM) profile generator had the rapid development in the 20th century, in 1980s, The PWM profile generator has applied each project area of technology, For example, it can be used to control each kind of electrical machinery in the industry, the electric power, electr
4、onic installation, the inversion and so on, no matter in military or in the civil system, it has all played the positive role. This article first has made the simple introduction to the PWM profile generator basic principle and the present domestic and foreign development condition, then introduced
5、based on the digital signal processing (DSP) application system development flow, and has made the comprehensive introduction to the DSP related knowledge, finally aimed at present in the development condition and the practical life application proposed based on the DSP PWM profile generator design
6、method. This paper has completed the basic hardware circuit design and the software arithmetic design. The hardware design aspect, according to the DSP chip related characteristic, this paper adopted the LF2407 of DSP chip to achieve the hardware circuit design. The software algorithm aspect, accord
7、ing to request, it adopted the assembly language to carry on the programming, and has produced the related source program as well as the debugging process, finally has carried on the analysis to this design feasibility and the performance error. Key words profile generator, LF2407 chip, pulse-width
8、modulation (PWM) digital signal processing(DSP) 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目录 1 目 录 摘 要 . . ABSTRACT . 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 课题背景 . 1 1.2.1 PWM 波形发生器简介 . 1 1.2.2 PWM 波形发生器的研究发展状况 . 2 1.2.3 课题的研究目的和意义 . 3 1.2.4 本文的主要研究内容 . 3 2 DSP 开发流程 . 4 2.1 DSP 简介 . 4 2.2 DSP 开发方案的设计与选择 . 5 2.2.1 DSP 系统的功能需求分析 . 5 2.2.2 DS
9、P 算法的验证与模拟 . 6 2.2.3 DSP 开发工具的 选择 . 6 2.2.4 DSP 系统调试 . 7 2.3 DSP 系统设计开发流程 . 7 2.4 DSP 处理器软、硬件开发工具简介 . 9 3 PWM 波形发生器的设计方法 . 12 3.1 常见的设计方法简介 . 12 3.1.1 等脉宽 PWM 法 . 12 3.1.2 随机 PWM . 12 3.1.3 非线性控制 PWM . 13 3.1.4 等面积法 . 13 3.1.5 硬件调制法 . 13 3.1.6 空 间电压矢量控制 PWM . 13 3.1.7 矢量控制 PWM . 14 3.1.8 单元脉宽调制法 . 1
