华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 "黑色经典"系列之《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 第4章常用自动控制系统设计 随着自动化技术、计算机技术、集成芯片制造技术的飞速发展,自动控制系统的设计、 实现也出现了飞跃式的发展,从单输入单输出系统发展到多输入多输出系统,从基本的 PID (Proportional Integral Differential)控制发展到目前种类繁多的最优控制、鲁棒控制、非线性 控制、模糊控制、神经网络控制、滑模控制以及多种控制方法的结合控制技术,从自动控制 系统的硬件实现来看,从20 世纪 60 年代的分立元器件到 20 世纪 70 年代的中、小规模集成 电路、再到 80 年代流行的以单片机为核心的数字化自动控制系统,然后到目前的以 DSP(数 字信号处理器)为核心的高速、精密、智能的自动控制系统. 自动控制技术几乎应用于所有的工业部门,由于工业现场的工作环境、工作内容、控制 对象、执行设备、动力设备、工作指标各不相同,因此工业控制的设计方法和实现手段也非 常多,归纳起来,工业控制一般包括如下类别:过程控制、运动控制、速度伺服控制、位置 伺服控制、点对点(I/O)控制等.过程控制和点对点(I/O)控制相对速度较慢,而运动控 制和速度伺服控制以及位置伺服控制相对速度较快. 本章将基于 TI 公司 LF2407 和外接 DA 转换芯片,实现数字 PID 控制器,采用的 PID 控 制算法是增量式 PID 控制算法,然后在此硬件平台上,以增量式 PID 控制算法为基础,介绍 基于 LF2407 的模糊 PI 控制器的实现. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 4.1 案例要求和应用对象 在过程控制、运动控制、速度伺服控制、位置伺服控制中,用得最多的控制方法是数字 PID 控制算法,目前虽然有很多优秀的控制方法都采用较新的控制算法,这些算法包括:积 分分离 PID 控制算法、微分先行 PID 控制算法、带死区(dead-line)的PID 算法、模糊 PID 算法等, 但是这些算法都是建立在普通的数字 PID 控制算法的基础上的, 普通的 PID 控制算 法是其他一切控制算法的基础.虽然当前控制理论和控制技术在信息技术、集成电路制造技 术的高速发展的推动下有了很大的发展,例如自适应控制、神经网络和模糊控制、鲁棒控制、 滑模控制以及最优控制等很多现代控制方法都得到广泛的应用,但是数字 PID 控制仍然是一 种稳定的、可靠的、实现简单的、使用广泛的控制方法. PID 控制是技术最成熟的一种控制方法,特别是在控制对象的模型未知或难以建立时, 常常采用 PID 控制方法.PID 控制原理简单、实现方便,并且适应性广、鲁棒性强,其控制 品质对被控对象特性的变化不是很敏感.随着计算机技术的发展,在PID 控制的基础上,出 现了很多改进的数字 PID 控制方法,如微分先行 PID 控制、积分分离 PID 控制、带死区的 PID 控制(非线性 PID 控制)等.对于数字 PID 控制方法,又分为增量式 PID 控制算式和位 置式 PID 控制算式. 本案例在 DSP 内部设置参考输入量,通过 LF2407 的片上 10bit AD 转换器采样,把被控 对象的实际输出量采集到 DSP 中,经过 DSP 的数字运算处理后,通过外部的 DA 转换芯片 (AD7237)进行数/模转换,得到实际的模拟控制量去控制被控对象,使之按照系统的设置运 行工作. 另外本案例将在数字 PID 控制器的基础上,介绍基于 LF2407 的模糊 PI 控制器的实现. 虽然数字 PID 控制器算法简单,不需要数学模型,且稳定性好、可靠性高.如果使用同样系 数的 PID 控制器,一旦被控对象的工况发生变化,其控制品质将随之下降.也就是说如果在 被控对象空载的情况下设定了 PID 控制器的各个参数,而当被控对象的温度、所加负载以及 速度变化时,PID 控制器的控制品质将会下降.为此,控制理论提出了模糊 PI 控制器.模糊 PI 控制器是在 PI 控制器的基础上改进的,它的参数 Kp、Ki 将由模糊控制规则和专家经验决 定.当被控对象的特性变化时,模糊 PI 控制器的参数 Kp、Ki 也随着发生变化,从而使得控 制品质在各种不同的工况下均有良好的指标,满足工业控制的要求. 本案例介绍的数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的用途非常广泛, 可以用于大多数工业控 制现场,但不能应用于生物医疗设备、仪器的研制,因为采用本案例介绍的数字 PID 控制器 和模糊 PI 控制器为了获得较快的动态过程,在状态变化的过渡过程中存在超调,而且对超调 的抑制仅仅是采用微分环的作用,而模糊 PI 控制器中干脆就没有微分环节,这在工业生产部 门是可以容忍的,而在生物医疗设备中却万万不能出现,生物医疗设备的自动控制设计的一 个显著特点就是要抑制超调,而情愿牺牲其他的动态指标. 把本案例介绍的数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器应用于工业控制现场, 其动态指标的各 方面比普通的控制器均有所提高,详细的指标评价在案例总结中有论述.图4.1 是一个典型 的采用数字 PID 控制器的,基于 LF2407 DSP 的速度控制系统的结构示意图. 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.1 基于 LF2407 DSP 的速度控制系统的结构示意图 如图 4.1 所示,系统由 DSP LF2407A 作为控制器,由它产生一个数字控制量送入 DA 转 换器,此处 DA 转换芯片采用 AD7237,由它进行数/模转换,得到模拟控制量,送入执行器, 由执行器产生具有一定电流的功率控制量去直接控制电机,以上是一个开环的过程.自动控 制系统中采用测速电机来测被控电机的转速,然后转换为模拟电压信号反馈给控制器 LF2407A 的片上外设——AD 转换器.另外需要注意的是,测速电机种类繁多,根据不同的 测速指标,测速电机的价格差别也很大,有的测速电机需要上万元,而普通的测速电机只有 几百元甚至几十元,设计者一定要根据自身系统设计的需要购买,否则将大大增加系统的成 本,难以推向市场. 4.2 硬件电路设计 基于 LF2407 的数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的 DSP 实现电路原理图是一样的, 如图4.2 所示. 从图 4.2 中可以看出,模拟量输入,也即被控电机的实际输出转速,通过一个限流电阻 R1 送到由 AD8041 构成的电压跟随器里,经过放大后,再经二极管 D1 和D2 嵌位以及电阻 R2 限流, 送到 LF2407 的片上 AD 转换器中, 使得 AD 的输入限制在 0mV~3300mV. LF2407 一共有 16 路复用的片上 AD 转换器,本实例只采用第 0 通道的 AD 转换. 由DSP 计算出控制量,通过外部数据总线送给 DA 转换器,采用 AD 公司的 AD7237 芯片, 它是 8 位DA 转换器, 由DSP 的外部地址总线 A2、 A1、 A0 构成 DA 转换器的译码电路, DA 转换器的输出采用 AD7237 的A相输出. LF2407 由外部提供复位信号, 由无源晶振提供 6MHz 时钟. 片上 AD 转换器的参考电压 高电平端 Vrefhi 接DSP 电源+3.3V,参考电压低电平端 Vreflo 接DSP 的地. TI 公司的 TMS320LF24xx 系列 DSP 是一种定点型 DSP,它的功能强大的 CPU 为C2000 DSP 的应用提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力,并且该芯片集成了多种集成外设, 对工业应用中的电机数字化控制非常有用, 是电机数字化控制的升级换代的产品. 该系列 DSP 具有如下一些优点. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.2 用DSP 实现数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的电路原理图 ? 采用高性能静态 CMOS 技术,使得供电电压为 3.3V,减小了控制器的功耗,另外 30MIPS 的执行速度使得指令周期缩短到 33ns (30MHz) , 从而提高了控制器的实时控制能力. ? 片内有高达 32KB 的Flash 程序存储器,高达 1.5KB 的数据/程序 RAM,544Byte 的 双口 RAM(DARAM)和2KB 的单口 RAM(SARAM) . ? 两个事件管理器模块 EVA 和EVB,每个都包括:2 个16 位通用定时器;8 个16 位的脉宽调制(PWM)通道.它们能够实现:三相反相器控制;PWM 的对称和非对称波 形;当外部引脚/PDPINTx 出现低电平时快速关闭 PWM 通道;可编程的 PWM 死区控制以 防止上下桥臂同时输出触发脉冲;3 个捕获单元;片内光电编码器接口电路;16 通道 AD 转换器.事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进 电机等. ? 可扩展的外部存储器最大共有 192KB 空间; 64KB 程序存储器空间; 64KB 数据存储 器空间;64KB I/O 寻址空间. ? 看门狗定时器模块(WDT) . ? 10 位AD 转换器的最小转换时间是 500ns,可选择由两个事件管理器来触发两个 8 通道输入的 AD 转换器或者一个 16 通道输入的 AD 转换器. 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 ? 控制器局域网络(CAN)2.0 B 模块. ? 串行通信接口(SCI)模块. ? 16 位的串行外设(SPI)接口模块. ? 基于锁相环的时钟发生器. ? 高达 40 个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO) . ? 5 个外部中断,其中 2 个电机驱动保护、复位和 2 个可屏蔽中断. ? 电源管理包括 3 种低功耗模式,能独立地把外设器件转入低功耗工作状态. 本案例选用的 TI 公司的 TMS320LF24xx 系列的 DSP——TMS320LF2407A,它的 PGE 形式的封装图如图 4.3 所示. 另外一个涉及到系统性能指标的关键芯片是 DA 转换芯片,本案例中选用美国 AD 公司 的AD7237 来进行数/模转换,它的原理结构示意图如图 4.4 所示.AD7237 具有如下的一些 关键特点. 图4.3 TMS320LF2407A DSP 的PGE 形式的封装图 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.4 AD7237 的原理结构示意图 ? 具有完全的双 12 位DA 转换通道, 可以提高整个系统的可靠性, 改善系统的稳定性, 特别适用于小结构的嵌入式系统. ? 片上具有电压参考输入. ? DA 转换的输出端具有放大电路,带载能力强. ? 芯片的操作电压是 12~15V,可以双电源供电,也可以是单电源供电. ? DA 转换输出的典型的数据建立时间是 30ns. ? 单电源供电时,典型的芯片功耗是 165mW. 如图 4.2 所示的硬件电路中,AD8041 构成了电压跟随器,对输入信号放大,再经二极管 D1 和D2 嵌位以及电阻 R2 限流, 送到 LF2407 的片上 AD 转换器中, 本案例选用美国 AD 公 司的 AD8041,它具有如下的一些关键特点. ? 多种电源形式供电,可以是+3V 或+5V 单电源供电,也可以是±5V 双电源供电,兼 容性好. ? 片上提供轨到轨(Rail to Rail)的输出. ? 输入电压范围大,容故障能力强,在低于地电平 200mV 的输入电压下能正常工作. ? 片上具有/DISABLE 引脚,能够使芯片进入低功耗模式. ? 转换速度快,可以输入高频信号,其斜率为 160V/?s. ? 高频低失真,在10MHz 频率下,最差谐波是-69 dBc. ? 输出端的带载能力强. 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 4.3 软件系统设计思路 在数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的程序设计中需要用到大量的变量,为了便于 以后的讲解,首先定义一些程序中所要使用的变量名和公式中使用的变量名,如表 4.1 所示. 表4.1 公式中变量和程序中变量的对应关系及意义表 公式中的变量 意义描述 程序中的对应变量 r(k) PID 控制器的参考输入量 PID_input c(k) PID 控制器的实际输入量 PID_reference u(k) PID 控制器的当前控制量 PID_output u(k?1) PID 控制器的上次控制量 PID_output1 e(k) 当前偏差量 PID_e0 e(k?1) 上次偏差量 PID_e1 e(k?2) 上上次偏差量 PID_e2 Kp 比例增益系数 Kp Ki 积分增益系数高位字 Ki_high Ki 积分增益系数低位字 Ki_low 续表 公式中的变量 意义描述 程序中的对应变量 Kd 微分增益系数 Kd A A 系数高位=Kp+Ki+Kd A_coeff_high A A 系数低位=Kp+Ki+Kd A_coeff_low B B 系数=Kp+2*Kd B_coeff C C 系数=Kd 用Kd 代替 本案例首先设计一个数字 PID 控制器, 现在假设它是一个对电动机速度进行 PID 控制的 系统.图4.5 是PID 控制器的原理框图. 图4.5 PID 控制器的原理框图 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.5 中, ) (t r 是电机速度设定值, ) (t c 是电机转速的实际测量值, ) (t e 是输入控制器的 偏差信号, ) (t u 是控制器输出的控制量,则PID 控制算式如式 4-1 所示. t e T K t e T K e K u t 0 d d d d p i p p + + = ∫ (4-1) 在式 4-1 中,Kp 是比例系数,起比例调整作用.Ti 是积分时间常数,它决定了积分作 用的强弱.Td 是微分时间常数,它决定了微分作用的强弱.在PID 控制的 3 种作用中,比 例作用可对系统的偏差做出及时响应;积分作用主要用来消除系统静差,改善系统的静态 特性,体现了系统的静态性能指标;微分作用主要用来减少动态超调,克服系统振荡,加 快系统的动态响应,改善系统的动态特性.PID 控制的 3 种作用(比例、积分、微分)是 各自独立的,可以分别使用,也可以结合使用,但是积分控制和微分控制不能单独使用, 必须和比例控制结合起来,形成 PI 控制器或者 PD 控制器.式4-1 是模拟形式的 PID 控制 算式, 现在采用 LF2407 实现数字 PID 控制, 则对式 4-1 离散化, 得到 PID 控制的离散形式, 如式 4-2 所示. s d p i s p p ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( T k e k e T K i e T T K k e K k u k 0 i ? ? + + = ∑ = (4-2) 其中 Ts 为采样周期.这是位置式 PID 控制算式,为了增加控制系统的可靠性,采用增量 式PID 控制算式,即让 LF2407 只输出控制量 ) (k u 的增量 ) (k u ? .式4-2 是第 k 次PID 控制器 的输出量,那么第 1 ? k 次PID 控制器的输出量如式 4-3 所示. s d p i s p p ) 2 ( ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) 1 ( T k e k e T K i e T T K k e K k u 1 k 0 i ? ? ? + + ? = ? ∑ ? = (4-3) 所以增量式 PID 控制算式如式 4-4 所示. s d p i s p p ) 2 ( ) 1 ( 2 ) ( ) ( ] ) 1 ( ) ( [ ) 1 ( ) ( ) ( Δ T k e k e k e T K k e T T K k e k e K k u k u k u ? + ? ? + + ? ? = ? ? = ) 2 ( ) 1 ( ) 2 ( ) ( ) ( d d p d i p ? + ? ? ? + + + = k e K k e K K k e K K K (4-4) 现令式 4-4 中的系数, ) ( d i p K K K A + + = , ) ( d p 2K K B + ? = ? , d K C = . 则最后结果形式如方程式 4-5 所示. ? ? ? + ? = ? ? + ? ? ? ? = ) ( Δ ) 1 ( ) ( ) 2 ( ) 1 ( ) ( ) ( Δ k u k u k u k e C k e B k e A k u (4-5) 方程式 4-5 就是本控制程序中用到的增量式 PID 控制算式. 增量式 PID 控制与位置式 PID 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 控制相比仅是算法上有所改变, 但是它只输出增量, 减少了 DSP 误操作时对控制系统的影响, 而且不会产生积分失控.本案例基于 LF2407 的PID 控制器的实现框图如图 4.6 所示. 图4.6 基于 LF2407 的PID 控制器的实现框图 从图 4.6 可以看出被控电机的速度设定量由 DSP 给出, 经过 DSP 计算出控制量 ) (k u , 对 它进行 DA 转换, 产生模拟控制量 ) (t u , 从而实现对被控电机速度的控制, 而电机实际转速 ) (t c 通过 AD 转换器送入 DSP,使整个系统构成一个闭环系统.如图 4.7 所示是本案例设计的数 字PID 控制器在 DSP 上实现的控制程序流程图. 其次,本案例还要设计一个模糊 PI 控制器,它的硬件电路如图 4.2 所示,和数字 PID 控 制器的硬件电路是一样的.模糊控制技术是建立在模糊数学的基础上的,它是针对被控对象 的数学模型不明确,或非线性模型的一种工程实用、实现简单的控制方法.与传统的 PID 控 制器相比,模糊控制器有更快的响应和更小的超调,对过程参数的变化不敏感,即具有很强 的鲁棒性,能够克服非线性因素的影响. 数字 PID 控制器是一种工业控制中通用的控制器,但是工业生产现场环境复杂,往往出 现在某种情况下设计好的控制参数,在另一种情况下又不满足工业生产的需求了,而常规的 数字 PID 控制器不具有在线整定参数 Kp、Ki、Kd 的功能,使得其不能满足系统在不同偏差绝 对值|e|及偏差变化率绝对值|e|下,对PID 参数的不同要求,从而影响了控制器控制品质的 进一步提高.