80C196KC-ADMC401接口電路設計及其應用

摘要：結合８０Ｃ１９６ＫＣ和ＡＤＭＣ４０１雙ＣＰＵ接口電路圖，詳細介紹了系統(tǒng)的設計過程，并對主要部件的基本功能以及需要注意的問題做了分析和說明。最后以靜止無功發(fā)生器（ＳＶＧ）裝置為例，介紹了雙ＣＰＵ系統(tǒng)的應用。

隨著微機控制技術的發(fā)展和廣泛應用以及控制系統(tǒng)復雜性和實時性要求的不斷提高，使得很多系統(tǒng)需要用兩個甚至更多的控制器，實現(xiàn)被控對象提出的各種要求。尤其是在工業(yè)應用領域中，要完成大量的數(shù)據(jù)采集和處理、控制信號的接收和發(fā)送等諸多功能，對系統(tǒng)的運算速度、接口資源、穩(wěn)定性以及成本方面有著非常高的要求。設計一個實用、合理、經濟的高性能控制系統(tǒng)是成功投入現(xiàn)場運行的關鍵。

在ＳＶＧ（靜止無功發(fā)生器）裝置中涉及到大量的復雜計算（如濾波計算、瞬時無功計算）和先進的控制手段（如矢量控制）以及諸多信號的采集和發(fā)送，使得單個ＣＰＵ很難滿足系統(tǒng)要求。因此采用高集成度的嵌入式處理器與ＤＳＰ芯片組成雙ＣＰＵ系統(tǒng)來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。

１ 系統(tǒng)設計

１．１ 系統(tǒng)的組成及原理

雙ＣＰＵ系統(tǒng)的原理圖框圖如圖１所示。系統(tǒng)采用８０Ｃ１９６ＫＣ和ＡＤＭＣ４０１兩個芯片作為核心處理器。ＡＤＩ公司的ＡＤＭＣ４０１芯片是基于ＤＳＰ的控制器，非常適于工業(yè)應用領域中的高性能控制。該芯片集成了一個高速的ＤＳＰ內核，且其內核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成的環(huán)境中快速實現(xiàn)控制。Ｉｎｔｅｌ公司的８０Ｃ１９６（ＫＢ／ＫＣ）是一款高性能且價格低廉的１６位單片機，同樣適用于高速控制和需要多個外設的場合。兩個ＣＰＵ在運行時獨立執(zhí)行存放在不同器件中的程序，同時保持相互之間的協(xié)調工作�？紤]到系統(tǒng)本身的復雜性，如果使用傳統(tǒng)的ＲＡＭ、ＲＯＭ和邏輯譯碼器件分離的系統(tǒng)接線方式，必定會使得整個控制電路過于龐雜，給調試帶來很大困難，同時也降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，該系統(tǒng)用到了可編程系統(tǒng)外圍接口器件ＰＳＤ產品中的ＰＳＤ４２３５和ＰＳＤ３１１。它們分別作為兩個ＣＰＵ的外部擴展器件，并和ＣＰＵ組成一個雙ＣＰＵ—ＰＳＤ系統(tǒng)（簡稱雙ＣＰＵ系統(tǒng)），如圖１所示。兩個ＣＰＵ間的相互通信采用了雙口ＲＡＭ（ＩＤＴ７１３２），通過它可以順利實現(xiàn)兩個ＣＰＵ之間的數(shù)據(jù)傳輸。鍵盤管理部分用８２Ｃ７９接口芯片。輸出顯示部分用以ＳＥＤ１５２０為驅動芯片的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶模塊（ＬＣＤ）。系統(tǒng)中專門增加了額外的串行Ｅ２ＰＲＯＭ，主要用于掉電時數(shù)據(jù)的保護以及記錄部分操作參數(shù)。此外，組成系統(tǒng)的還有ＷＡＴＣＨＤＯＧ電路、ＵＡＲＴ電路等。它們在系統(tǒng)中的資源分配、功能實現(xiàn)都是通過對控制器的軟件編程來完成。下面將詳細介紹各部分的接口電路設計以及相應的工作原理。