10、4 3.2 本文所采用的设计方法 . 15 4 PWM 波形发生器的硬件设计 . 17 4.1 PWM 波形发生器硬件结构 . 17 4.1.1 PWM 波形产生原理 . 17 4.1.2 TMS320LF2407 的介绍 . 17 4.1.3 系统硬件组成 . 18 4.2 PWM 波形产生器的 DSP 电路设计 . 20 5 PWM 波形发生器的软件设计 . 22 5.1 主程序流程图 . 22 5.2 PWM 波形产生器的 DSP 程序设计 . 22 5.2.1 采用通用定时器 GPT1 产生 PWM 波形 . 23 5.2.2 程序说明及仿真结果 . 305.2.3 总结 . 33攀枝
11、花学院本科毕业设计（论文） 目录 2 结论 . 34参考文献 . 35 附录 A：系统总电路图 .36 附录 B： DSP系统设计的实现过程 .37 致 谢 . .38攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 1 1 绪论 1.1 引言 DSP（即数字信号处理器）自 20 世纪 90年代后半期开始 ,逐渐成为人们关注的焦点。 DSP 是将模拟信号变换为数字信号 ,并进行高速处理的专用处理器 ,从算法上说 ,它具有乘法和加法两种特殊运算功能。它主要针对代表连续信号的数字进行数学运算 ,以得到相应的处理 结果。这种数学运算是以快速傅里叶变换 (FFT)为基础 ,对数字信号进行实时处理。目前常见的
12、DSP芯片有 TI的 TMS320系列 ,ADI公司的 ADSP2100系列 ,Lucent的 16000系列 ,Motorola公司的 DSP 56602和 56603系列等。用 DSP 芯片实现数字信号处理具有很强的通用性和灵活性 ,因为 DSP 芯片体积小 ,运算速度极快 ,精度高 ,接口方便 ,特别适合处理复杂的数字信号处理算法。 DSP 将是未来集成电路中发展最快的电子产品 ,并成为电子产品更新换代的决定因素 ,它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。本 文 所阐述的 是 PWM波形发生器所产生的 PWM 波形在工业控制中的应用 。 1.2 课题 背景 随着 电子产业的飞速发展， D
13、SP（数字信号处理器）将越来越广泛的运用在我们的日常生活中，尤其是在通信领域， DSP 更是一种不可缺少的工具 。而 DSP在工业中也得到了广泛的应用，其中基于 DSP 的 PWM 波形发生器在工业控制中尤为常见 ， 可以用它来控制各种电机、电力电子设备、逆变器等 。 1.2.1 PWM 波形发生器简介 PWM（ Pulse-Width Modulation） 脉宽调制 ,是一种开关式稳压电源应用 ，是利用微处理器的数字输 出来对模拟电路进行控制的一种非常有 效的技术 。 随着电子技术的发展 ,出现了多种 PWM 技术 ,其中包括 :相电压控制 PWM、脉宽 PWM 法、随机 PWM、 SPW
14、M 法、线电压控制 PWM 等， PWM 码是一种脉宽调制码 ,它的组成为 9MS 高电平和 4MS 低电平引导脉冲， 16 位系统识别码， 8 位数据正码和 8 位数据反码。一个 PWM 码的 0 是由一个 0.58ms 的低电平和一个 0.58ms 的高电平组成， 1是由一个 0.58ms 的低电平 和一个 1.58ms 的高电平组成。解码原理是这样的 ： 首先通过延时来丢开引导码，然后通过解码丢掉 16 位系统识别码，最后 解系统正码和反码。解开后将正码取反看是否与反码相同，如果相同，即解开保存其值。解码 0或 1是这样的 ： 在低电平的时候等待，直到为高了后，用一个 0.882ms 的
15、延时去量，量完后，如果为低了 ,证明前面是一个 0.58ms 低电平和一个 0.58ms 高电平地组成，即保存一个 0， 如果为高，则证明是由一个 0.58ms攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪论 2 低电平 和一个 1.58ms 高电平组成 ,即保存一个 1,为 1 则再调一个延时，让它延到低电平。等待到高电平后重复上述过程解码。遥控器解码程序介绍：通过上述的解码原理，利用单片机的中断口来测 PWM 码的宽度 ，通过本实验 配备的 遥控，单片机解码 将 在数码管上显示。实际应用例如 红外遥 控。 图 1-1 是 PWM 波形 发生器的原理结构框图 ,主要包括数据存储与扩展、定时器中断和与控制
16、器通信三个部分。脉冲信号在定时器中断中从数据总线经由锁存和驱动输出至脉冲分配部分。 图 1-1 PWM 波形发生器原理框图 1.2.2 PWM 波形发生器的研究发展状况 PWM 波形发生器所产生的 PWM 波形在工业控制中有着广泛的应用，可以用它来控制各种电机、电力电子设备、逆变器等，用途非常广泛，可以说很多控制最终都是由 程序计算出的 PWM 波形来控制的。同时它也 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。简而言之， PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。这三种 PWM 输出编码的分别是强度为满度值的 1