在本案例中,在数字 PID 控制器的基础上,去掉数字 PID 控制器中的微分环节 D,只采用 PI 控制器,并且采用模糊推理思想,根据不同的|e|和|e|,对PI 控制器的参数 Kp 和Ki 进行在线自整定.其原理结构由两部分组成:常规 PI 控制器部分和模糊控制的参数 校正部分,如图 4.8 所示. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.7 基于 LF2407 的数字 PID 控制器的程序流程图 图4.8 模糊 PI 控制器的原理框图 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 从图 4.8 中可以看出, ) (k r 是输入设定值, ) (k c 是实际测量值, ) (k e 是输入偏差信号, 其PI 控制器的离散表示形式如式 4-6 所示. ∑ = + = k 0 i i e T T K k e K k u ) ( ) ( ) ( i s p p (4-6) 在式 4-6 中,Ts 为采样周期.这是位置式 PI 控制算式,为了增加可靠性,采用增量式 PI 控制算式,如式 4-7 所示.增量式 PI 控制与位置式 PI 控制相比,仅仅是算法上有所改变, 但是它只输出增量,减少了 DSP 误操作时对系统的影响. ) ( )] 1 ( ) ( [ ) 1 ( ) ( ) ( i s p p k e T T K k e k e K k u k u k Δu + ? ? = ? ? = ) 1 ( ) ( ) ( p i p ? ? + = k e K k e K K (4-7) 在式 4-7 中,令A系数=Kp+Ki,B 系数=Kp,则最终增量式 PI 控制器的控制算式如方程 式4-8 所示.程序中只需计算出 A 系数和 B 系数就可以计算出当前的控制增量u(k). ? ? ? ? + ? = ? ? ? ? = ? ) ( ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( k u k u k u k e B k e A k u (4-8) 如图 4.8 所示,采用模糊控制规则,根据不同的|e|和|e|,对Pi 控制器的参数 Kp 和Ki 进行在线自整定.本模糊控制器的输入语言变量是偏差绝对值|E|、偏差变化率绝对值|E|, 输出语言变量是 Pi 控制器的比例增益系数 Kp 和积分增益系数 Ki. 在模糊控制中,语言变量是用语言值(模糊量)来表示一个物理量的,而不是用符号或 确定的数字来表示的.当用语言值表示一个语言变量时,应注意用多少个语言值去描述语言 变量,这是语言变量的分档问题.本实例中,各语言变量用语言值描述如下: 系统偏差的绝对值 ) (k e ={零、小、中、大} 偏差变化率的绝对值 ) (k e ? ={零、小、中、大} Pi 控制器的比例系数 Kp ={零、小、中、大} Pi 控制器的积分系数 Ki ={零、小、中、大} 各语言变量用相同的语言值来描述,简化了模糊控制规则的设计.在设计模糊控制规则 时, 采用不同的模糊推理, 语言变量的分档是有区别的. 本设计采用 CRI (Compositional Rule of Inference)推理法,为了在实时控制中避免进行关系矩阵的合成运算,先在脱机状态下把 所有可能的输入和输出情况计算出来,形成一张控制表去执行控制.控制表是以整数形式表 示的,为了能产生控制表,在CRI 推理法中把语言变量的论域转换成有限整数的论域,本质 上是把连续论域离散化后产生离散论域.采用式 4-9 把它离散化到整数论域 N. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 ? ? ? ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? + ? = L H H L 2 x x n q 2 x x a q b (4-9) 其中 a 为连续论域 ] , [ H L x x X = 中的某个数,b 是与 a 对应的整数论域 N 中的某个数,q 为模糊控制中对精确量进行模糊化时所用的量化因子. 本设计中, 各语言变量的档数均为 4 档(零、小、中、大) ,因此取整数论域 N 为{0,1,2,3,4,5,6}.此时,如图 4.9 和图4.10 所示,可以取语言变量值 4 档如下: 大(L)取在 5、6 附近; 中(M)取在 3、4 附近; 小(S)取在 1、2 附近; 零(Z)取在 0 附近. 图4.9 语言变量|E|和|E| 图4.10 语言变量 Kp、Ki 由模糊推理得到的控制表中的控制量也是一个模糊量,反模糊化是模糊化的逆向运算, 当整数论域为 ] , [ n n N + ? = ,连续论域 ] , [ H L x x X = ,可采用式 4-10 进行反模糊化处理. ? ? ? ? ? ? ? ? = ? + + = n x x k x x x x n b k a 2 ] ) ( [ L H L H H L (4-10) 其中 b 为整数论域为 ] , [ n n N + ? = 中的某个数,a 是与 b 对应的连续论域 ] , [ H L x x X = 中的 某个数,k 为模糊控制中对模糊量进行反模糊化时所用的比例因子. 当|e(k)|较大时,为了加快系统的响应速度,并为避免因开始时偏差的瞬间变大可能引起 微分过饱和而使控制作用超出许可范围,应取较大的 Kp,同时为了防止积分饱和,避免系统 响应出现较大的超调,此时应该去掉积分作用,取Ki =0. 当|e(k)|和|e(k)|为中等大小时,为使系统响应的超调减小又不影响系统的响应速度,Kp 和Ki 都不能取大,而应取较小的 Ki,Kp 的取值要大小适中. 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 当|e(k)|较小时,为使系统具有良好的稳态性能,应该增大 Kp 和Ki 的值,同时为了避免 系统在设定值附近出现振荡,并考虑到系统的抗干扰性能,应适当地选取 Kp. 根据以上这些原则,并参考工作中总结的实际经验,得到了如表 4.2 所示的模糊 PI 控制 器参数 Kp 和Ki 的调节规则,但是这些规则都是用模糊量来表示的. 表4.2 参数自整定模糊 PI 控制规则表 |E(k)| Kp,Ki Z S M L Z Z,L L,L L,L M,L S L,L L,L L,L M,M M M,Z M,Z M,S S,S |E(k)| L L,Z L,Z L,Z M,Z 在本设计中,利用 CRI 法推理时控制过程是用查控制表来产生控制量的.在控制表中,模 糊偏差量|E|、模糊偏差变化率|E|、Pi 控制器的模糊比例系数 Kp、模糊积分系数 Ki 都是用其对 应整数论域的元素来表示的.对于单个实时精确量,把它和量化因子相乘,得到的结果再四舍五 入,就求出了对应整数论域的相应元素,即可用于查询控制表,从而实现了输入量的模糊化.根 据以上分析,如图 4.11 所示是本案例设计的模糊 PI 控制器在 DSP 上实现的控制程序流程图. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.11 基于 LF2407 的模糊 PI 控制器的程序流程图 4.4 主要程序代码说明 实用的 DSP 程序包括主程序和系统初始化程序以及存储器配置文件、中断向量表程序, 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 如果系统没有正确初始化或者存储器配置不正确,或者没有中断向量表,则系统将不能正确 运行,得到的结果和预想的将大相径庭.本节将先介绍 DSP 的系统初始化、存储器配置和中 断向量表,然后再介绍包含实际算法的 DSP 应用程序. 4.4.1 DSP 配置头文件 一般来说,不管是哪个公司生产的 DSP 芯片,它们都包括很多存储器映射的 CPU 寄存 器和外设电路寄存器,它们在 DSP 的数据存储空间中的固定位置,在编程中需要经常对它们 进行操作,因此需要编写一个头文件,预先把这些寄存器的名称和它们在数据存储空间的地 址一一对应起来.针对某款 DSP 芯片编写的头文件对所有的基于该款 DSP 的程序都是通用 的,本案例是基于 TI 公司的 C2000 DSP 系列的 LF2407 开发的,所以头文件 lf2407_regs.h 就是LF2407A 的所有寄存器的配置文件,具体程序如下所示,由于 DSP 片上外设丰富,涉及 到的寄存器也非常多,因此在头文件中对所有片上的寄存器都进行定义是非常必要的.本程 序对每个寄存器都做了详细介绍,在今后对 LF2407 进行开发时,只要把该文件用汇编伪指 令.include 包括到主程序中即可使用. ;; 文件名:lf2407_regs.h ;; 功能描述:lf240x/240xA 的CPU 和外设寄存器以及其他常用定义 ; 全局变量寄存器和 CPU 中断寄存器 IMR .set 0004h ; 中断屏蔽寄存器 GREG .set 0005h ; 全局变量寄存器 IFR .set 0006h ; 中断标志寄存器 ; 系统配置和控制寄存器 PIRQR0 .set 07010h ; 外设中断请求寄存器 0 PIRQR1 .set 07011h ; 外设中断请求寄存器 1 PIRQR2 .set 07012h ; 外设中断请求寄存器 2 PIACKR0 .set 07014h ; 外设中断应答寄存器 0 PIACKR1 .set 07015h ; 外设中断应答寄存器 1 PIACKR2 .set 07016h ; 外设中断应答寄存器 2 SCSR1 .set 07018h ; 系统控制和状态寄存器 1 SCSR2 .set 07019h ; 系统控制和状态寄存器 2 DINR .set 0701Ch ; 系统模块状态寄存器 PIVR .set 0701Eh ; 外设中断矢量寄存器 ; 程序监视控制寄存器(看门狗) 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 WDCNTR .set 07023h ; 看门狗计数器寄存器 WDKEY .set 07025h ; 看门狗复位密钥寄存器 WDCR .set 07029h ; 看门狗控制寄存器 ; 串行外设接口 (SPI) 寄存器 SPICCR .set 07040h ; SPI 配置和控制寄存器 SPICTL .set 07041h ; SPI 操作控制寄存器 SPISTS .set 07042h ; SPI 状态寄存器 SPIBRR .set 07044h ; SPI 波特率寄存器 SPIEMU .set 07046h ; SPI 仿真缓冲寄存器 SPIRXBUF .set 07047h ; SPI 串行接收缓冲寄存器 SPITXBUF .set 07048h ; SPI 串行发送缓冲寄存器 SPIDAT .set 07049h ; SPI 串行数据寄存器 SPIPRI .set 0704Fh ; SPI 中断优先级控制寄存器 ; 串行通信接口 (SCI) 寄存器 SCICCR .set 07050h ; SCI 通信控制寄存器 SCICTL1 .set 07051h ; SCI 控制寄存器 1 SCIHBAUD .set 07052h ; SCI 波特率寄存器高位 SCILBAUD .set 07053h ; SCI 波特率寄存器低位 SCICTL2 .set 07054h ; SCI 控制寄存器 2 SCIRXST .set 07055h ; SCI 接收状态寄存器 SCIRXEMU .set 07056h ; SCI 仿真数据缓冲寄存器 SCIRXBUF .set 07057h ; SCI 接收数据缓冲寄存器 SCITXBUF .set 07059h ; SCI 发送数据缓冲寄存器 SCIPRI .set 0705Fh ; SCI 中断优先级控制寄存器 ; 外部中断寄存器 XINT1CR .set 07070h ; 中断 1 控制寄存器 XINT2CR .set 07071h ; 中断 2 控制寄存器 ; 数据 I/O 控制寄存器 MCRA .set 07090h ; I/O 口复用控制寄存器 A MCRB .set 07092h ; I/O 口复用控制寄存器 B 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 MCRC .set 07094h ; I/O 口复用控制寄存器 C PEDATDIR .set 07095h ; 端口 E 的数据和方向控制寄存器 PFDATDIR .set 07096h ; 端口 F 的数据和方向控制寄存器 PADATDIR .set 07098h ; 端口 A 的数据和方向控制寄存器 PBDATDIR .set 0709Ah ; 端口 B 的数据和方向控制寄存器 PCDATDIR .set 0709Ch ; 端口 C 的数据和方向控制寄存器 PDDATDIR .set 0709Eh ; 端口 D 的数据和方向控制寄存器 ; 模数转换(ADC)寄存器 ADCCTRL1 .set 070A0h ; ADC 控制寄存器 1 ADCCTRL2 .set 070A1h ; ADC 控制寄存器 2 MAXCONV .set 070A2h ; 最大转换通道数寄存器 CHSELSEQ1 .set 070A3h ; 通道选择排序控制寄存器 1 CHSELSEQ2 .set 070A4h ; 通道选择排序控制寄存器 2 CHSELSEQ3 .set 070A5h ; 通道选择排序控制寄存器 3 CHSELSEQ4 .set 070A6h ; 通道选择排序控制寄存器 4 AUTO_SEQ_SR .set 070A7h ; 自动排序状态寄存器 RESULT0 .set 070A8h ; AD 转换结果寄存器 0 RESULT1 .set 070A9h ; AD 转换结果寄存器 1 RESULT2 .set 070AAh ; AD 转换结果寄存器 2 RESULT3 .set 070ABh ; AD 转换结果寄存器 3 RESULT4 .set 070ACh ; AD 转换结果寄存器 4 RESULT5 .set 070ADh ; AD 转换结果寄存器 5 RESULT6 .set 070AEh ; AD 转换结果寄存器 6 RESULT7 .set 070AFh ; AD 转换结果寄存器 7 RESULT8 .set 070B0h ; AD 转换结果寄存器 8 RESULT9 .set 070B1h ; AD 转换结果寄存器 9 RESULT10 .set 070B2h ; AD 转换结果寄存器 10 RESULT11.set 070B3h ; AD 转换结果寄存器 11 RESULT12 .set 070B4h ; AD 转换结果寄存器 12 RESULT13 .set 070B5h ; AD 转换结果寄存器 13 RESULT14 .set 070B6h ; AD 转换结果寄存器 14 RESULT15 .set 070B7h ; AD 转换结果寄存器 15 CALIBRATION .set 070B8h ; 校准结果寄存器 ; CAN 配置控制寄存器 MDER .set 07100h ; 邮箱方向/使能控制寄存器 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 TCR .set 07101h ; 发送控制寄存器 RCR .set 07102h ; 接收控制寄存器 MCR .set 07103h ; 主控制寄存器 BCR2 .set 07104h ; 位定时器配置寄存器 2 BCR1 .set 07105h ; 位定时器配置寄存器 1 ESR .set 07106h ; 错误状态寄存器 GSR .set 07107h ; 全局状态寄存器 CEC .set 07108h ; CAN 错误计数寄存器 CAN_IFR .set 07109h ; CAN 中断标志寄存器 CAN_IMR .set 0710Ah ; CAN 中断屏蔽寄存器 LAM0_H .set 0701Bh ; 对于 MBOX0 和1的局部接收屏蔽高位寄存器 LAM0_L .set 0701Ch ; 对于 MBOX0 和1的局部接收屏蔽低位寄存器 LAM1_H .set 0701Dh ; 对于 MBOX2 和3的局部接收屏蔽高位寄存器 LAM1_L .set 0701Eh ; 对于 MBOX2 和3的局部接收屏蔽低位寄存器 ;;;; 邮包#0 MSGID0L .set 07200h ; 邮箱标识符低位寄存器 0 MSGID0H .set 07201h ; 邮箱标识符高位寄存器 0 MSGCTRL0 .set 07202h ; 邮箱控制寄存器 0 MBX0A .set 07204h ; 邮箱 0 寄存器 A MBX0B .set 07205h ; 邮箱 0 寄存器 B MBX0C .set 07206h ; 邮箱 0 寄存器 C MBX0D .set 07207h ; 邮箱 0 寄存器 D ;;;;邮包#1 MSGID1L .set 07208h ; 邮箱标识符低位寄存器 1 MSGID1H .set 07209h ; 邮箱标识符高位寄存器 1 MSGCTRL1 .set 0720Ah ; 邮箱控制寄存器 1 MBX1A .set 0720Ch ; 邮箱 1 寄存器 A MBX1B .set 0720Dh ; 邮箱 1 寄存器 B MBX1C .set 0720Eh ; 邮箱 1 寄存器 C MBX1D .set 0720Fh ; 邮箱 1 寄存器 D ;;;; 邮包#2 MSGID2L .set 07210h ; 邮箱标识符低位寄存器 2 MSGID2H .set 07211h ; 邮箱标识符高位寄存器 2 MSGCTRL2 .set 07212h ; 邮箱控制寄存器 2 MBX2A .set 07214h ; 邮箱 2 寄存器 A MBX2B .set 07215h ; 邮箱 2 寄存器 B MBX2C .set 07216h ; 邮箱 2 寄存器 C MBX2D .set 07217h ; 邮箱 2 寄存器 D ;;;; 邮包#3 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 MSGID3L .set 07218h ; 邮箱标识符低位寄存器 3 MSGID3H .set 07219h ; 邮箱标识符高位寄存器 3 MSGCTRL3 .set 0721Ah ; 邮箱控制寄存器 3 MBX3A .set 0721Ch ; 邮箱 3 寄存器 A MBX3B .set 0721Dh ; 邮箱 3 寄存器 B MBX3C .set 0721Eh ; 邮箱 3 寄存器 C MBX3D .set 0721Fh ; 邮箱 3 寄存器 D ;;;; 邮包#4 MSGID4L .set 07220h ; 邮箱标识符低位寄存器 4 MSGID4H .set 07221h ; 邮箱标识符高位寄存器 4 MSGCTRL4 .set 07222h ; 邮箱控制寄存器 4 MBX4A .set 07224h ; 邮箱 4 寄存器 