80C196KC-ADMC401双CPU接口电路设计/其应用

随着微机控制技术的发展和广泛应用以及控制系统复杂性和实时性要求的不断提高，使得很多系统需要用两个甚至更多的控制器，实现被控对象提出的各种要求。尤其是在工业应用领域中，要完成大量的数据采集和处理、控制信号的接收和发送等诸多功能，对系统的运算速度、接口资源、稳定性以及成本方面有着非常高的要求。设计一个实用、合理、经济的高性能控制系统是成功投入现场运行的关键。

在ＳＶＧ（静止无功发生器）装置中涉及到大量的复杂计算（如滤波计算、瞬时无功计算）和先进的控制手段（如矢量控制）以及诸多信号的采集和发送，使得单个ＣＰＵ很难满足系统要求。因此采用高集成度的嵌入式处理器与ＤＳＰ芯片组成双ＣＰＵ系统来实现对整个系统的控制。

１ 系统设计

１．１ 系统的组成及原理

双ＣＰＵ系统的原理图框图如图１所示。系统采用８０Ｃ１９６ＫＣ和ＡＤＭＣ４０１两个芯片作为核心处理器。ＡＤＩ公司的ＡＤＭＣ４０１芯片是基于ＤＳＰ的控制器，非常适于工业应用领域中的高性能控制。该芯片集成了一个高速的ＤＳＰ内核，且其内核具有一套完备的外围控制接口，以便在高度集成的环境中快速实现控制。Ｉｎｔｅｌ公司的８０Ｃ１９６80C196（ＫＢ／ＫＣ）是一款高性能且价格低廉的１６位单片机，同样适用于高速控制和需要多个外设的场合。两个ＣＰＵ在运行时独立执行存放在不同器件中的程序，同时保持相互之间的协调工作。考虑到系统本身的复杂性，如果使用传统的ＲＡＭ、ＲＯＭ和逻辑译码器件分离的系统接线方式，必定会使得整个控制电路过于庞杂，给调试带来很大困难，同时也降低了系统的稳定性。因此，该系统用到了可编程系统外围接口器件ＰＳＤ产品中的ＰＳＤ４２３５和ＰＳＤ３１１。它们分别作为两个ＣＰＵ的外部扩展器件，并和ＣＰＵ组成一个双ＣＰＵ-ＰＳＤ系统（简称双ＣＰＵ系统），如图１所示。两个ＣＰＵ间的相互通信采用了双口ＲＡＭ（ＩＤＴ７１３２IDT7132），通过它可以顺利实现两个ＣＰＵ之间的数据传输。键盘管理部分用８２Ｃ７９82C79接口芯片。输出显示部分用以ＳＥＤ１５２０SED1520为驱动芯片的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶模块（ＬＣＤ）。系统中专门增加了额外的串行Ｅ２ＰＲＯＭ，主要用于掉电时数据的保护以及记录部分操作参数。此外，组成系统的还有ＷＡＴＣＨＤＯＧ电路、ＵＡＲＴ电路等。它们在系统中的资源分配、功能实现都是通过对控制器的软件编程来完成。下面将详细介绍各部分的接口电路设计以及相应的工作原理。

１．２ ８０Ｃ１９６ＫＣ部分设计

１６位的８０Ｃ１９６ＫＣ80C196KC  80C196KB芯片是Ｉｎｔｅｌ公司ＭＣＳ－９６系列单片机中重要的新成员，也是目前该系列单片机中性能最强的产品之一，在各类自动控制系统、数据采集系统和高级智能仪器中都有广泛的应用。８０Ｃ１９６ＫＣ芯片的特点如下：振荡信号频率达１６ＭＨｚ，指令的运算速度更快，１６位乘法１．７５μｓ，３２位除法３．０μｓ；８个Ａ／Ｄ通道，可以方便地实现被控对象多点电压和电流采样；通过ＣＰＵ的串行口可实现与上位ＰＣ机之间的通信；新增１００Ｈ～１ＦＦＨ内部ＲＡＭ，在垂直窗下具有更灵活的运用；具有三路脉宽调制（ＰＷＭ）输出；在８０Ｃ１９６ＫＢ的基础上又增加了５条（ＫＢ已经增加了６条），使程序编制更加方便；１６位多路复用地址数据／地址线可以与ＰＳＤ直接接口，同时通过锁存器后，可将地址和数据分别接至双口ＲＡＭ，实现多个ＣＰＵ之间的数据传输等。详细的性能参数和特点请参见文献[１～２]。在双ＣＰＵ系统中，８０Ｃ１９６主要完成的功能有键盘控制、显示输出、数据保存、信号传送等。由于涉及的内容复杂，而且还需要与很多外围接口，所以用到了大容量、多端口的ＰＳＤ４０００PSD4000系列芯片与它配合，图２所示即为８０Ｃ１９６ＫＣ部分的电路图。