17、0%、 50%和90%的三种不同模拟信号值。对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因。从模拟信号转向 PWM 可以极大地延长通信距离 。 基于 DSP的 脉宽调制 (PWM)波形发生器 设计在 20世纪 70年 代有 了 飞速的发展， 20 世纪 80 年代，基于 DSP 的 PWM 波形发生器已应用到各个工程技术领域，不管在军用还是在民用系统中都发挥了积极的作用。当前全世界使用最多的 DSP是 TI 公司的 TMS320 系列 DSP 器件，由于近 10 年电子 工业的飞速 发展， 基于DSP 的 PWM 波形发生器的设
18、计技术已经成为工程实用技术，目前，国外众多厂商涉足我国 DSP 产品市场， TI、 MOTOROLA、 LUCENT、 ZSP、 NEC 等跨国公司都不DSP 初始化 扩展数据，生成地址表 接收第一个 m 和 f，计算地址表和 指针 定时器中断使能，全局中断使能，计算第一个时钟数并加载， 输出第一个脉冲状态，启动计数器计数 接收下一个 m 和 f 数据，更新地址表指针 输出当前脉冲并指向下一个，计算定时器的下一个时钟并加载，启动计数器 输 出 攀枝花学院本科毕业设计（论文） DSP 开发流程 3 同程度地和国内有关企业及政府机构建立了联系，市场竞争日趋激烈。在国内，基于 DSP 的 PWM 波
19、形发生器的应用已 有了相当好的基础 ，并 有 10 多家集成电路设计企业从事基于 DSP 的 PWM 波形发生器的设计及相关产品的开发和应用，但在 DSP 芯片的研发上除了某些大学、科研院所做过预研性的课题外，目前 DSP芯片市场并没有国内厂商自己生产 DSP 器件，国内市场完全由国外厂商占领。 从应用范围看，基于 DSP 的 PWM 波形发生器的市场前景广阔随着 DSP 芯片的品种和技术档次不断提高以及向多功能化、高性能化、低功耗化方向发展， 脉宽调制 (PWM)波形发生器日益用于人们的生活，在未来相当长的一段时间，我国在这方面的研发将蓬勃发展。 1.2.3 课题 的研究目的和意义 各种波形
20、发生器 已广泛应用于我们的日常生活中，无论是民用还是军用，它的出现都各给 人们带来了方便。其中 PWM 波形发生器的应用更为广泛，据日本电气协会 1992 年发表的一项关于 PWM 波形发生器的调查报告表明，到 2001 年 ,PWM波形发生器的需求平均年增长率为 12.7%，其中通信领域的需求增长率超过 15%，全球 PWM 波形发生器市场规模从 92 年的 82 亿增加到 99年的 166 亿美元 ， 平均年增长率为 10%，到 03 年全球开关电源规模超过 288 亿美元。因此，普及 PWM波形发生器的应用，己经成为电力电子技术中的一 个重大课题。同时，为了保证通信领域和工业控制领域的安
21、全经济运行，目前许多工业国家和组织都开始了对PWM 波形发生器的深入研究，我国从 20 世纪 以 来就开始了对 PWM 波形发生器的研究，目前，我国在这方面的发展已经取到了许多重大突破。总之，对 PWM 波形发生器的工程应用研究还有待继续深入。 1.2.4 本文的主要研究内容 本文在进行 大量有关 PWM 波形发生器的文献研究和资料分析的基础上，主要完成以 下工作： （ 1） 首先阅读了大量关于 PWM 波形发生器 的文章，对该系统及其控制系统有了一定的了解。通过对各种 PWM 波形发生器的工作 原理进行 比较详细的分析，建立了 PWM 波形发生器的数学模型，为后面的分析提供了理论基础。 （
22、2） 并对 DSP 的相关概念和 DSP 芯片的发展与应用做了简单的介绍。 （ 3） 采用 DSP 的 LF2407 芯片的通用定时器 ，设计了系统的硬件电路。 （ 4） 基于软件实现方案，利用汇编和 C 语言的混合编程，编写了其实现程序，完成了对 PWM 波形发生器的数字控制。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 DSP 开发流程 4 2 DSP 开发流程 2.1 DSP 简介 DSP（ digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是 接收模拟信号，转换为 0或 1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统
23、芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序， 远远 超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 DSP 芯片，也称 数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器 件 ，其主机应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求 ， DSP 芯片一般具有 以 下主要特点： （ 1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； （ 2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； （ 3）片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数