A MBX4B .set 07225h ; 邮箱 4 寄存器 B MBX4C .set 07226h ; 邮箱 4 寄存器 C MBX4D .set 07227h ; 邮箱 4 寄存器 D ;;;; 邮包#5 MSGID5L .set 07228h ; 邮箱标识符低位寄存器 5 MSGID5H .set 07229h ; 邮箱标识符高位寄存器 5 MSGCTRL5 .set 0722Ah ; 邮箱控制寄存器 5 MBX5A .set 0722Ch ; 邮箱 5 寄存器 A MBX5B .set 0722Dh ; 邮箱 5 寄存器 B MBX5C .set 0722Eh ; 邮箱 5 寄存器 C MBX5D .set 0722Fh ; 邮箱 5 寄存器 D ; 通用定时器 ――> 事件管理器 A (EVA) GPTCONA .set 7400h ; 通用定时控制寄存器 T1CNT .set 7401h ; 通用定时器 1 计数寄存器 T1CMPR .set 7402h ; 通用定时器 1 比较寄存器 T1PR .set 7403h ; 通用定时器 1 周期寄存器 T1CON .set 7404h ; 通用定时器 1 控制寄存器 T2CNT .set 7405h ; 通用定时器 2 计数寄存器 T2CMPR .set 7406h ; 通用定时器 2 比较寄存器 T2PR .set 7407h ; 通用定时器 2 周期寄存器 T2CON .set 7408h ; 通用定时器 2 控制寄存器 ; 比较单元的寄存器 ――> 事件管理器 A (EVA) COMCONA .set 7411h ; 比较控制寄存器 A 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 ACTRA .set 7413h ; 比较方式控制寄存器 A DBTCONA .set 7415h ; 死区控制寄存器 A CMPR1 .set 7417h ; 全比较单元 1 比较寄存器 CMPR2 .set 7418h ; 全比较单元 2 比较寄存器 CMPR3 .set 7419h ; 全比较单元 3 比较寄存器 ; 捕捉和正交编码电路的寄存器 ――> 事件管理器(EVA) CAPCONA .set 7420h ; 捕捉控制寄存器 A CAPFIFOA .set 7422h ; 捕捉 FIFO 状态寄存器 A CAP1FIFO .set 7423h ; 捕捉 1 二级 FIFO 寄存器 CAP2FIFO .set 7424h ; 捕捉 2 二级 FIFO 寄存器 CAP3FIFO .set 7425h ; 捕捉 3 二级 FIFO 寄存器 CAP1FBOT .set 7427h ; 捕捉 1 的FIFO 栈的栈底寄存器 CAP2FBOT .set 7428h ; 捕捉 2 的FIFO 栈的栈底寄存器 CAP3FBOT .set 7429h ; 捕捉 3 的FIFO 栈的栈底寄存器 ; 事件管理器 (EVA) 中断控制寄存器 EVAIMRA .set 742Ch ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 A EVAIMRB .set 742Dh ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 B EVAIMRC .set 742Eh ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 C EVAIFRA .set 742Fh ; 事件管理器中断标志寄存器 A EVAIFRB .set 7430h ; 事件管理器中断标志寄存器 B EVAIFRC .set 7431h ; 事件管理器中断标志寄存器 C ; 通用定时器 ――> 事件管理器 B (EVB) GPTCONB .set 7500h ; 通用定时控制寄存器 T3CNT .set 7501h ; 通用定时器 3 计数寄存器 T3CMPR .set 7502h ; 通用定时器 3 比较寄存器 T3PR .set 7503H ; 通用定时器 3 周期寄存器 T3CON .set 7504h ; 通用定时器 3 控制寄存器 T4CNT .set 7505h ; 通用定时器 4 计数寄存器 T4CMPR .set 7506h ; 通用定时器 4 比较寄存器 T4PR .set 7507H ; 通用定时器 4 周期寄存器 T4CON .set 7508h ; 通用定时器 4 控制寄存器 ; 比较单元寄存器 ――> 事件管理器 B (EVB) 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 COMCONB .set 07511h ; 比较控制寄存器 B ACTRB .set 07513h ; 比较方式控制寄存器 B DBTCONB .set 07515h ; 死区控制寄存器 B CMPR4 .set 07517h ; 全比较单元 4 比较寄存器 CMPR5 .set 07518h ; 全比较单元 5 比较寄存器 CMPR6 .set 07519h ; 全比较单元 6 比较寄存器 ; 捕捉单元寄存器 ――> 事件管理器 B (EVB) CAPCONB .set 7520h ; 捕捉控制寄存器 B CAPFIFOB .set 7522h ; 捕捉 FIFO 状态寄存器 B CAP4FIFO .set 7523h ; 捕捉 4 二级 FIFO 寄存器 CAP5FIFO .set 7524h ; 捕捉 5 二级 FIFO 寄存器 CAP6FIFO .set 7525h ; 捕捉 6 二级 FIFO 寄存器 CAP4FBOT .set 7527h ; 捕捉 4 的FIFO 栈的栈底寄存器 CAP5FBOT .set 7528h ; 捕捉 5 的FIFO 栈的栈底寄存器 CAP6FBOT .set 7529h ; 捕捉 6 的FIFO 栈的栈底寄存器 ; 事件管理器 (EVB) 中断控制寄存器 EVBIMRA .set 742Ch ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 A EVBIMRB .set 742Dh ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 B EVBIMRC .set 742Eh ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 C EVBIFRA .set 742Fh ; 事件管理器中断标志寄存器 A EVBIFRB .set 7430h ; 事件管理器中断标志寄存器 B EVBIFRC .set 7431h ; 事件管理器中断标志寄存器 C ; 程序存储器空间——FLASH 寄存器 PMPC .set 0h ; FLASH 段控制寄存器 CTRL .set 1h WADDR .set 2h ; FLASH 写地址寄存器 WDATA .set 3h ; FLASH 写数据寄存器 TCRB .set 4h ENAB .set 5h SETC .set 6h ; I/O 存储空间 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 FCMR .set 0FF0Fh ; FLASH 控制模式寄存器 WSGR .set 0FFFFh ; 等待状态产生器控制寄存器 ; 数据存储器块地址映射 B0_SADDR .set 00200h ; 块B0 开始地址 B0_EADDR .set 002FFh ; 块B0 结束地址 B1_SADDR .set 00300h ; 块B1 开始地址 B1_EADDR .set 003FFh ; 块B1 结束地址 B2_SADDR .set 00060h ; 块B2 开始地址 B2_EADDR .set 0007Fh ; 块B2 结束地址 XDATA_SADDR .set 08000h ; 外部数据空间开始地址 XDATA_EADDR .set 0FFFFh ; 外部数据空间结束地址 ; 经常使用的数据页 DP_B2 .set 0 ; 页0数据空间 DP_B01 .set 4 ; 页4B0(200H/80H) DP_B02 .set 5 ; 页5B0(280H/80H) DP_B11 .set 6 ; 页6B1(300H/80H) DP_B12 .set 7 ; 页7B1(380H/80H) DP_PF1 .set 224 ; 页1外设帧文件 (7000h/80h)(0XE0) DP_PF2 .set 225 ; 页2外设帧文件 (7080h/80h)(0XE1) DP_PF3 .set 226 ; 页3外设帧文件 (7100h/80h)(0XE2) DP_PF4 .set 227 ; 页4外设帧文件 (7180h/80h)(0XE3) DP_PF5 .set 228 ; 页5外设帧文件 (7200h/80h)(0XE4) DP_EVA .set 232 ; 页0事件管理器-EVA 文件 (7400h/80h)(0xE8) DP_EVB .set 234 ; 页0事件管理器-EVB 文件 (7500h/80h)(0xEA) ; 位测试指令的位代码 (BIT) BIT15 .set 0000h ; 位代码 15 BIT14 .set 0001h ; 位代码 14 BIT13 .set 0002h ; 位代码 13 BIT12 .set 0003h ; 位代码 12 BIT11 .set 0004h ; 位代码 11 BIT10 .set 0005h ; 位代码 10 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 BIT9 .set 0006h ; 位代码 9 BIT8 .set 0007h ; 位代码 8 BIT7 .set 0008h ; 位代码 7 BIT6 .set 0009h ; 位代码 6 BIT5 .set 000Ah ; 位代码 5 BIT4 .set 000Bh ; 位代码 4 BIT3 .set 000Ch ; 位代码 3 BIT2 .set 000Dh ; 位代码 2 BIT1 .set 000Eh ; 位代码 1 BIT0 .set 000Fh ; 位代码 0 ; 常用屏蔽位 B15_MSK .set 8000h ; 位屏蔽 15 B14_MSK .set 4000h ; 位屏蔽 14 B13_MSK .set 2000h ; 位屏蔽 13 B12_MSK .set 1000h ; 位屏蔽 12 B11_MSK .set 0800h ; 位屏蔽 11 B10_MSK .set 0400h ; 位屏蔽 10 B9_MSK .set 0200h ; 位屏蔽 9 B8_MSK .set 0100h ; 位屏蔽 8 B7_MSK .set 0080h ; 位屏蔽 7 B6_MSK .set 0040h ; 位屏蔽 6 B5_MSK .set 0020h ; 位屏蔽 5 B4_MSK .set 0010h ; 位屏蔽 4 B3_MSK .set 0008h ; 位屏蔽 3 B2_MSK .set 0004h ; 位屏蔽 2 B1_MSK .set 0002h ; 位屏蔽 1 B0_MSK .set 0001h ; 位屏蔽 0 4.4.2 DSP 的系统配置命令文件 TI 公司开发的 DSP 汇编器和链接器所创建的目标文件采用公共目标文件格式 (Common Object File Format,简称 COFF 文件) ,采用这种目标文件格式更利于模块化编程,并且为管 理代码段和目标系统的存储器提供了更强有力和更加灵活的方法.基于 COFF 文件格式编写 汇编程序或高级语言程序时,不必为程序代码或变量指定目标地址,这为程序编写和移植提 供了极大的方便.COFF 文件格式鼓励程序员在用汇编语言或高级语言编程时基于代码块和 数据块的概念, 而不是一条条命令和一个个数据, 这使得程序的可读性和可移植性大大增强. 在COFF 文件格式中,汇编器和链接器都提供了有关命令来创建块和对块进行处理. 链接器对块进行处理具有两个功能,首先它把 COFF 目标文件中的块用来建立程序块或 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 数据块,它把输入块组合起来,以建立可执行的 COFF 输出模块.其次,链接器为输出块选 择存储器地址, 链接器提供了两个命令来完成上述功能: MEMORY 命令和 SECTIONS 命令. MEMORY 命令定义目标系统的存储器,程序员可以定义每一块存储器的起始地址和长度. SECTIONS 命令告诉链接器如何组合输入块以及在存储器的何处存放该输出块.因此,一个 DSP 程序正确运行离不开系统配置命令文件(*.cmd) ,该文件实现对程序存储空间和数据存 储空间的分配.由于 DSP 的程序空间和数据空间是分开的,因此在 PAGE 0(程序空间)和PAGE 1(数据空间)中的地址是可以重叠的,但必须保证在物理存储器上,它们是分离的. 而在同一页存储空间上地址是不能重叠的.PAGE 2 表示系统的 I/O 存储空间,一般不使用, 可以不在命令文件中列出. 下面的程序代码是本案例程序的系统配置命令文件,该文件实现对程序存储空间和数据 存储空间的分配,从该配置文件中可以看出本案例的存储器资源和配置方法.另外需要注意 的是, 其他 C2000 的DSP 的系统配置命令文件都可以参考本程序, 不同的是程序空间和数据 空间的分块和容量大小得根据具体的应用系统的要求来划分. -stack 40 /* 设置堆栈长度 */ MEMORY /* 声明在目标系统中实际存在的且可以被使用的存储器范围 */ { PAGE 0: /* 程序空间 */ VECS: origin=0000h,length=0040h /* 中断向量存储空间 */ PVECS: origin=0044h,length=0100h /* 外围中断向量 */ PM: origin=0150h,length=7EB0h /* 片内 Flash 存储空间 */ PAGE 1: /* 数据空间 */ BLOCK_B2: origin=0060h,length=0020h /* 块B2 */ BLOCK_B0: origin=0200h,length=0100h /* 块B0,如果 CNF=0,则分配为片内 DARAM */ BLOCK_B1: origin=0300h,length=0100h /* 块B1 */ /* 如果正确配置 SCSR2 寄存器,则此为数据空间中 2K 的SARAM */ SARAM: origin=0800h, length=0800h EX_DM: origin=8000h, length=8000h /* 片外数据 RAM */ } SECTIONS /* 描述输入段如何被组合到输出段中,在存储器上如何放置输出段 */ { .vectors: {} > VECS PAGE 0 /* 中断向量表 */ .pvecs: {} > PVECS PAGE 0 /* 中断子向量表 */ .text: {} > PM PAGE 0 /* 程序段 */ .data: {} > BLOCK_B0 PAGE 1 /* 数据段 */ } 4.4.3 DSP 的中断向量表和中断子向量表 本案例在介绍数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的 DSP 应用程序设计的同时,还介绍 TI 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 公司 C2000 系列 DSP 芯片开发时,中断向量表和中断子向量表的编写和配置方法. 一个实用 DSP 程序除包括主程序和系统初始化程序以及存储器配置文件之外, 还需要有 中断向量表和中断子向量表程序,对于一个 DSP 控制器来说,中断的使用和管理是不可缺少 的.在系统中,控制器的作用就是控制整个系统实时、有序地按照程序的要求运行,而DSP 只有一个 CPU,所以只有一个进程,当外部设备要求 DSP 控制时,就采用中断的方式,DSP 根据中断的优先级,通过响应中断并执行中断服务子程序(ISR)来对外部设备进行控制. 一个正确的中断向量表和中断子向量表程序能够使系统正常运行,并能保证在系统不正常时 自动恢复到程序初始化的状态,防止系统崩溃,提高工业控制的鲁棒性. DSP LF2407 有两级中断,第一级中断是 CPU 中断,共6个;第二级中断是外围设备中 断,共46 个.由外设中断扩展控制器(PIE)和中断子向量表把外围设备中断映射到 CPU 中断, 然后等待 CPU 的响应. 此外 CPU 中断向量表还包括 19 个软件中断和硬件复位中断 (Reset) 以及一个不可屏蔽中断(NMI) .这种两级中断是采用集中化的中断扩展设计方法,特别适合 有大量外设中断的工业控制系统. 以下就是采用通用定时器 GPT1 的比较操作来产生中断时, LF2407 的中断向量表和中断 子向量表程序. 当需要采用其他中断时, 可以直接在此程序中根据需要修改. 该程序对 LF2407 来说是通用的,只是发生中断时,CPU 要跳转的地址不一样而已. 