虽然ＣＰＵ的数据与地址线可以直接与ＰＳＤ连接，但是在双口ＲＡＭ时，数据与地址信号必须分离。所需用到的锁存器在图２中省略了。ＰＳＤ４２３５PSD4235芯片是ＷＳＩ公司２０００年最新推出ＰＳＤ４０００系列产品，它能够适应多种不同的微处理器。其片内集成了４Ｍ位的闪速存储器，１６个输出微单元、２４个输入微单元的ＣＰＬＤ、译码ＰＬＤ，５２个单独可配置Ｉ／Ｏ端口，ＪＴＡＧ串行接口等，并且有支持掉电模式的低功耗可编程电源管理单元。ＰＳＤ芯片对外地址分配和各接口的逻辑译码由专用的软件ＰＳＤＳＯＦＴＴＭＬＩＴＥ实现，具体情况请参考文献[５～６]或登陆ｗｗｗ．ｗａｆｅｒｓｃａｌｅ．ｃｏｍ站点查询。使用ＰＳＤ后极大地简化了硬件电路的设计，减少了印制电路板的面积，提高了系统的稳定性。显示部分通过单片机控制图形液晶模块ＭＧＬＳ－１２０３２实现。该模块有直接访问方式和间接访问方式两种。本系统以间接访问方式为基础。图２所示即为间接访问方式的电路。显示模块的时序通过对８０Ｃ１９６编程实现。液晶模块ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ是两片ＳＥＤ１５２０级联在一起，一片处于主工作方式，一片处于从工作方式，它们分别控制显示屏幕的左、右半屏。在编程时要特别注意汉字和字符显示时在边界区域两片ＳＥＤ１５２０间的切换。模块详细的内部结构和具体的编程实现方法可查阅文献[７]。

系统中外部扩展了串行的Ｅ２ＰＲＯＭ电路，用来存放系统的一些固定参数等，使用的芯片是Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ２４Ｃ０２AT24C02。它只需通过８０Ｃ１９６ＫＣ的高速输入、输出通道（ＨＩＳ和ＨＳＯ）产生连续的高低电平序列，便可实现与ＣＰＵ之间的数据传输。从硬件的角度来看，该芯片不占用任何数据总线，连接简单且节约大量系统资源。

１．３ ＡＤＭＣ４０１ADMC401部分设计

ＡＤＭＣ４０１ADMC401芯片是一个基于单片ＤＳＰ的控制器，适合工业应用领域中高性能控制。该芯片集成了一个２６ＭＩＰＳ（１３ＭＨｚ晶振）定点内核ＡＤＳＰ－２１７１，单条指令执行时间为３８．５ｎｓ，其编码与ＡＤＳＰ－２１ｘｘＤＳＰ 系列完全兼容。内核具有一套完备的外围控制接口，以便在高度集成环境中快速实现对元器件的控制；它还包含三个计算单元、两个数据地址发生器和一个程序定序器。其中计算单元包含一个算术逻辑单元ＡＬＵ、一个乘法／累加器（ＭＡＣ）和一个桶式移位器。内核还增加了位操作、平方、四舍五入和全局中断屏蔽等指令。除此之外，ＡＤＭＣ４０１ADMC401芯片包括两个灵活的双缓冲器、双向的同步串行口。图３为ＡＤＭＣ４０１的功能框图。ＡＤＭＣ４０１ADMC401芯片提供２Ｋ×２４位的内部程序存储器ＲＡＭ、２Ｋ×２４位的内部程序存储器ＲＯＭ、１Ｋ×１６位的内部数据存储器ＲＡＭ、１个高性能８通道１２位模数转换ＡＤＣ系统（它能经过４对输入实现双通道同时采样）、１个三相１６位中心对称的ＰＷＭ发生器（能以最小开销产生高精度的ＰＷＭ信号）、１个灵活的增量编码器接口单元、２个可调频的辅助ＰＷＭ输出、１２条Ｉ／Ｏ数字信号线、１个双通道事件捕获系统、１个１６位看门狗定时器、２个１６位内部定时器等。