１．２ ８０Ｃ１９６ＫＣ部分設計

１６位的８０Ｃ１９６ＫＣ芯片是Ｉｎｔｅｌ公司ＭＣＳ－９６系列單片機中重要的新成員，也是目前該系列單片機中性能最強的產品之一，在各類自動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高級智能儀器中都有廣泛的應用。８０Ｃ１９６ＫＣ芯片的特點如下：振蕩信號頻率達１６ＭＨｚ，指令的運算速度更快，１６位乘法１．７５μｓ，３２位除法３．０μｓ；８個Ａ／Ｄ通道，可以方便地實現(xiàn)被控對象多點電壓和電流采樣；通過ＣＰＵ的串行口可實現(xiàn)與上位ＰＣ機之間的通信；新增１００Ｈ～１ＦＦＨ內部ＲＡＭ，在垂直窗下具有更靈活的運用；具有三路脈寬調制（ＰＷＭ）輸出；在８０Ｃ１９６ＫＢ的基礎上又增加了５條（ＫＢ已經增加了６條），使程序編制更加方便；１６位多路復用地址數(shù)據(jù)／地址線可以與ＰＳＤ直接接口，同時通過鎖存器后，可將地址和數(shù)據(jù)分別接至雙口ＲＡＭ，實現(xiàn)多個ＣＰＵ之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)�。詳細的性能參�?shù)和特點請參見文獻?１～２?。在雙ＣＰＵ系統(tǒng)中，８０Ｃ１９６主要完成的功能有鍵盤控制、顯示輸出、數(shù)據(jù)保存、信號傳送等。由于涉及的內容復雜，而且還需要與很多外圍接口，所以用到了大容量、多端口的ＰＳＤ４０００系列芯片與它配合，圖２所示即為８０Ｃ１９６ＫＣ部分的電路圖。

圖2 80C196KC-PSD4235接口電路

雖然ＣＰＵ的數(shù)據(jù)與地址線可以直接與ＰＳＤ連接，但是在雙口ＲＡＭ時，數(shù)據(jù)與地址信號必須分離。所需用到的鎖存器在圖２中省略了。ＰＳＤ４２３５芯片是ＷＳＩ公司２０００年最新推出ＰＳＤ４０００系列產品，它能夠適應多種不同的微處理器。其片內集成了４Ｍ位的閃速存儲器，１６個輸出微單元、２４個輸入微單元的ＣＰＬＤ、譯碼ＰＬＤ，５２個單獨可配置Ｉ／Ｏ端口，ＪＴＡＧ串行接口等，并且有支持掉電模式的低功耗可編程電源管理單元。ＰＳＤ芯片對外地址分配和各接口的邏輯譯碼由專用的軟件ＰＳＤＳＯＦＴＴＭＬＩＴＥ實現(xiàn)，具體情況請參考文獻?５～６?或登陸ｗｗｗ．ｗａｆｅｒｓｃａｌｅ．ｃｏｍ站點查詢。使用ＰＳＤ后極大地簡化了硬件電路的設計，減少了印制電路板的面積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。顯示部分通過單片機控制圖形液晶模塊ＭＧＬＳ－１２０３２實現(xiàn)。該模塊有直接訪問方式和間接訪問方式兩種。本系統(tǒng)以間接訪問方式為基礎。圖２所示即為間接訪問方式的電路。顯示模塊的時序通過對８０Ｃ１９６編程實現(xiàn)。液晶模塊ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ是兩片ＳＥＤ１５２０級聯(lián)在一起，一片處于主工作方式，一片處于從工作方式，它們分別控制顯示屏幕的左、右半屏。在編程時要特別注意漢字和字符顯示時在邊界區(qū)域兩片ＳＥＤ１５２０間的切換。

系統(tǒng)中外部擴展了串行的Ｅ２ＰＲＯＭ電路，用來存放系統(tǒng)的一些固定參數(shù)等，使用的芯片是Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ２４Ｃ０２。它只需通過８０Ｃ１９６ＫＣ的高速輸入、輸出通道（ＨＩＳ和ＨＳＯ）產生連續(xù)的高低電平序列，便可實現(xiàn)與ＣＰＵ之間的數(shù)據(jù)傳輸。從硬件的角度來看，該芯片不占用任何數(shù)據(jù)總線，連接簡單且節(jié)約大量系統(tǒng)資源。

１．３ ＡＤＭＣ４０１部分設計

ＡＤＭＣ４０１芯片是一個基于單片ＤＳＰ的控制器，適合工業(yè)應用領域中高性能控制。該芯片集成了一個２６ＭＩＰＳ（１３ＭＨｚ晶振）定點內核ＡＤＳＰ－２１７１，單條指令執(zhí)行時間為３８．５ｎｓ，其編碼與ＡＤＳＰ－２１ｘｘＤＳＰ 系列完全兼容。內核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成環(huán)境中快速實現(xiàn)對元器件的控制；它還包含三個計算單元、兩個數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個程序定序器。其中計算單

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