本程序的文件名:PID_generate_vec.asm .include "lf2407_regs.h" ; 引用头部文件 ; 建立中断向量表 .sect ".vectors" ; 定义主向量段,名称可以随意使用,一般采用.vectors Reset_VEC B _cy_begin ; 系统的复位中断向量,具有最高的优先级,程序地址是 0000h INT1 B PHANTOM ; CPU 的第一级中断向量,程序地址是 0002h INT2 B GISR2 ; CPU 的第二级中断向量,程序地址是 0004h INT3 B PHANTOM ; CPU 的第三级中断向量,程序地址是 0006h INT4 B PHANTOM ; CPU 的第四级中断向量,程序地址是 0008h INT5 B PHANTOM ; CPU 的第五级中断向量,程序地址是 000Ah INT6 B PHANTOM ; CPU 的第六级中断向量,程序地址是 000Ch RESERVED B PHANTOM ; 程序空间保留,地址是 000Eh,但是为了保证中断向量表的 ; 完整性,一定要在此处加入假中断向量 PHANTOM ; 以保证系统按照可控的方式运行 SW_INT8 B PHANTOM ; 软件中断向量 8,程序地址是 0010h SW_INT9 B PHANTOM ; 软件中断向量 9,程序地址是 0012h SW_INT10 B PHANTOM ; 软件中断向量 10,程序地址是 0014h SW_INT11 B PHANTOM ; 软件中断向量 11,程序地址是 0016h SW_INT12 B PHANTOM ; 软件中断向量 12,程序地址是 0018h SW_INT13 B PHANTOM ; 软件中断向量 13,程序地址是 001Ah SW_INT14 B PHANTOM ; 软件中断向量 14,程序地址是 001Ch SW_INT15 B PHANTOM ; 软件中断向量 15,程序地址是 001Eh SW_INT16 B PHANTOM ; 软件中断向量 16,程序地址是 0020h 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 TRAP B PHANTOM ; TRAP 指令中断,程序地址是 0022h NMI B PHANTOM ; 不可屏蔽中断,程序地址是 0024h EMU_TRAP B PHANTOM ; 程序空间保留,地址是 0026h SW_INT20 B PHANTOM ; 软件中断向量 20,程序地址是 0028h SW_INT21 B PHANTOM ; 软件中断向量 21,程序地址是 002Ah SW_INT22 B PHANTOM ; 软件中断向量 22,程序地址是 002Ch SW_INT23 B PHANTOM ; 软件中断向量 23,程序地址是 002Eh SW_INT24 B PHANTOM ; 软件中断向量 24,程序地址是 0030h SW_INT25 B PHANTOM ; 软件中断向量 25,程序地址是 0032h SW_INT26 B PHANTOM ; 软件中断向量 26,程序地址是 0034h SW_INT27 B PHANTOM ; 软件中断向量 27,程序地址是 0036h SW_INT28 B PHANTOM ; 软件中断向量 28,程序地址是 0038h SW_INT29 B PHANTOM ; 软件中断向量 29,程序地址是 003Ah SW_INT30 B PHANTOM ; 软件中断向量 30,程序地址是 003Ch SW_INT31 B PHANTOM ; 软件中断向量 31,程序地址是 003Eh ; 建立中断子向量表 .sect ".pvecs" ; 定义中断子向量段 PVECTORS: B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0000h B PHANTOM ; 高优先级模式的外部引脚中断 1,中断子向量的偏移量 0001h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0002h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0003h B PHANTOM ; 高优先级模式的 ADC 中断,中断子向量地址偏移量 0004h B PHANTOM ; 高优先级模式的 SPI 中断,中断子向量地址偏移量 0005h B PHANTOM ; 高优先级模式的 SCI 接收中断,中断子向量地址偏移量 0006h B PHANTOM ; 高优先级模式的 SCI 发送中断,中断子向量地址偏移量 0007h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0008h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0009h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Ah B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Bh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Ch B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Dh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Eh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Fh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0010h B PHANTOM ; 高优先级模式的外部引脚中断 2,中断子向量的偏移量 0011h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0012h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0013h 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0014h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0015h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0016h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0017h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0018h B PHANTOM ; 功率驱动保护中断 B,中断子向量地址偏移量 0019h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Ah B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Bh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Ch B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Dh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Eh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Fh B PHANTOM ; 功率驱动保护中断 A,中断子向量地址偏移量 0020h B PHANTOM ; 比较器 1 中断,中断子向量地址偏移量 0021h B PHANTOM ; 比较器 2 中断,中断子向量地址偏移量 0022h B PHANTOM ; 比较器 3 中断,中断子向量地址偏移量 0023h B PHANTOM ; 比较器 4 中断,中断子向量地址偏移量 0024h B PHANTOM ; 比较器 5 中断,中断子向量地址偏移量 0025h B PHANTOM ; 比较器 6 中断,中断子向量地址偏移量 0026h B PHANTOM ; 定时器 1 周期中断,中断子向量地址偏移量 0027h B T1CINT_ISR ; 定时器 1 比较中断,中断子向量地址偏移量 0028h B PHANTOM ; 定时器 1 下溢中断,中断子向量地址偏移量 0029h B PHANTOM ; 定时器 1 上溢中断,中断子向量地址偏移量 002Ah B PHANTOM ; 定时器 2 周期中断,中断子向量地址偏移量 002Bh B PHANTOM ; 定时器 2 比较中断,中断子向量地址偏移量 002Ch B PHANTOM ; 定时器 2 下溢中断,中断子向量地址偏移量 002Dh B PHANTOM ; 定时器 2 上溢中断,中断子向量地址偏移量 002Eh B T3GP_ISR ; 定时器 3 周期中断,中断子向量地址偏移量 002Fh B PHANTOM ; 定时器 3 比较中断,中断子向量地址偏移量 0030h B PHANTOM ; 定时器 3 下溢中断,中断子向量地址偏移量 0031h B PHANTOM ; 定时器 3 上溢中断,中断子向量地址偏移量 0032h B PHANTOM ; 捕获器 1 中断,中断子向量地址偏移量 0033h B PHANTOM ; 捕获器 2 中断,中断子向量地址偏移量 0034h B PHANTOM ; 捕获器 3 中断,中断子向量地址偏移量 0035h B PHANTOM ; 捕获器 4 中断,中断子向量地址偏移量 0036h B PHANTOM ; 捕获器 5 中断,中断子向量地址偏移量 0037h B PHANTOM ; 捕获器 6 中断,中断子向量地址偏移量 0038h B PHANTOM ; 定时器 4 周期中断,中断子向量地址偏移量 0039h B PHANTOM ; 定时器 4 比较中断,中断子向量地址偏移量 003Ah 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 B PHANTOM ; 定时器 4 下溢中断,中断子向量地址偏移量 003Bh B PHANTOM ; 定时器 4 上溢中断,中断子向量地址偏移量 003Ch B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 003Dh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 003Eh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 003Fh B PHANTOM ; 高优先级模式的 CAN 邮箱中断,中断子向量地址偏移量 0040h B PHANTOM ; 高优先级模式的 CAN 错误中断,中断子向量地址偏移量 0041h 对于一个实际的 DSP 系统来说, 系统的中断管理是不可缺少的, 因为目前任何 DSP 实时系统都具有中断,中断是 DSP 系统和外部世界发生实时联系的一个重要手段.作为 TI 公司的 C2000 系列 DSP,它是偏向于控制的 DSP 芯片,因此它的中断管理更丰富和 先进,读者理解起来也较困难.LF2407 支持 6 个一级可屏蔽中断,采用集中化的中断 扩展设计来满足大量的外设中断请求,所以每一级中断又有多个中断源,例如一级中断 INT2 包含的中断源有比较器 1、2、3、4、5、6 中断,定时器 1、3 的周期、比较、下溢、上溢中断等.为了正确地响应外设中断,应该分两步来完成中断服务子程序.在本 案例的程序中,采用通用定时器 1 的比较匹配中断,当CPU 响应该中断时,首先转移 到一级中断 INT2 中,也即 GISR2 处执行,在一级中断 INT2 中读取外设中断向量寄存 器(PIVR)的值,它是个偏移量,再加上中断子向量的首地址,程序就可以转移到二级 中断子向量 T1CINT_ISR(定时器 1 比较中断)子程序中,执行相应的操作后即完成了 一次中断调用. LF2407 通过外设中断扩展控制器(PIE)来实现集中化的中断扩展管理,这可以实现在 占用极少资源的情况下,大大扩展可用的中断源.因此在实际的 DSP 程序中,中断向量表和 中断子向量表程序是不可缺少的, 读者在自行编写程序时一定要在主程序中用.include 汇编伪 指令把本实例介绍的向量表文件 PID_generate_vec.asm 包括进来. .include "pwm_generate_vec.asm" ; 引用中断向量表和中断子向量表程序 另外,假中断向量是 LF2407 的一个特有的概念,它是保持中断系统完整性的一个特性. 在向量表文件 PID_generate_vec.asm 中可以发现, 中断子向量表的地址是从 00h 到42h, 而中 断源却没有那么多,并且其入口地址又是固定的,所以在中断子向量表的没有中断源的地方 就要插入假中断向量以保证中断系统的完整性.当一个中断已经被响应,但却没有外设将中 断向量的地址偏移量装入中断向量寄存器(PIVR)中时,假中断向量的地址就被装入 PIVR 中,这种缺省保证了系统按照可以控制的方式进行处理.假中断向量的子程序如下所示,一 般都是复位看门狗电路. B PHANTOM ; 跳转到假中断向量子程序中 PHANTOM : ; 假中断向量子程序 LDP #DP_PF1 SPLK #05555h, WDKEY ; 复位看门狗 SPLK #0AAAAh, WDKEY RET 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 4.4.4 数字 PID 控制器的 DSP 应用程序 下面介绍包含数字 PID 控制器算法的 DSP 应用程序,该程序是基于图 4.2 的硬件平台和 图4.6 的原理框图实现数字 PID 控制器的,程序的文件名是"Digital_PID.asm" ,程序中具体 的变量定义如表 4.1 所示.在下面的程序代码中都添加了详细的解释说明. ; 实用数字 PID 控制程序 .title "Digital_PID.asm" ; 汇编伪指令,定义程序的文件名 .include "lf2407_regs.h" ; 引用头部文件 .include "Digital_PID_vec.asm" ; 引用中断向量表和中断子向量表 .def _cy_begin ; 定义程序的入口地址 Kp_init .set 100h ; 比例增益系数 Kp 的初始值 Ki_high_init .set 00h ; 积分增益系数 Ki 的高位初始值 Ki_low_init .set 1000h ; 积分增益系数 Ki 的低位初始值 Kd_init .set 05h ; 微分增益系数 Kd 的初始值 PID_ref_init .set 500 ; 数字 PID 控制器的参考输入初始值 ; 本程序实现电机速度 PID 控制,设置参考输入是 500 转/分钟 PID_output_MAX .set 07FFFh ; 数字 PID 控制器输出控制量最大值限幅 PID_output_MIN .set 0h ; 数字 PID 控制器输出控制量最小值限幅 .data ; 定义数据区中的变量 ADRESULT .word 00h ; 存储当前 AD 转换的结果 PID_input .word 00h ; 存储变量 ADRESULT,也即当前实际输入量 c(k) PID_output .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的当前控制量 u(k) PID_output1 .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的上次控制量 u(k-1) PID_reference .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的当前参考输入量 r(k) PID_e0 .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的当前偏差量 e(k)=r(k)-c(k) PID_e1 .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的上次偏差量 e(k-1) PID_e2 .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的上上次偏差量 e(k-2) Kp .word 00h ; 存储比例增益系数 Kp Ki_high .word 00h ; 存储积分增益系数 Ki 的高位字 Ki_low .word 00h ; 存储积分增益系数 Ki 的低位字 Kd .word 00h ; 存储微分增益系数 Kd A_coeff_high .word 00h ; 存储 A 系数高位 A_coeff_low .word 00h ; 存储 A 系数低位 B_coeff .word 00h ; 存储 B 系数 tmp1_high .word 00h ; 暂存单元 1 的高位字 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 tmp1_low .word 00h ; 暂存单元 1 的低位字 tmp2_high .word 00h ; 暂存单元 2 的高位字 tmp2_low .word 00h ; 暂存单元 2 的低位字 tmp3 .word 00h ; 暂存单元 3 e0_sign .word 00h ; 用来存储当前偏差量 e(k)的符号 abs_e0 .word 00h ; 用来存储当前偏差量 e(k)的绝对值 .text ; 以下是程序段 _cy_begin : ; 程序的入口地址 NOP CALL system_init ; 调用系统初始化子程序 CALL PID_init ; 调用数字 PID 控制的初始化子程序 CALL cy_AD_init ; 调用 DSP 片上 AD 转换器的初始化子程序 cy_LOOP : ; 主程序进入循环等待,程序在高优先级模式的 ADC 中断控制下运行 NOP ; ADC 中断一次,采样一个实际输出值,并进行一次 PID 控制 NOP B cy_LOOP system_init : ; 系统初始化子程序 SETC INTM ; 关闭系统的全局中断 CLRC OVM ; 置系统溢出模式为 0,表示累加器中的结果正常溢出 CLRC SXM ; 置符号扩展方式为 0,表示系统将抑制符号扩展 CLRC CNF ; 使CNF=0,DARAM 被映射到数据存储空间 B0 区LDP #DP_PF1 ; 指向 7000h~707Fh 外设寄存器区 SPLK #081FEh, SCSR1 ; CLKOUT 引脚输出 CPU 时钟, PLL 的倍频系数是 4 ; 也即 CLKIN=6 MHz,而CLKOUT=24 MHz SPLK #0E8h, WDCR ; 禁止 WDT LDP #0 ; 指向数据页的第 0 区SPLK #0001h, IMR ; 使能中断第 1 级INT1 SPLK #0FFFFh, IFR ; 清全部一级中断标志 RET cy_AD_init : ; AD 转换模块初始化子程序 LDP #DP_EVB ; 指向 7500h~757Fh 外设 EVB 寄存器区 SPLK #0000h, T4CNT ; 定时器 4 的计数寄存器清 0 SPLK #0176h, T4PR ; 定时器 4 的周期寄存器设置为 374,表示周期计数是 1ms SPLK #0400h, GPTCONB ; 位[10-9](T4TOADC)=10,表示由通用定时器的 ; 周期中断标志来启动模数转换 ; 位6(TCOMPOE)=0,禁止所有定时器的比较输出 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 SPLK #0160Ch, T4CON ; 配置定时器 4 的控制寄存器 ; 位[12-11],TMODE[1-0]=10,选择连续增计数模式 ; 位[10-8],TPS[2-0]=110,选择输入时钟预定标系数=64 ; 位7,T4SWT3=0,表示定时器 4 使用自身的周期寄存器 T4PR ; 位6,TENABLE=0,先禁止定时器的操作,等配置完后再打开 ; 位[5-4],TCLKS[1-0]=00,选择内部 CPU 时钟 ; 位[3-2],TCLD[1-0]=11,定时器比较器的重装载条件,现在保留 ; 位1,TECMPR =0,禁止定时器的比较操作 ; 位0,SELT3PR=0,周期寄存器选择位 SPLK #0FFFFh, EVBIFRA ; 清EVB 模块的全部中断标志寄存器 SPLK #0FFFFh, EVBIFRB SPLK #0FFFFh, EVBIFRC