ＰＳＤ３ＸＸPSD3XX芯片内部同样提供了许多应用系统需要的全部元件和外围。对于８０５１、８０１９６和６８ＨＣ１１68HC11等微控制器来说与ＰＳＤ相配合是极为有用的。ＡＤＭＣ４０１与它结合同样非常有效。考虑到ＡＤＭＣ４０１内部程序的长度以及接口并不象８０１９６控制器那么多（８０１９６需要完成人机界面实现、信号传送、外围器件接口等），所以采用ＰＳＤ３１１（现有价格最低的３系列产品）。ＡＤＭＣ４０１芯片的引导程序装载可以通过两个引脚ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ的各种不同状态产生。如果引脚ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ电位都为０，那么ＡＤＭＣ４０１芯片工作在所谓的ＥＰＲＯＭ引导程序模式，其中被称为"引导存储器"的专用外部存储空间将允许芯片和字节宽度的ＥＰＲＯＭ相连，并在上电时通过存储器接口从外部装载程序；如果引脚ＭＭＡＰ和ＢＭＯＤＥ设置为其它电位将会产生不同的引导模式；另外，４０１芯片有一个专门的低电平有效信号--引导存储器选择ＢＭＳ（Ｂｏｏｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ｓｅｌｅｃｔ）简化了引导存储器的接口。以上这些功能极大地方便了ＡＤＭＣ４０１与ＰＳＤ接口。图４为ＡＤＭＣ４０１与ＰＳＤ３１１的接口电路图（图中还包括了一些其它外围）。ＡＤＭＣ４０１与ＰＳＤ３１１的连接几乎和它与标准的ＥＰＲＯＭ连接一样简单。由于总线的通路布在ＡＤＭＣ４０１内部，ＰＳＤ３１１的８根数据线并不与ＡＤＭＣ４０１的Ｄ７～Ｄ０相连，而是与Ｄ１５～Ｄ８Ｃ相连。还要注意，地址的最高位由ＡＤＭＣ４０１的Ｄ２２线提供（在ＡＤＭＣ４０１中没有Ａ１４地址线）。ＢＭＳ信号充当ＥＰＲＯＭ的片选并与ＰＳＤ３１１的Ａ１９输入相连接。Ａ１９在ＰＳＤ的程序里将被定义为芯片使能信号。ＡＤＭＣ４０１生成低有效读和写选通脉冲，它们与ＰＳＤ３１１的ＲＤ和ＷＲ输入相连。这些选通脉冲在传输中用来选通ＰＳＤ３１１的ＥＰＲＯＭ和ＲＡＭ。ＡＤＭＣ４０１有２Ｋ×２４位的内部程序存储空间。在采用ＥＰＲＯＭ引导程序模式时（ＭＭＡＰ＝０，ＢＭＯＤＥ＝０），外部程序通过ＡＤＭＣ４０１内部的定序器按照２４位命令格式一次性全部下载到其内部程序存储空间。当然应用程序可能大于ＡＤＭＣ４０１内部程序存储空间，不过程序如果执行到后面的代码，ＡＤＭＣ４０１会自动重新引导。引导程序存储器由八页组成，每页８Ｋ字节长。一页中除了第一个字节外每隔三个字节是一个空字节，第一个字节是该页的长度，在两个相邻空字节中每组三个字节包含一个要装入ＤＳＰ 内部
程序存储器的２４位指令。也就是说２Ｋ×２４位的内部程序存储空间需要８Ｋ×８位的外部存储空间。在ＡＤＭＣ４０１的开发工具中有一个程序存储器ＰＲＯＭ分配器实用程?quot;ＳＰＬ２１．ｅｘｅ"。它为用户程序计算正确的页长度，并且根据适当的协议为用户程序的字节排序，极大地方便了程序代码的生成。这些生成的代码可以直接写入ＰＳＤ３１１。

２ ８０Ｃ１９６ＫＣ-ＡＤＭＣ４０１80C196KC ADMC401两片系统在ＳＶＧ装置中的应用

ＳＶＧ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）--静止无功发生器也被称为ＳＴＡＴＣＯＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ），是灵活交流输电系统ＦＡＣＴＳ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）技术中一个重要的基础部件。虽然ＳＶＧ装置的成本要高一些，但其灵活的动态调节特性、优越的补偿效果以及更小的设备体积都是其他无功补偿装置不能比拟的。很多文献资料对ＳＶＧ装置的原理和研制都有介绍。图５为两片系统的ＳＶＧ装置结构图。

系统共分为三个主要部分。第一部分是由８０Ｃ１９６ＫＣ-ＡＤＭＣ４０１两片系统构成的检测控制部分。８０１９６主要负责人机界面的完成以及向上位机发送信号等功能,ADMC401的高速流水线式的８路Ａ／Ｄ采样端口也为电压电流的快速采集提供了保证，同时ＡＤＭＣ４０１还要完成数字滤波计算、无功计算、ＰＷＭ控制信号的产生发送等功能。第二部分是由ＩＧＢＴ模块构成的逆变电路。ＳＶＧ装置的关键部件就是它的逆变桥路部分，而ＡＤＭＣ４０１集成的专用６路ＰＷＭ波发生器正好提供了灵活的控制方法。此外，逆变电路部分采用富士电机最新推出的Ｒ系列ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模块７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０。它将过去的ＩＧＢＴ单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块中，极大地提高了实际应用系统的稳定性，简化了设计的难度，缩小了装置的体积。第三部分是由电力二极管构成的全波整流电路。整流电路采用日本富士公司的三相全波整流模块６ＲＩ１００Ｇ－１６０。主要将三相线路上的交流电压变为直流输出，从而维持直流电容两端电压的稳定，为逆变电路提供一个直流电。这样避免了要轻微改变逆变器的触发工作角来达到提高和稳定电容上电压的情况。电流的检测是利用ＫＴ１００－Ｐ型电流传感器完成，电压的检测是利用ＣＨＶ－５０Ｐ电压传感器完成。输出显示部分是用以ＳＥＤ１５２０SED1520为驱动芯片的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶模块。以上各部件功能都是通过对ＡＤＭＣ４０１数字信号处理芯片和８０Ｃ１９６ＫＣ软件编程实现。 ８０Ｃ１９６ＫＣ80C196KC和ＡＤＭＣ４０１ADMC401组成的两片系统，应用范围相当广泛，非常适合计算量大、多外设、高速度的场合。