24、据总线在两块中同时访问； （ 4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； （ 5）快速的中断处理和硬件 I/O 支持； （ 6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； （ 7）可以并行执行多个操作； （ 8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 DSP 市场拓展纵横谈 ： 在经历整整二十年的市场拓展之后， DSP 所树立的高速处理器地位不仅不可动摇，而且业已成为数字信 息时代的核心引擎。与此同时， DSP 的市场正在蓬勃发展。根据 Forward Concepts 分析家的预测，今年全球 DSP 销量将达到 $82 亿美元，比去年增加约三分之一。而对于 2004 年和 2
25、005年的预测值，则分别是 $108 亿元和 $140 亿元，并预言未来几年 DSP 都将以每年超过 30%的速度成长。根据 CCID 权威的分析，中国 DSP 市场今年可达到 120 亿元人民币，比去年增长约 40%，未来的增长将可能超过全球的平均速度。对于 DSP市场的高速增长，许多人充满着浓厚的兴趣。本文将结合 DSP 纵向的发展历程和横向的拓展方向进行 探讨，以便探讨 DSP 市场拓展的特点。 DSP 商品化历程 ： 八十年代前后，陆续有公司设计出适合于 DSP 处理技术的处理器，于是 DSP 开始成为一种高性能处理器的名称。 TI 在 1982 年发表一款DSP 处理器名为 TMS3
26、2010，其出色的性能和特性倍受业界的关注，当然新兴的攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 DSP 开发流程 5 DSP 业务的确承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题 。 进入九十年代，有多家公司跻身于 DSP 领域与 TI 进行市场竞争。 TI 首家提供可定制 DSP，称作 CDSP。 CDSP 基于内核 DSP 的设计可使 DSP 具有更高的系统集成度，大加速了产品的上市时间 。同时 TI 瞄准 DSP 电子市场上成长速度最快的领域，适时地提供各种面向未来发展的解决方案。到九十年代中期，这种可编程的 DSP 器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频
27、产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。德州仪器通过不断革新，推陈出新， DSP 业务也一跃成为 TI 的最大的业务，并始终处于全球 DSP 市场的领导地位。虽然这个阶段 DSP 每 MIPS 的价格已降到 10 美分到1美元的范围，但 DSP 所带动的市场规模巨大。 2.2 DSP 开发方案的设计与选择 十多年前， DSP 以其高速 、低功耗和高集成度在军事、航天等领域大显身手，随着半导体工艺的进步和工业民用领域的大量采用，近几年来， DSP 价格大幅下调，而性能却不断提高，以不可阻挡的趋势 进入通信、工业控制和消费领域， DSP正日渐成为现代信息产业的重要基石。 从 DSP
28、应用范围看， DSP 可分为通用 DSP 和专用 DSP 两种。其中专用 DSP 往往是实现信号处理的某些专项功能，实现方式则往往是通用 DSP 的掩模版本 ,生产通用 DSP 的主要厂家有 TI 公司， AD 公司 ,Motorola, Lucent，其中 TI 公司著名的 TMS320 系列占据了国际市场接近一半的 市场份额。当我们确定了采用 DSP方案以后，首先要做的就是 DSP 系统的功能需求分析，根据需求 选择合适的 DSP芯片和相应的开发、 仿真工具。 2.2.1 DSP 系统的功能需求分析 在确定了某个具体应用以后，我们要做的第一件事就是构造出一个 DSP 系统功能框图（图略）。 DSP 系统设计中要考虑如下几个重要方面： (1)DSP 系统处理的模拟带宽。根据这个带宽，选择合适的 A/D采样率， A/D采样频率必须服从采样定理。语音信号一般为几 kHz 到几十 kHz，图像信号则可达 几 MHz； (2)实时性要求。系统设计中实时 性 与非实时 性 对 系统要求的差异非常之大； (3)算法的复杂度。为了获得 较 好的系统处理性能，往往要采用复杂算法，而算法越复杂，对 DSP 处理器的要求也就越多。有时需要在算法的复杂度和处理速度之间进行折衷；