SPLK #00000h, EVBIMRA SPLK #00001h, EVBIMRB ; 仅仅使能 EVB 模块的定时器 4 的周期中断 T4PINT SPLK #00000h, EVBIMRC LDP #DP_PF2 ; 指向 7080h~70FFh 外设寄存器区 SPLK #0000h, ADCCTRL1 ; 配置 ADC 控制寄存器 1 ; 位[11-8]=0000,表示 ADC 的采样时间是 2*CPU 时钟周期 ; 位7=0,是CPS 位,表示 ADC 的转换时钟预定标就是 CPU 时钟频率 ; 位6=0,是连续转换位,现在采用启动/停止模式 ; 位5=0,表示 ADC 转换的中断请求是高优先级的 ; 位4=0,表示 ADC 转换器采用双排序器工作模式 ; 位0=0,禁止自测试使能模式 SPLK #8404h, ADCCTRL2 ; 配置 ADC 控制寄存器 2 ; 位15=1,表示不使能 ADC 的级连排序器 ; 位[11-10]=01,表示 ADC 的排序器 1 在中断标志位 1 置1时立即申请中断 ; 位9=0,表示目前 ADC 的排序器 1 无中断事件发生 ; 位[3-2]=01,表示 ADC 的排序器 2 在中断标志位 2 置1时立即申请中断 ; 位0=0,ADC 的排序器 2 不能被 EVB 触发源启动 SPLK #0001h, MAXCONV ; 程序中只有一路 AD 采样,所以最大转换通道为 1 SPLK #0000h, CHSELSEQ1 ; 配置输入通道选择排序控制寄存器 SPLK #0000h, CHSELSEQ2 ; 目前程序中只有一路 AD 采样,所以只用到了一个通道 SPLK #0000h, CHSELSEQ3 ; 用到的通道号是 0 号SPLK #0000h, CHSELSEQ4 CALL AD_Start ; 配置完所有寄存器后,启动 AD 转换信号 LDP #4 ; 指向 200h~27Fh 数据存储器的 B0 区SPLK #0000h, ADRESULT ; 初始化用户变量 ADRESULT,程序运行时存 AD 转换结果 RET AD_Start : ; 启动 AD 转换信号 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 LDP #DP_EVB LACL T4CON ; 把定时器 4 的控制寄存器位 6(TENABLE)置1OR #0040h ; 使能定时器的操作 SACL T4CON RET PID_Control : ; 根据输入值进行 PID 算法的计算 SETC SXM ; 置符号扩展方式为 1,表示系统进行符号扩展 SETC OVM ; 置系统溢出模式为 1,溢出时使用最大正值和负值 SPM #0 ; 表示乘法器不移位直接装入 CALU LDP #4 ; 指向用户变量区 200h~27Fh LACL ADRESULT ; 把本次 AD 转换的结果存储到变量 PID_input 中SACL PID_input LACC Ki_high, 16 ; 把积分增益系数 Ki 的高位字左移 16 位加到 ACC 中ADDS Ki_low ; 无符号加法,表示把 Ki 的高位字和低位字拼接起来加载到 ACC ADD Kp, 16 ; ACC=Kp+Ki ADD Kd, 16 ; ACC=Kp+Ki+Kd SACH A_coeff_high ; 系数 A 高位字=高位(Kp+Ki+Kd) SACL A_coeff_low ; 系数 A 低位字=低位(Kp+Ki+Kd) LACC Kd, 16 SFL ; 此时,ACC=2*Kd ADD Kp, 16 ; ACC=2*Kd+Kp SACH B_coeff ; 系数 B = 2*Kd+Kp LACC PID_reference ; 加载输入参考值 SUB PID_input ; ACC=PID_reference - PID_input SACL PID_e0 ; 本次输入的偏差量,e(k)= r(k)- c(k) LT Kd MPY PID_e2 ; Kd*e(k-2) PAC ; 把乘积寄存器移位后加载到累加器,此处移位值是 0 LT B_coeff ; 把B系数加载到 T 寄存器中 MPY PID_e1 ; B*e(k-1)=(2*Kd+Kp)*e(k-1) SPAC ; 此时 ACC=Kd*e(k-2)-(2*Kd+Kp)*e(k-1) SACH tmp1_high, 1 ; 把ACC 的高位字放到暂存字 tmp1_high 中SACL tmp1_low, 1 ; 把ACC 的低位字放到暂存字 tmp1_low 中;此处开始求最后一项增量,也即当前增量 LACC PID_e0 ; 加载当前偏差量 e(k)到累加器 ACC 中SACL e0_sign ; 把e(k)存储到变量 e0_sign 中,便于后面进行符号判断 ABS ; 对e(k)取绝对值,为无符号乘法做准备 SACL abs_e0 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 LT abs_e0 ; 把| e(k)| 加载到 T 寄存器中 MPYU A_coeff_low ; 无符号乘法,A 低位字*| e(k)| SPH tmp2_low ; 把乘积寄存器 PREG 的高 16 位存储到变量 tmp2_low MPYU A_coeff_high ; 无符号乘法,A 高位字*| e(k)| PAC ; 把A高位字*| e(k)| 的乘积加载到累加器 ADDS tmp2_low ; ACC=A 高位字*| e(k)|+A 低位字*| e(k)| SACH tmp2_high, 1 ; 把该结果存储到暂存器变量 tmp2_high 和tmp2_low SACL tmp2_low, 1 LACC e0_sign ; 判断当前偏差量 e(k)的符号 BCND cy_DONE, GT ; 当e(k)> 0 时,不必再进行处理,跳转 LACC tmp2_high, 16 ; 当e(k)<= 0 时ADDS tmp2_low ; 使ACC=A 系数高位字*| e(k)|+A 系数低位字*| e(k)| NEG ; 因为 e(k)<= 0,所以使 ACC 取负值 SACH tmp2_high ; 把取负后的 ACC 存储到暂存器变量 tmp2_high 和tmp2_low SACL tmp2_low cy_DONE : ; 对当前偏差量 e(k)的符号判断处理结束 LACC tmp1_high, 16 ; 加载[Kd*e(k-2)-(2*Kd+Kp)*e(k-1)]的高位字 ADDS tmp1_low ; ACC=Kd*e(k-2)-(2*Kd+Kp)*e(k-1) ADDS tmp2_low ADD tmp2_high, 16 ; 此时 ACC 存放数字 PID 控制器的控制增量u(k)=u(k)-u(k-1) SACH tmp3 ; tmp3=u(k)=A*e(k)-(2*Kd+Kp)*e(k-1)+Kd*e(k-2) LACC PID_output1, 16 ; 加载上次控制量 u(k-1)到ACC,并左移 16 位ADD tmp3, 16 ; 得到本次的控制量,存放在 ACC 中,字长是 32 位SACH PID_output ; 取ACC 的高 16 位存放到本次控制量的变量中,16 位已经能满足精度 ; u(k)=u(k-1)+A*e(k)-(2*Kd+Kp)*e(k-1)+Kd*e(k-2) LACC PID_output ; 变量 PID_output 中存放送到 DA 的控制量 SUB #PID_output_MAX ; 对输出控制量进行限幅控制 BCND greater_MAX, GT ; 进行上限幅 LACC PID_output SUB #PID_output_MIN BCND less_MIN, LT ; 进行下限幅 B PID_end greater_MAX : ; 当PID_output > PID_output_MAX 时,令PID_output=PID_output_MAX SPLK #PID_output_MAX, PID_output B PID_end less_MIN : ; 当PID_output < PID_output_MIN 时,令PID_output=PID_output_MIN SPLK #PID_output_MIN, PID_output PID_end : ; 为下一次 PID 控制做准备 LDP #4 ; 指向用户变量区 200h~27Fh 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 LACC PID_e1 SACL PID_e2 ; 使得 e(k-2)=e(k-1) LACC PID_e0 SACL PID_e1 ; 使得 e(k-1)=e(k) LACC PID_output SACL PID_output1 ; 使得 PID_output1=PID_output CLRC SXM ; SXM=0,抑制符号位扩展 RET PID_init : ; 数字 PID 控制器输入值和参数初始化 LDP #4 ; 指向用户变量区,200h~27Fh 的数据存储器的 B0 区SPLK #Kp_init, Kp ; 初始化比例增益系数 Kp SPLK #Ki_high_init, Ki_high ; 初始化积分增益系数高位字 Ki_high SPLK #Ki_low_init, Ki_low ; 初始化积分增益系数低位字 Ki_low SPLK #Kd_init, Kd ; 初始化微分增益系数 Kd SPLK #PID_ref_init, PID_reference ; 初始化系统参考输入值 PID_reference=r(t) SPLK #0, PID_e2 ; 初始化上上次的偏差量 e(k-2) SPLK #0, PID_e1 ; 初始化上次的偏差量 e(k-1) SPLK #0, PID_e0 ; 初始化当前的偏差量 e(k) SPLK #0, PID_output1 ; 初始化上次的控制量 u(k-1) SPLK #0, PID_output ; 初始化当前控制量 u(k) RET GISR1 : ; 优先级 INT1 中断入口 ; 保护现场 LDP #DP_PF1 ; DP 指针指向 7000h~707Fh 外设数据区 LACC PIVR, 1 ; 读取外设中断向量寄存器(PIVR),并左移一位 ADD #PVECTORS ; 再加上外设中断子向量的入口地址 BACC ; 根据累加器的值,跳到相应的中断服务子程序中 ; 此处是高优先级的 ADC 中断 ADCINT_ISR : ; 高优先级模式的 ADC 中断子程序 CLRC SXM ; 抑制符号位扩展 LDP #4 ; 指向用户变量区 LAR AR2, #RESULT0 ; 把当前 AD 转换的结果存储到 AR2 中MAR *, AR2 ; 把AR2 设置为当前辅助寄存器 LACC *, 10 ; 由于 DSP 内嵌的 AD 转换器是 10 位的,所以左移 10 位加载到 ACC 高位 SACH ADRESULT ; 变量 ADRESULT 存储当前 AD 转换的结果 CALL PID_Control ; 调用数字 PID 控制子程序 CLRC INTM ; 开总中断,因为一进中断就自动关闭总中断 RET ; 中断返回 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 PHANTOM : ; 假中断向量子程序 LDP #DP_PF1 ; DP 指针指向 7000h~707Fh 外设数据区 SPLK #05555h, WDKEY ; 复位看门狗 SPLK #0AAAAh, WDKEY RET .end ; 程序结束 4.4.5 模糊 PI 控制器的 DSP 应用程序 下面介绍包含模糊 PI 控制器算法的 DSP 应用程序,该程序是基于图 4.2 的硬件平台 和图 4.8 的原理框图实现模糊 PI 控制器的,下面的程序段就是数字模糊 PI 控制器的控制 表程序,程序的文件名是 Fuzzy_PI.asm,每行程序都有详细的解释说明,由于模糊 PI 控 制器是在数字 PID 控制器的基础上改进的,又由于篇幅的限制,本程序没有给出所有的 程序,其主程序和中断子程序以及初始化程序和数字 PID 控制器的程序是基本相同的, 在此不再赘述. ; 实用模糊 PI 控制程序 PI_Control : ; 此处开始执行 PI 控制器 SETC SXM SETC OVM SPM #0 LDP #4 LACL ADRESULT ; 把AD 采样的结果存储到变量 PID_input SACL PID_input CALL Fuzzy_PI_table ; 此处调用模糊 PI 控制规则 ; 以下程序实现模糊 PI 控制规则表,如表 4.3 所示 Fuzzy_PI_table : LACC PID_reference ; 加载系统参考输入量 r(k) SUB PID_input SACL PID_e0 ; 求得系统当前偏差量 e(k) SUB PID_e1 ; 与上次系统偏差量相减 SACL PI_delta_e ; 求得系统当前偏差变化率e(k)=e(k)-e(k-1) LT q1 ; 对偏差量进行模糊化,q1 是量化因子 MPY PID_e0 PAC ; 求出模糊偏差量=q1*e(k) SACL Fuzzy_PI_e ; 把模糊偏差量存储到变量 Fuzzy_PI_e 中LT q2 ; 对偏差量变化率进行模糊化,q2 是量化因子 MPY PI_delta_e ; 模糊偏差变化率=q2*e(k) PAC SACL Fuzzy_PI_delta_e ; 把模糊偏差变化率存储到变量 Fuzzy_PI_delta_e 中LACL Fuzzy_PI_e ; 对模糊控制规则进行限幅控制 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 SUB #6 BCND Normal_Fuzzy_PI_1, LT ; 当模糊偏差量大于等于 6 时SPLK #6, Fuzzy_PI_e ; 模糊偏差量取最大值 6 Normal_Fuzzy_PI_1 : LACL Fuzzy_PI_delta_e SUB #6 BCND Normal_Fuzzy_PI_2, LT ; 当模糊偏差变化率大于等于 6 时SPLK #6, Fuzzy_PI_delta_e ; 模糊偏差变化率取最大值 6 Normal_Fuzzy_PI_2 : ; 以下程序是模糊控制规则求解 LACL Fuzzy_PI_e SUB #5 ; 当模糊偏差量=5 时BCND Fuzzy_PID_e_5, EQ B Fuzzy_PID_e_not5 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_e_5 : ; 继续寻找合适的控制规则 LACL Fuzzy_PI_delta_e ; 当模糊偏差变化率=1 时SUB #1 BCND Fuzzy_PID_delta_e_1, EQ B Fuzzy_PID_e_not5 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_delta_e_5 : SPLK #5, Fuzzy_KP ; 这时,模糊比例增益系数 KP=5 SPLK #0, Fuzzy_KI ; 模糊比例增益系数 KI=0 B Fuzzy_PI_end ; 此时已经找到一条符合要求的模糊控制规则 ; 跳出模糊规则求解程序 Fuzzy_PID_e_not5: LACL Fuzzy_PI_e ; 当模糊偏差量=4 时SUB #4 BCND Fuzzy_PID_e_4, EQ B Fuzzy_PID_e_not4 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_e_4 : LACL Fuzzy_PI_delta_e ; 当模糊偏差变化率=2 时SUB #2 BCND Fuzzy_PID_delta_e_2, EQ B Fuzzy_PID_e_not4 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_delta_e_5 : SPLK #4, Fuzzy_KP ; 这时,模糊比例增益系数 KP=4 SPLK #1, Fuzzy_KI ; 模糊比例增益系数 KI=1 B Fuzzy_PI_end ; 此时已经找到一条符合要求的模糊控制规则 Fuzzy_PID_e_not4 : LACL Fuzzy_PI_e ; 当模糊偏差量=3 时 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 SUB #3 BCND Fuzzy_PID_e_3, EQ ; 如果相等,则继续向下判断 B Fuzzy_PID_e_not3 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_e_3 : LACL Fuzzy_PI_delta_e ; 当模糊偏差变化率=3 时SUB #3 BCND Fuzzy_PID_delta_e_3, EQ B Fuzzy_PID_e_not3 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_delta_e_3 : SPLK #3, Fuzzy_KP ; 这时,模糊比例增益系数 KP=3 SPLK #2, Fuzzy_KI ; 模糊比例增益系数 KI=2 B Fuzzy_PI_end ; 此时已经找到一条符合要求的模糊控制规则 ; 跳出模糊规则求解程序 Fuzzy_PID_e_not3 : 和上面的程序段一样描述出表 4.3 所示的所有模糊控制规则 此处省略了编程结构相同的模糊控制规则 Fuzzy_PI_end : ; 此处模糊控制规则求解结束,对模糊输出控制量进行反模糊化 LT k1 ; 对模糊比例增益系数 KP 反模糊化 MPY Fuzzy_KP ; k1*Fuzzy_KP PAC SACL Kp ; 求得反模糊化结果 Kp=k1*KP LT k2 ; 对模糊积分增益系数 KI 反模糊化 MPY Fuzzy_KI ; k2*Fuzzy_KI PAC SACL Ki ; 求得反模糊化结果 Ki=k2*KI RET ; 模糊控制规则求解程序结束,返回调用处 4.5 控制系统的性能评估 本节将对系统的开环特性,以及加上控制算法后的控制性能作对比,由此反映数字 PID 控制和模糊 PI 控制算法的特点. 4.5.1 系统的开环特性 图4.12、 图4.13 和图 4.14 给出了伺服电机的动态速度特性. 图中所示是在输入端分别加 上500~1000mV、1500~2000mV、2500~3000mV 电压的阶跃信号后电机的速度响应.曲线 a 为常温下空载速度阶跃响应, b 为高温 (80℃左右) 下空载速度阶跃响应, c 为负载 3Kgf·cm 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 的速度阶跃响应.在温度和所加负载发生变化时电机的速度特性也随着变化,且速度越高变 化越大. 图4.12 500~1000mV 的速度阶跃响应 图4.13 1500~2000mV 的速度阶跃响应 图4.14 2500~3000mV 的速度阶跃响应 4.5.2 数字 PID 控制特性 图4.15 给出了在数字 PID 控制下伺服电机的动态速度特性. 设计数字 PID 控制器后, 做 了一系列实验.图4.15 是电机在数字 PID 控制下不同设定速度的阶跃响应.其中,曲线 a 表 示电机空载情况下的阶跃响应; 曲线 b 表示电机长时间运行后温度上升的情况下的阶跃响应; 曲线 c 表示当电机加上 3Kgf·cm 的负载(60%的额定负载)时,电机的阶跃响应曲线.由图4.15 可以看出,只有在电机的速度设定为 100rpm 时,数字 PID 控制器的效果较好,不管 在哪种情况下,最大超调量均小于 7%,而在 50rpm 和140rpm 的设定速度下,最大超调量均 大于 10%.另外在设定速度为 100rpm 时,电机阶跃响应的上升时间和调整时间均比其他的 设定速度下电机阶跃响应的上升时间和调整时间小. 但是随着电机温度上升或加上负载, PID 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 控制器的控制品质相对下降,超调量增大同时调整时间变长.这是因为数字 PID 控制器的参 数是在电机空载,设定速度为 100rpm 的情况下调整的,所以在这种情况下 PID 控制器的控 制品质相对较好.而当电机设定速度变化或电机带负载运行或温度变化时,由于电机的特性 随电机带载情况或电机温度的变化而改变,因此电机的工作点发生漂移,而PID 控制器的参 数无法跟着改变,从而控制品质相对下降. 说明:曲线 a 空载情况,曲线 b 长时间运行后温度上升的情况,曲线 c 加上 3Kgf·cm 的负载 图4.15 在数字 PID 控制下不同设定速度的阶跃响应 电机在 PID 控制下无法完全消除静差,这是因为电机本身的时间常数小,动态响应快, 惯性小,容易引入干扰,而PID 控制中的微分环节(D)虽然能改善系统的动态特性,加快 系统响应,降低超调,但是它也使系统的抗干扰能力下降,所以电机在 PID 控制下进入稳态 后,由于外界干扰的存在,使得电机总是存在略微的抖动. 4.5.3 模糊 PI 控制特性 设计模糊 PI 控制器后,做了一系列实验.图4.16 是电机在模糊 PI 控制下,不同设定速 度的阶跃响应.其中,曲线 a 表示电机空载情况下的阶跃响应;曲线 b 表示电机长时间运行 后温度上升的情况下的阶跃响应;曲线 c 表示当电机加上 3Kgf·cm 的负载时,电机的阶跃 响应曲线.由图 4.16 可以看出,电机在常温空载情况下,不管设定速度是多少,参数自整定 模糊 PI 控制器的控制效果都比较好,最大超调量均小于 7%,而调整时间均在 16ms 以内, 并且进入稳态后速度抖动较小.但是随着电机温度上升或所加负载发生变化时,控制器的控 制品质相对下降,超调量增大同时调整时间变长.这是因为模糊 PI 控制器的参数 Kp 和Ki 是 在电机空载,设定速度为 100rpm 的情况下给出的,同时用于调节 PI 参数 Kp 和Ki 的模糊控 制规则是在常温下, 电机空载时给出的, 所以在电机空载情况下控制器的控制品质相对较好. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 说明:曲线 a 空载情况,曲线 b 长时间运行后温度上升的情况,曲线 c 加上 3Kgf·cm 的负载 图4.16 在模糊 PI 控制下不同设定速度的阶跃响应 4.6 案例总结 通过 4.4 节的详细的程序代码说明,读者应该对常用自动控制系统的算法——PID 控制 和模糊 PI 控制有了一个清晰的了解,本节将对这些控制算法以及它们在 DSP 中的实现手段 作一个总结,由此可以得到一些一般性的结论,便于读者利用这些结论去设计自己想要的基 于DSP LF24xx 系列的自动控制系统,以达到举一反三、学以致用的目的. (1)一个实际的 DSP 控制系统,实时性是一个重要的指标.本程序为了保证数字 PID 控 制的实时性和准确性,在AD 采样的中断响应子程序中就调用 PID 控制算法程序,立即计算 出控制输出量并送到被控对象,根据 LF2407 的性能、机器时钟周期和中断的延时,可以计 算出本系统从采样当前实际输入值到输出控制量大约需要 6.67?s,这对于 1ms 一次的采样来 说是足够的,完全满足实时性的要求.LF2407 从识别并响应 CPU 中断到进入中断子程序的 第一条指令需要典型的 20 个时钟周期,本系统的片内时钟是 24MHz,而且执行 PID 控制算 法大概需要 130 个指令周期,所以控制的延迟时间 delay T 按式 4-11 进行计算. delay T = 24 1 10 24 1 20 24 1 130 * + * + * =6.67?s (4-11) 在中断子程序中实时调用 PID 控制算法的程序如下: ADCINT_ISR : ; 高优先级模式的 ADC 中断子程序 CLRC SXM ; 抑制符号位扩展 LDP #4 ; 指向用户变量区 LAR AR2, #RESULT0 ; 把当前 AD 转换的结果存储到 AR2 中MAR *, AR2 ; 把AR2 设置为当前辅助寄存器 LACC *, 10 ; 由于 DSP 内嵌的 AD 转换器是 10 位的,所以左移 10 位加载到 ACC 高位 SACH ADRESULT ; 变量 ADRESULT 存储当前 AD 转换的结果 CALL PID_Control ; 调用数字 PID 控制子程序,保证实时控制 CLRC INTM ; 开总中断,因为一进入中断就自动关闭总中断 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 RET ; 中断返回 (2)在本程序中,PID 控制器的比例增益系数 Kp 和微分增益系数 Kd 仅仅用一个 16 位的 字表示,而积分增益系数 Ki 却用 2 个16 位的双字表示 Ki_high、Ki_low.这是因为 LF2407 是一个定点型 DSP,它在表示小数形式的 PID 控制器的 Kp、Ki、Kd 时,需要把它们转化为定 标的定点数.此处定标为 Q15,即16 位字中最高位是符号位,其他 15 位是整数位,表示范 围是[?32768,+32767],精度是 1,所以用双字表示 Ki 才能满足此系数的精度.同样,由于 A 系数=Kp+Ki+Kd,所以它也应该用双字 A_coeff_high、A_coeff_low 来表示.一个小于 1 的小 数表示为 Q15 格式的定点数,应该先去掉符号位,乘以 32768,再转化为十六进制数,如果 是负数还应该对其求补码. (3)DA 转换器的输出范围是[0,3300mV]的闭区间,数据线是 8 根,所以 DA 转换器的 最小步进是 3300÷28 =12.89mV.但是在实际系统中是很难做到这样的精度的,原因是系统本 身模拟地和数字地之间有干扰,工业现场有很多电磁干扰,所以 DA 转换器的最后一位是噪 声,因此 DA 转换器的最小步进是 12.89*2=25.78mV.而AD 转换器是片上集成的,干扰相 对较小,10 位AD 的精度能够达到 1/210 . (4)本程序的可移植性、可扩展性都很强,可以把本程序改为最简单的 P 控制器.需要 说明的是 P 控制器在实际使用时是很少见的, 它只是用来测试、 计算 PID 控制器的 3 个参数: Kp、Ki 和Kd.具体方法是采样工程中常用的扩充临界比例度法,当在采样周期为 1ms 的情况 下,先去掉积分环节和微分环节,只剩下比例作用,也即是 P 控制器,然后逐渐加大比例增 益系数 Kp,直到系统发生振荡,记下此时的比例系数 K 和振荡周期 T,根据扩充临界比例度 法,数字 PID 控制器中各参数取值如式 4-12 所示. K K 63 . 0 p = , T T 49 . 0 i = , T T 14 . 0 d = (4-12) 式4-12 仅仅是一个参考引导公式.实际工作中,一方面要参考公式,另一方面还要靠实 际工作经验和具体的实验数据. 把本程序改成 P 控制器的具体程序如下: PID_init : ; 数字 PID 控制器输入值和参数初始化 LDP #4 ; 指向用户变量区,200h~27Fh 的数据存储器的 B0 区SPLK #Kp_init, Kp ; 初始化比例增益系数 Kp SPLK #0, Ki_high ; 初始化积分增益系数高位字=0 SPLK #0, Ki_low ; 初始化积分增益系数低位字=0 SPLK #0, Kd ; 初始化微分增益系数 Kd=0 (5)在实际工作中还会用到 PI 控制器和 PD 控制器,也即没有微分环节或积分环节.把 本程序改成 PI 控制器的具体程序如下. SPLK #0, Kd ; 初始化微分增益系数 Kd=0 把本程序改成 PD 控制器的具体程序如下. SPLK #0, Ki_high ; 初始化积分增益系数高位字=0 SPLK #0, Ki_low ; 初始化积分增益系数低位字=0 (6)改进型数字 PID 控制器用得最多的是积分分离的 PID 控制器.对于普通的增量式 PID 控制,当大幅度变化设定值时,由于短时间内将产生很大的偏差,式4-4 中的积分项将取 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 值很大,导致系统在消除偏差时将出现较大的超调及长时间的振荡,甚至形成积分饱和现象. 因此在普通的增量式 PID 控制算式的基础上引入了积分分离,即在开始跟踪被控量时,先取 消积分作用使比例项迅速跟踪偏差的变化,当被控量接近新的设定值时再将积分作用加入, 这样既可以避免超调又可缩短达到稳态的时间,起到了积分校正的作用.另外,为了防止积 分饱和,当控制量达到最大或最小极限时应该限幅输出.现假设当偏差量小于等于 50 时,采用PID 控制器,而当偏差量大于 50 时,就仅采用 PD 控制器,则其控制算法如式 4-13 所示. ? ? ? ? ? > ? + ? + ? = ? ≤ ? + ? + = ? 50 ) ( ) 2 ( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( 50 ) ( ) 2 ( ) 1 ( ) ( ) ( k e k Ce k Be k e K A k u k e k Ce k Be k Ae k u i 当当(4-13) 从式 4-13 可以看出,当采用积分环节时,A 系数=Kp+Ki+Kd,而在进行积分分离时,A 系数=Kp+Kd, 只要把原来程序中计算 A 系数的地方改为根据偏差量的绝对值进行积分分离, 选择 不同的 A 系数即可. 把本程序改成积分分离的 PID 控制器的具体程序如下, 其他程序段均不变. PID_Control : ; 根据偏差输入值进行积分分离的 PID 算法的计算 SETC SXM ; 置符号扩展方式为 1,表示系统进行符号扩展 SETC OVM ; 置系统溢出模式为 1,表示累加器溢出时使用最大正值和负值 SPM #0 ; 表示乘法器不移位直接装入 CALU LDP #4 LACL ADRESULT ; 把本次 AD 转换的结果存储到变量 PID_input 中SACL PID_input LACC PID_reference ; 加载输入参考值 SUB PID_input ; ACC=PID_reference - PID_input SACL PID_e0 ; 本次输入的偏差量,e(k)= r(k)- c(k) ABS ; 对偏差量取绝对值 |e(k)| SUB #50 ; 把绝对值|e(k)|和50 进行比较 BCND Move_Ki, GT ; 当|e(k)| > 50,跳转到 Move_Ki,进行积分分离 LACC Ki_high, 16 ; 把积分增益系数 Ki 的高位字左移 16 位加载到 ACC 中ADDS Ki_low ; 无符号加法,表示把 Ki 的高位字和低位字拼接起来加载到 ACC ADD Kp, 16 ; ACC=Kp+Ki ADD Kd, 16 ; ACC=Kp+Ki+Kd,普通的 PID 控制 B Calculate_A_end Move_Ki : ; 进行积分分离,求A系数,其中不包括积分增益系数 Ki LACC Kp, 16 ; ACC=Kp ADD Kd, 16 ; ACC=Kp+Kd Calculate_A_end : ; A 系数计算结束 SACH A_coeff_high ; 系数 A 高位字=高位(Kp+Ki+Kd) SACL A_coeff_low ; 系数 A 低位字=低位(Kp+Ki+Kd) LACC Kd, 16 ; 把系数 Kd 左移 16 位加载到 ACC 中SFL ; 此时,ACC=2*Kd ADD Kp, 16 ; ACC=2*Kd+Kp 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 SACH B_coeff ; 系数 B = 2*Kd+Kp (7)模糊 PI 控制器的 DSP 程序是在数字 PID 控制器的程序之上进行改进的,其主程序 大体相同,只是有略微的差异,其中在数据段.data 需要添加的变量如下: .data PI_delta_e .word 00h ; 模糊 PI 控制器的当前偏差变化率e(k) q1 .word 00h ; 模糊 PI 控制器的当前偏差量的量化因子 q2 .word 00h ; 模糊 PI 控制器的当前偏差变化率的量化因子 k1 .word 00h ; 模糊 PI 控制器输出的比例增益系数 KP 的比例因子 k2 .word 00h ; 模糊 PI 控制器输出的积分增益系数 KI 的比例因子 Fuzzy_PI_e .word 00h ; 模糊 PI 控制器的当前偏差量 Fuzzy_PI_delta_e .word 00h ; 模糊 PI 控制器的当前偏差变化率 Fuzzy_KP .word 00h ; 模糊 PI 控制器输出的比例增益系数 KP Fuzzy_KI .word 00h ; 模糊 PI 控制器输出的积分增益系数 KI 其中 PI 控制器初始化程序应该改成如下程序: PI_init : ; 模糊 PI 控制器输入值和参数初始化 LDP #4 ; 指向用户变量区,200h~27Fh 数据存储器的 B0 区SPLK #Kp_init, Kp ; 初始化比例增益系数 Kp SPLK #Ki_init, Ki ; 初始化积分增益系数 Ki SPLK #PID_ref_init, PID_reference ; 初始化系统参考输入值 PID_reference=r(t) SPLK #0, PID_e1 ; 初始化上次的偏差量 e(k-1) SPLK #0, PID_e0 ; 初始化当前的偏差量 e(k) SPLK #0, PID_output1 ; 初始化上次的控制量 u(k-1) SPLK #0, PID_output ; 初始化当前控制量 u(k) RET (8)图4.9 和图 4.10 是定义的各语言变量的语言值.其中语言值隶属函数的形状对控制器 的特性影响不大,而各隶属函数对论域的覆盖面的大小则对控制器的特性影响较大.在图 4.9 和图 4.10 中,取各语言值隶属函数的形状为梯形,是为了方便模糊化和反模糊化的计算,以及 控制表的计算.其实取隶属函数的形状为三角形、梯形和正态分布函数形都对控制特性的影响 不大.另外,对于各个语言值,要考虑它们对论域的覆盖程度,应使论域中的任何一点对这些 模糊集的隶属度的最大值都不能太小,否则在这样的点上会出现"空档" ,从而引起失控.本 案例程序中,论域中的任何一点对这些模糊集的隶属度的最大值都大于或等于 0.5.另外还应 考虑各模糊集之间的相互影响, 一般用这些模糊集中任意两个模糊集的交集中的最大隶属度β 来描述.β较小时,控制较灵敏,但容易引起失控,β较大时,控制的鲁棒性好,但β过大将 不易区分两个相邻的模糊集.一般β取0.4~0.7 之间,本案例程序中取β=0.5. (9)本案例程序作为例子,其中的模糊规则控制表做的比较小,程序量不大,因此控制 的精度较差.在实际工程应用中,模糊规则控制表往往很大,这时再采用本程序中直接用程 序语句来描述的方法将占用大量的程序存储空间,浪费资源,增加成本.实际使用中常常采 用离线的方法计算出模糊控制规则表,然后把它直接复制到系统的数据空间,在寻找控制规 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 则时采用数据寻址的方法,这样程序运行速度快而且占用的存储量小. 本章案例介绍了利用 TI 公司的 DSP LF2407 进行常用自动控制系统的设计,主要介绍了 数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的设计方法和实现手段.在此基础上,介绍了数字 P 控制 器、数字 PI 控制器、数字 PD 控制器、数字积分分离的 PID 控制器的实现方法.在工业控制 中,90%都是采用 PID 控制算法,而且绝大多数都是采用数字式 PID 控制,也有少量的模拟 PID 控制,在它基础上又衍生了很多实用的复合控制方法,模糊 PI 控制就是其中的一种.目 前在很多过程控制和家用电器中均采用了数字模糊 PI 控制技术,当被控对象的特性是非线 性,且要求高精度控制时,模糊 PI 控制技术发挥了它的优越性,即不需要数学模型,对被控 对象的特性变化不敏感,它确实解决了很多其他控制方法无法解决的问题,并且它实现起来 比较简单,运算量较小,是一种性能价格比优异的控制方案.因此读者如果掌握了上面介绍 的数字 PID 控制算法和模糊 PI 控制算法,则也能迅速地掌握其他控制方法的 DSP 实现.
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华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 "黑色经典"系列之《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 第4章常用自动控制系统设计 随着自动化技术、计算机技术、集成芯片制造技术的飞速发展,自动控制系统的设计、 实现也出现了飞跃式的发展,从单输入单输出系统发展到多输入多输出系统,从基本的 PID (Proportional Integral Differential)控制发展到目前种类繁多的最优控制、鲁棒控制、非线性 控制、模糊控制、神经网络控制、滑模控制以及多种控制方法的结合控制技术,从自动控制 系统的硬件实现来看,从20 世纪 60 年代的分立元器件到 20 世纪 70 年代的中、小规模集成 电路、再到 80 年代流行的以单片机为核心的数字化自动控制系统,然后到目前的以 DSP(数 字信号处理器)为核心的高速、精密、智能的自动控制系统. 自动控制技术几乎应用于所有的工业部门,由于工业现场的工作环境、工作内容、控制 对象、执行设备、动力设备、工作指标各不相同,因此工业控制的设计方法和实现手段也非 常多,归纳起来,工业控制一般包括如下类别:过程控制、运动控制、速度伺服控制、位置 伺服控制、点对点(I/O)控制等.过程控制和点对点(I/O)控制相对速度较慢,而运动控 制和速度伺服控制以及位置伺服控制相对速度较快. 本章将基于 TI 公司 LF2407 和外接 DA 转换芯片,实现数字 PID 控制器,采用的 PID 控 制算法是增量式 PID 控制算法,然后在此硬件平台上,以增量式 PID 控制算法为基础,介绍 基于 LF2407 的模糊 PI 控制器的实现. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 4.1 案例要求和应用对象 在过程控制、运动控制、速度伺服控制、位置伺服控制中,用得最多的控制方法是数字 PID 控制算法,目前虽然有很多优秀的控制方法都采用较新的控制算法,这些算法包括:积 分分离 PID 控制算法、微分先行 PID 控制算法、带死区(dead-line)的PID 算法、模糊 PID 算法等, 但是这些算法都是建立在普通的数字 PID 控制算法的基础上的, 普通的 PID 控制算 法是其他一切控制算法的基础.虽然当前控制理论和控制技术在信息技术、集成电路制造技 术的高速发展的推动下有了很大的发展,例如自适应控制、神经网络和模糊控制、鲁棒控制、 滑模控制以及最优控制等很多现代控制方法都得到广泛的应用,但是数字 PID 控制仍然是一 种稳定的、可靠的、实现简单的、使用广泛的控制方法. PID 控制是技术最成熟的一种控制方法,特别是在控制对象的模型未知或难以建立时, 常常采用 PID 控制方法.PID 控制原理简单、实现方便,并且适应性广、鲁棒性强,其控制 品质对被控对象特性的变化不是很敏感.随着计算机技术的发展,在PID 控制的基础上,出 现了很多改进的数字 PID 控制方法,如微分先行 PID 控制、积分分离 PID 控制、带死区的 PID 控制(非线性 PID 控制)等.对于数字 PID 控制方法,又分为增量式 PID 控制算式和位 置式 PID 控制算式. 本案例在 DSP 内部设置参考输入量,通过 LF2407 的片上 10bit AD 转换器采样,把被控 对象的实际输出量采集到 DSP 中,经过 DSP 的数字运算处理后,通过外部的 DA 转换芯片 (AD7237)进行数/模转换,得到实际的模拟控制量去控制被控对象,使之按照系统的设置运 行工作. 另外本案例将在数字 PID 控制器的基础上,介绍基于 LF2407 的模糊 PI 控制器的实现. 虽然数字 PID 控制器算法简单,不需要数学模型,且稳定性好、可靠性高.如果使用同样系 数的 PID 控制器,一旦被控对象的工况发生变化,其控制品质将随之下降.也就是说如果在 被控对象空载的情况下设定了 PID 控制器的各个参数,而当被控对象的温度、所加负载以及 速度变化时,PID 控制器的控制品质将会下降.为此,控制理论提出了模糊 PI 控制器.模糊 PI 控制器是在 PI 控制器的基础上改进的,它的参数 Kp、Ki 将由模糊控制规则和专家经验决 定.当被控对象的特性变化时,模糊 PI 控制器的参数 Kp、Ki 也随着发生变化,从而使得控 制品质在各种不同的工况下均有良好的指标,满足工业控制的要求. 本案例介绍的数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的用途非常广泛, 可以用于大多数工业控 制现场,但不能应用于生物医疗设备、仪器的研制,因为采用本案例介绍的数字 PID 控制器 和模糊 PI 控制器为了获得较快的动态过程,在状态变化的过渡过程中存在超调,而且对超调 的抑制仅仅是采用微分环的作用,而模糊 PI 控制器中干脆就没有微分环节,这在工业生产部 门是可以容忍的,而在生物医疗设备中却万万不能出现,生物医疗设备的自动控制设计的一 个显著特点就是要抑制超调,而情愿牺牲其他的动态指标. 把本案例介绍的数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器应用于工业控制现场, 其动态指标的各 方面比普通的控制器均有所提高,详细的指标评价在案例总结中有论述.图4.1 是一个典型 的采用数字 PID 控制器的,基于 LF2407 DSP 的速度控制系统的结构示意图. 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.1 基于 LF2407 DSP 的速度控制系统的结构示意图 如图 4.1 所示,系统由 DSP LF2407A 作为控制器,由它产生一个数字控制量送入 DA 转 换器,此处 DA 转换芯片采用 AD7237,由它进行数/模转换,得到模拟控制量,送入执行器, 由执行器产生具有一定电流的功率控制量去直接控制电机,以上是一个开环的过程.自动控 制系统中采用测速电机来测被控电机的转速,然后转换为模拟电压信号反馈给控制器 LF2407A 的片上外设——AD 转换器.另外需要注意的是,测速电机种类繁多,根据不同的 测速指标,测速电机的价格差别也很大,有的测速电机需要上万元,而普通的测速电机只有 几百元甚至几十元,设计者一定要根据自身系统设计的需要购买,否则将大大增加系统的成 本,难以推向市场. 4.2 硬件电路设计 基于 LF2407 的数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的 DSP 实现电路原理图是一样的, 如图4.2 所示. 从图 4.2 中可以看出,模拟量输入,也即被控电机的实际输出转速,通过一个限流电阻 R1 送到由 AD8041 构成的电压跟随器里,经过放大后,再经二极管 D1 和D2 嵌位以及电阻 R2 限流, 送到 LF2407 的片上 AD 转换器中, 使得 AD 的输入限制在 0mV~3300mV. LF2407 一共有 16 路复用的片上 AD 转换器,本实例只采用第 0 通道的 AD 转换. 由DSP 计算出控制量,通过外部数据总线送给 DA 转换器,采用 AD 公司的 AD7237 芯片, 它是 8 位DA 转换器, 由DSP 的外部地址总线 A2、 A1、 A0 构成 DA 转换器的译码电路, DA 转换器的输出采用 AD7237 的A相输出. LF2407 由外部提供复位信号, 由无源晶振提供 6MHz 时钟. 片上 AD 转换器的参考电压 高电平端 Vrefhi 接DSP 电源+3.3V,参考电压低电平端 Vreflo 接DSP 的地. TI 公司的 TMS320LF24xx 系列 DSP 是一种定点型 DSP,它的功能强大的 CPU 为C2000 DSP 的应用提供了低成本、低功耗、高性能的处理能力,并且该芯片集成了多种集成外设, 对工业应用中的电机数字化控制非常有用, 是电机数字化控制的升级换代的产品. 该系列 DSP 具有如下一些优点. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.2 用DSP 实现数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的电路原理图 ? 采用高性能静态 CMOS 技术,使得供电电压为 3.3V,减小了控制器的功耗,另外 30MIPS 的执行速度使得指令周期缩短到 33ns (30MHz) , 从而提高了控制器的实时控制能力. ? 片内有高达 32KB 的Flash 程序存储器,高达 1.5KB 的数据/程序 RAM,544Byte 的 双口 RAM(DARAM)和2KB 的单口 RAM(SARAM) . ? 两个事件管理器模块 EVA 和EVB,每个都包括:2 个16 位通用定时器;8 个16 位的脉宽调制(PWM)通道.它们能够实现:三相反相器控制;PWM 的对称和非对称波 形;当外部引脚/PDPINTx 出现低电平时快速关闭 PWM 通道;可编程的 PWM 死区控制以 防止上下桥臂同时输出触发脉冲;3 个捕获单元;片内光电编码器接口电路;16 通道 AD 转换器.事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进 电机等. ? 可扩展的外部存储器最大共有 192KB 空间; 64KB 程序存储器空间; 64KB 数据存储 器空间;64KB I/O 寻址空间. ? 看门狗定时器模块(WDT) . ? 10 位AD 转换器的最小转换时间是 500ns,可选择由两个事件管理器来触发两个 8 通道输入的 AD 转换器或者一个 16 通道输入的 AD 转换器. 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 ? 控制器局域网络(CAN)2.0 B 模块. ? 串行通信接口(SCI)模块. ? 16 位的串行外设(SPI)接口模块. ? 基于锁相环的时钟发生器. ? 高达 40 个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO) . ? 5 个外部中断,其中 2 个电机驱动保护、复位和 2 个可屏蔽中断. ? 电源管理包括 3 种低功耗模式,能独立地把外设器件转入低功耗工作状态. 本案例选用的 TI 公司的 TMS320LF24xx 系列的 DSP——TMS320LF2407A,它的 PGE 形式的封装图如图 4.3 所示. 另外一个涉及到系统性能指标的关键芯片是 DA 转换芯片,本案例中选用美国 AD 公司 的AD7237 来进行数/模转换,它的原理结构示意图如图 4.4 所示.AD7237 具有如下的一些 关键特点. 图4.3 TMS320LF2407A DSP 的PGE 形式的封装图 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.4 AD7237 的原理结构示意图 ? 具有完全的双 12 位DA 转换通道, 可以提高整个系统的可靠性, 改善系统的稳定性, 特别适用于小结构的嵌入式系统. ? 片上具有电压参考输入. ? DA 转换的输出端具有放大电路,带载能力强. ? 芯片的操作电压是 12~15V,可以双电源供电,也可以是单电源供电. ? DA 转换输出的典型的数据建立时间是 30ns. ? 单电源供电时,典型的芯片功耗是 165mW. 如图 4.2 所示的硬件电路中,AD8041 构成了电压跟随器,对输入信号放大,再经二极管 D1 和D2 嵌位以及电阻 R2 限流, 送到 LF2407 的片上 AD 转换器中, 本案例选用美国 AD 公 司的 AD8041,它具有如下的一些关键特点. ? 多种电源形式供电,可以是+3V 或+5V 单电源供电,也可以是±5V 双电源供电,兼 容性好. ? 片上提供轨到轨(Rail to Rail)的输出. ? 输入电压范围大,容故障能力强,在低于地电平 200mV 的输入电压下能正常工作. ? 片上具有/DISABLE 引脚,能够使芯片进入低功耗模式. ? 转换速度快,可以输入高频信号,其斜率为 160V/?s. ? 高频低失真,在10MHz 频率下,最差谐波是-69 dBc. ? 输出端的带载能力强. 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 4.3 软件系统设计思路 在数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的程序设计中需要用到大量的变量,为了便于 以后的讲解,首先定义一些程序中所要使用的变量名和公式中使用的变量名,如表 4.1 所示. 表4.1 公式中变量和程序中变量的对应关系及意义表 公式中的变量 意义描述 程序中的对应变量 r(k) PID 控制器的参考输入量 PID_input c(k) PID 控制器的实际输入量 PID_reference u(k) PID 控制器的当前控制量 PID_output u(k?1) PID 控制器的上次控制量 PID_output1 e(k) 当前偏差量 PID_e0 e(k?1) 上次偏差量 PID_e1 e(k?2) 上上次偏差量 PID_e2 Kp 比例增益系数 Kp Ki 积分增益系数高位字 Ki_high Ki 积分增益系数低位字 Ki_low 续表 公式中的变量 意义描述 程序中的对应变量 Kd 微分增益系数 Kd A A 系数高位=Kp+Ki+Kd A_coeff_high A A 系数低位=Kp+Ki+Kd A_coeff_low B B 系数=Kp+2*Kd B_coeff C C 系数=Kd 用Kd 代替 本案例首先设计一个数字 PID 控制器, 现在假设它是一个对电动机速度进行 PID 控制的 系统.图4.5 是PID 控制器的原理框图. 图4.5 PID 控制器的原理框图 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.5 中, ) (t r 是电机速度设定值, ) (t c 是电机转速的实际测量值, ) (t e 是输入控制器的 偏差信号, ) (t u 是控制器输出的控制量,则PID 控制算式如式 4-1 所示. t e T K t e T K e K u t 0 d d d d p i p p + + = ∫ (4-1) 在式 4-1 中,Kp 是比例系数,起比例调整作用.Ti 是积分时间常数,它决定了积分作 用的强弱.Td 是微分时间常数,它决定了微分作用的强弱.在PID 控制的 3 种作用中,比 例作用可对系统的偏差做出及时响应;积分作用主要用来消除系统静差,改善系统的静态 特性,体现了系统的静态性能指标;微分作用主要用来减少动态超调,克服系统振荡,加 快系统的动态响应,改善系统的动态特性.PID 控制的 3 种作用(比例、积分、微分)是 各自独立的,可以分别使用,也可以结合使用,但是积分控制和微分控制不能单独使用, 必须和比例控制结合起来,形成 PI 控制器或者 PD 控制器.式4-1 是模拟形式的 PID 控制 算式, 现在采用 LF2407 实现数字 PID 控制, 则对式 4-1 离散化, 得到 PID 控制的离散形式, 如式 4-2 所示. s d p i s p p ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( T k e k e T K i e T T K k e K k u k 0 i ? ? + + = ∑ = (4-2) 其中 Ts 为采样周期.这是位置式 PID 控制算式,为了增加控制系统的可靠性,采用增量 式PID 控制算式,即让 LF2407 只输出控制量 ) (k u 的增量 ) (k u ? .式4-2 是第 k 次PID 控制器 的输出量,那么第 1 ? k 次PID 控制器的输出量如式 4-3 所示. s d p i s p p ) 2 ( ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) 1 ( T k e k e T K i e T T K k e K k u 1 k 0 i ? ? ? + + ? = ? ∑ ? = (4-3) 所以增量式 PID 控制算式如式 4-4 所示. s d p i s p p ) 2 ( ) 1 ( 2 ) ( ) ( ] ) 1 ( ) ( [ ) 1 ( ) ( ) ( Δ T k e k e k e T K k e T T K k e k e K k u k u k u ? + ? ? + + ? ? = ? ? = ) 2 ( ) 1 ( ) 2 ( ) ( ) ( d d p d i p ? + ? ? ? + + + = k e K k e K K k e K K K (4-4) 现令式 4-4 中的系数, ) ( d i p K K K A + + = , ) ( d p 2K K B + ? = ? , d K C = . 则最后结果形式如方程式 4-5 所示. ? ? ? + ? = ? ? + ? ? ? ? = ) ( Δ ) 1 ( ) ( ) 2 ( ) 1 ( ) ( ) ( Δ k u k u k u k e C k e B k e A k u (4-5) 方程式 4-5 就是本控制程序中用到的增量式 PID 控制算式. 增量式 PID 控制与位置式 PID 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 控制相比仅是算法上有所改变, 但是它只输出增量, 减少了 DSP 误操作时对控制系统的影响, 而且不会产生积分失控.本案例基于 LF2407 的PID 控制器的实现框图如图 4.6 所示. 图4.6 基于 LF2407 的PID 控制器的实现框图 从图 4.6 可以看出被控电机的速度设定量由 DSP 给出, 经过 DSP 计算出控制量 ) (k u , 对 它进行 DA 转换, 产生模拟控制量 ) (t u , 从而实现对被控电机速度的控制, 而电机实际转速 ) (t c 通过 AD 转换器送入 DSP,使整个系统构成一个闭环系统.如图 4.7 所示是本案例设计的数 字PID 控制器在 DSP 上实现的控制程序流程图. 其次,本案例还要设计一个模糊 PI 控制器,它的硬件电路如图 4.2 所示,和数字 PID 控 制器的硬件电路是一样的.模糊控制技术是建立在模糊数学的基础上的,它是针对被控对象 的数学模型不明确,或非线性模型的一种工程实用、实现简单的控制方法.与传统的 PID 控 制器相比,模糊控制器有更快的响应和更小的超调,对过程参数的变化不敏感,即具有很强 的鲁棒性,能够克服非线性因素的影响. 数字 PID 控制器是一种工业控制中通用的控制器,但是工业生产现场环境复杂,往往出 现在某种情况下设计好的控制参数,在另一种情况下又不满足工业生产的需求了,而常规的 数字 PID 控制器不具有在线整定参数 Kp、Ki、Kd 的功能,使得其不能满足系统在不同偏差绝 对值|e|及偏差变化率绝对值|e|下,对PID 参数的不同要求,从而影响了控制器控制品质的 进一步提高.在本案例中,在数字 PID 控制器的基础上,去掉数字 PID 控制器中的微分环节 D,只采用 PI 控制器,并且采用模糊推理思想,根据不同的|e|和|e|,对PI 控制器的参数 Kp 和Ki 进行在线自整定.其原理结构由两部分组成:常规 PI 控制器部分和模糊控制的参数 校正部分,如图 4.8 所示. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.7 基于 LF2407 的数字 PID 控制器的程序流程图 图4.8 模糊 PI 控制器的原理框图 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 从图 4.8 中可以看出, ) (k r 是输入设定值, ) (k c 是实际测量值, ) (k e 是输入偏差信号, 其PI 控制器的离散表示形式如式 4-6 所示. ∑ = + = k 0 i i e T T K k e K k u ) ( ) ( ) ( i s p p (4-6) 在式 4-6 中,Ts 为采样周期.这是位置式 PI 控制算式,为了增加可靠性,采用增量式 PI 控制算式,如式 4-7 所示.增量式 PI 控制与位置式 PI 控制相比,仅仅是算法上有所改变, 但是它只输出增量,减少了 DSP 误操作时对系统的影响. ) ( )] 1 ( ) ( [ ) 1 ( ) ( ) ( i s p p k e T T K k e k e K k u k u k Δu + ? ? = ? ? = ) 1 ( ) ( ) ( p i p ? ? + = k e K k e K K (4-7) 在式 4-7 中,令A系数=Kp+Ki,B 系数=Kp,则最终增量式 PI 控制器的控制算式如方程 式4-8 所示.程序中只需计算出 A 系数和 B 系数就可以计算出当前的控制增量u(k). ? ? ? ? + ? = ? ? ? ? = ? ) ( ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( k u k u k u k e B k e A k u (4-8) 如图 4.8 所示,采用模糊控制规则,根据不同的|e|和|e|,对Pi 控制器的参数 Kp 和Ki 进行在线自整定.本模糊控制器的输入语言变量是偏差绝对值|E|、偏差变化率绝对值|E|, 输出语言变量是 Pi 控制器的比例增益系数 Kp 和积分增益系数 Ki. 在模糊控制中,语言变量是用语言值(模糊量)来表示一个物理量的,而不是用符号或 确定的数字来表示的.当用语言值表示一个语言变量时,应注意用多少个语言值去描述语言 变量,这是语言变量的分档问题.本实例中,各语言变量用语言值描述如下: 系统偏差的绝对值 ) (k e ={零、小、中、大} 偏差变化率的绝对值 ) (k e ? ={零、小、中、大} Pi 控制器的比例系数 Kp ={零、小、中、大} Pi 控制器的积分系数 Ki ={零、小、中、大} 各语言变量用相同的语言值来描述,简化了模糊控制规则的设计.在设计模糊控制规则 时, 采用不同的模糊推理, 语言变量的分档是有区别的. 本设计采用 CRI (Compositional Rule of Inference)推理法,为了在实时控制中避免进行关系矩阵的合成运算,先在脱机状态下把 所有可能的输入和输出情况计算出来,形成一张控制表去执行控制.控制表是以整数形式表 示的,为了能产生控制表,在CRI 推理法中把语言变量的论域转换成有限整数的论域,本质 上是把连续论域离散化后产生离散论域.采用式 4-9 把它离散化到整数论域 N. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 ? ? ? ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? + ? = L H H L 2 x x n q 2 x x a q b (4-9) 其中 a 为连续论域 ] , [ H L x x X = 中的某个数,b 是与 a 对应的整数论域 N 中的某个数,q 为模糊控制中对精确量进行模糊化时所用的量化因子. 本设计中, 各语言变量的档数均为 4 档(零、小、中、大) ,因此取整数论域 N 为{0,1,2,3,4,5,6}.此时,如图 4.9 和图4.10 所示,可以取语言变量值 4 档如下: 大(L)取在 5、6 附近; 中(M)取在 3、4 附近; 小(S)取在 1、2 附近; 零(Z)取在 0 附近. 图4.9 语言变量|E|和|E| 图4.10 语言变量 Kp、Ki 由模糊推理得到的控制表中的控制量也是一个模糊量,反模糊化是模糊化的逆向运算, 当整数论域为 ] , [ n n N + ? = ,连续论域 ] , [ H L x x X = ,可采用式 4-10 进行反模糊化处理. ? ? ? ? ? ? ? ? = ? + + = n x x k x x x x n b k a 2 ] ) ( [ L H L H H L (4-10) 其中 b 为整数论域为 ] , [ n n N + ? = 中的某个数,a 是与 b 对应的连续论域 ] , [ H L x x X = 中的 某个数,k 为模糊控制中对模糊量进行反模糊化时所用的比例因子. 当|e(k)|较大时,为了加快系统的响应速度,并为避免因开始时偏差的瞬间变大可能引起 微分过饱和而使控制作用超出许可范围,应取较大的 Kp,同时为了防止积分饱和,避免系统 响应出现较大的超调,此时应该去掉积分作用,取Ki =0. 当|e(k)|和|e(k)|为中等大小时,为使系统响应的超调减小又不影响系统的响应速度,Kp 和Ki 都不能取大,而应取较小的 Ki,Kp 的取值要大小适中. 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 当|e(k)|较小时,为使系统具有良好的稳态性能,应该增大 Kp 和Ki 的值,同时为了避免 系统在设定值附近出现振荡,并考虑到系统的抗干扰性能,应适当地选取 Kp. 根据以上这些原则,并参考工作中总结的实际经验,得到了如表 4.2 所示的模糊 PI 控制 器参数 Kp 和Ki 的调节规则,但是这些规则都是用模糊量来表示的. 表4.2 参数自整定模糊 PI 控制规则表 |E(k)| Kp,Ki Z S M L Z Z,L L,L L,L M,L S L,L L,L L,L M,M M M,Z M,Z M,S S,S |E(k)| L L,Z L,Z L,Z M,Z 在本设计中,利用 CRI 法推理时控制过程是用查控制表来产生控制量的.在控制表中,模 糊偏差量|E|、模糊偏差变化率|E|、Pi 控制器的模糊比例系数 Kp、模糊积分系数 Ki 都是用其对 应整数论域的元素来表示的.对于单个实时精确量,把它和量化因子相乘,得到的结果再四舍五 入,就求出了对应整数论域的相应元素,即可用于查询控制表,从而实现了输入量的模糊化.根 据以上分析,如图 4.11 所示是本案例设计的模糊 PI 控制器在 DSP 上实现的控制程序流程图. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 图4.11 基于 LF2407 的模糊 PI 控制器的程序流程图 4.4 主要程序代码说明 实用的 DSP 程序包括主程序和系统初始化程序以及存储器配置文件、中断向量表程序, 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 如果系统没有正确初始化或者存储器配置不正确,或者没有中断向量表,则系统将不能正确 运行,得到的结果和预想的将大相径庭.本节将先介绍 DSP 的系统初始化、存储器配置和中 断向量表,然后再介绍包含实际算法的 DSP 应用程序. 4.4.1 DSP 配置头文件 一般来说,不管是哪个公司生产的 DSP 芯片,它们都包括很多存储器映射的 CPU 寄存 器和外设电路寄存器,它们在 DSP 的数据存储空间中的固定位置,在编程中需要经常对它们 进行操作,因此需要编写一个头文件,预先把这些寄存器的名称和它们在数据存储空间的地 址一一对应起来.针对某款 DSP 芯片编写的头文件对所有的基于该款 DSP 的程序都是通用 的,本案例是基于 TI 公司的 C2000 DSP 系列的 LF2407 开发的,所以头文件 lf2407_regs.h 就是LF2407A 的所有寄存器的配置文件,具体程序如下所示,由于 DSP 片上外设丰富,涉及 到的寄存器也非常多,因此在头文件中对所有片上的寄存器都进行定义是非常必要的.本程 序对每个寄存器都做了详细介绍,在今后对 LF2407 进行开发时,只要把该文件用汇编伪指 令.include 包括到主程序中即可使用. ;; 文件名:lf2407_regs.h ;; 功能描述:lf240x/240xA 的CPU 和外设寄存器以及其他常用定义 ; 全局变量寄存器和 CPU 中断寄存器 IMR .set 0004h ; 中断屏蔽寄存器 GREG .set 0005h ; 全局变量寄存器 IFR .set 0006h ; 中断标志寄存器 ; 系统配置和控制寄存器 PIRQR0 .set 07010h ; 外设中断请求寄存器 0 PIRQR1 .set 07011h ; 外设中断请求寄存器 1 PIRQR2 .set 07012h ; 外设中断请求寄存器 2 PIACKR0 .set 07014h ; 外设中断应答寄存器 0 PIACKR1 .set 07015h ; 外设中断应答寄存器 1 PIACKR2 .set 07016h ; 外设中断应答寄存器 2 SCSR1 .set 07018h ; 系统控制和状态寄存器 1 SCSR2 .set 07019h ; 系统控制和状态寄存器 2 DINR .set 0701Ch ; 系统模块状态寄存器 PIVR .set 0701Eh ; 外设中断矢量寄存器 ; 程序监视控制寄存器(看门狗) 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 WDCNTR .set 07023h ; 看门狗计数器寄存器 WDKEY .set 07025h ; 看门狗复位密钥寄存器 WDCR .set 07029h ; 看门狗控制寄存器 ; 串行外设接口 (SPI) 寄存器 SPICCR .set 07040h ; SPI 配置和控制寄存器 SPICTL .set 07041h ; SPI 操作控制寄存器 SPISTS .set 07042h ; SPI 状态寄存器 SPIBRR .set 07044h ; SPI 波特率寄存器 SPIEMU .set 07046h ; SPI 仿真缓冲寄存器 SPIRXBUF .set 07047h ; SPI 串行接收缓冲寄存器 SPITXBUF .set 07048h ; SPI 串行发送缓冲寄存器 SPIDAT .set 07049h ; SPI 串行数据寄存器 SPIPRI .set 0704Fh ; SPI 中断优先级控制寄存器 ; 串行通信接口 (SCI) 寄存器 SCICCR .set 07050h ; SCI 通信控制寄存器 SCICTL1 .set 07051h ; SCI 控制寄存器 1 SCIHBAUD .set 07052h ; SCI 波特率寄存器高位 SCILBAUD .set 07053h ; SCI 波特率寄存器低位 SCICTL2 .set 07054h ; SCI 控制寄存器 2 SCIRXST .set 07055h ; SCI 接收状态寄存器 SCIRXEMU .set 07056h ; SCI 仿真数据缓冲寄存器 SCIRXBUF .set 07057h ; SCI 接收数据缓冲寄存器 SCITXBUF .set 07059h ; SCI 发送数据缓冲寄存器 SCIPRI .set 0705Fh ; SCI 中断优先级控制寄存器 ; 外部中断寄存器 XINT1CR .set 07070h ; 中断 1 控制寄存器 XINT2CR .set 07071h ; 中断 2 控制寄存器 ; 数据 I/O 控制寄存器 MCRA .set 07090h ; I/O 口复用控制寄存器 A MCRB .set 07092h ; I/O 口复用控制寄存器 B 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 MCRC .set 07094h ; I/O 口复用控制寄存器 C PEDATDIR .set 07095h ; 端口 E 的数据和方向控制寄存器 PFDATDIR .set 07096h ; 端口 F 的数据和方向控制寄存器 PADATDIR .set 07098h ; 端口 A 的数据和方向控制寄存器 PBDATDIR .set 0709Ah ; 端口 B 的数据和方向控制寄存器 PCDATDIR .set 0709Ch ; 端口 C 的数据和方向控制寄存器 PDDATDIR .set 0709Eh ; 端口 D 的数据和方向控制寄存器 ; 模数转换(ADC)寄存器 ADCCTRL1 .set 070A0h ; ADC 控制寄存器 1 ADCCTRL2 .set 070A1h ; ADC 控制寄存器 2 MAXCONV .set 070A2h ; 最大转换通道数寄存器 CHSELSEQ1 .set 070A3h ; 通道选择排序控制寄存器 1 CHSELSEQ2 .set 070A4h ; 通道选择排序控制寄存器 2 CHSELSEQ3 .set 070A5h ; 通道选择排序控制寄存器 3 CHSELSEQ4 .set 070A6h ; 通道选择排序控制寄存器 4 AUTO_SEQ_SR .set 070A7h ; 自动排序状态寄存器 RESULT0 .set 070A8h ; AD 转换结果寄存器 0 RESULT1 .set 070A9h ; AD 转换结果寄存器 1 RESULT2 .set 070AAh ; AD 转换结果寄存器 2 RESULT3 .set 070ABh ; AD 转换结果寄存器 3 RESULT4 .set 070ACh ; AD 转换结果寄存器 4 RESULT5 .set 070ADh ; AD 转换结果寄存器 5 RESULT6 .set 070AEh ; AD 转换结果寄存器 6 RESULT7 .set 070AFh ; AD 转换结果寄存器 7 RESULT8 .set 070B0h ; AD 转换结果寄存器 8 RESULT9 .set 070B1h ; AD 转换结果寄存器 9 RESULT10 .set 070B2h ; AD 转换结果寄存器 10 RESULT11.set 070B3h ; AD 转换结果寄存器 11 RESULT12 .set 070B4h ; AD 转换结果寄存器 12 RESULT13 .set 070B5h ; AD 转换结果寄存器 13 RESULT14 .set 070B6h ; AD 转换结果寄存器 14 RESULT15 .set 070B7h ; AD 转换结果寄存器 15 CALIBRATION .set 070B8h ; 校准结果寄存器 ; CAN 配置控制寄存器 MDER .set 07100h ; 邮箱方向/使能控制寄存器 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 TCR .set 07101h ; 发送控制寄存器 RCR .set 07102h ; 接收控制寄存器 MCR .set 07103h ; 主控制寄存器 BCR2 .set 07104h ; 位定时器配置寄存器 2 BCR1 .set 07105h ; 位定时器配置寄存器 1 ESR .set 07106h ; 错误状态寄存器 GSR .set 07107h ; 全局状态寄存器 CEC .set 07108h ; CAN 错误计数寄存器 CAN_IFR .set 07109h ; CAN 中断标志寄存器 CAN_IMR .set 0710Ah ; CAN 中断屏蔽寄存器 LAM0_H .set 0701Bh ; 对于 MBOX0 和1的局部接收屏蔽高位寄存器 LAM0_L .set 0701Ch ; 对于 MBOX0 和1的局部接收屏蔽低位寄存器 LAM1_H .set 0701Dh ; 对于 MBOX2 和3的局部接收屏蔽高位寄存器 LAM1_L .set 0701Eh ; 对于 MBOX2 和3的局部接收屏蔽低位寄存器 ;;;; 邮包#0 MSGID0L .set 07200h ; 邮箱标识符低位寄存器 0 MSGID0H .set 07201h ; 邮箱标识符高位寄存器 0 MSGCTRL0 .set 07202h ; 邮箱控制寄存器 0 MBX0A .set 07204h ; 邮箱 0 寄存器 A MBX0B .set 07205h ; 邮箱 0 寄存器 B MBX0C .set 07206h ; 邮箱 0 寄存器 C MBX0D .set 07207h ; 邮箱 0 寄存器 D ;;;;邮包#1 MSGID1L .set 07208h ; 邮箱标识符低位寄存器 1 MSGID1H .set 07209h ; 邮箱标识符高位寄存器 1 MSGCTRL1 .set 0720Ah ; 邮箱控制寄存器 1 MBX1A .set 0720Ch ; 邮箱 1 寄存器 A MBX1B .set 0720Dh ; 邮箱 1 寄存器 B MBX1C .set 0720Eh ; 邮箱 1 寄存器 C MBX1D .set 0720Fh ; 邮箱 1 寄存器 D ;;;; 邮包#2 MSGID2L .set 07210h ; 邮箱标识符低位寄存器 2 MSGID2H .set 07211h ; 邮箱标识符高位寄存器 2 MSGCTRL2 .set 07212h ; 邮箱控制寄存器 2 MBX2A .set 07214h ; 邮箱 2 寄存器 A MBX2B .set 07215h ; 邮箱 2 寄存器 B MBX2C .set 07216h ; 邮箱 2 寄存器 C MBX2D .set 07217h ; 邮箱 2 寄存器 D ;;;; 邮包#3 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 MSGID3L .set 07218h ; 邮箱标识符低位寄存器 3 MSGID3H .set 07219h ; 邮箱标识符高位寄存器 3 MSGCTRL3 .set 0721Ah ; 邮箱控制寄存器 3 MBX3A .set 0721Ch ; 邮箱 3 寄存器 A MBX3B .set 0721Dh ; 邮箱 3 寄存器 B MBX3C .set 0721Eh ; 邮箱 3 寄存器 C MBX3D .set 0721Fh ; 邮箱 3 寄存器 D ;;;; 邮包#4 MSGID4L .set 07220h ; 邮箱标识符低位寄存器 4 MSGID4H .set 07221h ; 邮箱标识符高位寄存器 4 MSGCTRL4 .set 07222h ; 邮箱控制寄存器 4 MBX4A .set 07224h ; 邮箱 4 寄存器 A MBX4B .set 07225h ; 邮箱 4 寄存器 B MBX4C .set 07226h ; 邮箱 4 寄存器 C MBX4D .set 07227h ; 邮箱 4 寄存器 D ;;;; 邮包#5 MSGID5L .set 07228h ; 邮箱标识符低位寄存器 5 MSGID5H .set 07229h ; 邮箱标识符高位寄存器 5 MSGCTRL5 .set 0722Ah ; 邮箱控制寄存器 5 MBX5A .set 0722Ch ; 邮箱 5 寄存器 A MBX5B .set 0722Dh ; 邮箱 5 寄存器 B MBX5C .set 0722Eh ; 邮箱 5 寄存器 C MBX5D .set 0722Fh ; 邮箱 5 寄存器 D ; 通用定时器 ――> 事件管理器 A (EVA) GPTCONA .set 7400h ; 通用定时控制寄存器 T1CNT .set 7401h ; 通用定时器 1 计数寄存器 T1CMPR .set 7402h ; 通用定时器 1 比较寄存器 T1PR .set 7403h ; 通用定时器 1 周期寄存器 T1CON .set 7404h ; 通用定时器 1 控制寄存器 T2CNT .set 7405h ; 通用定时器 2 计数寄存器 T2CMPR .set 7406h ; 通用定时器 2 比较寄存器 T2PR .set 7407h ; 通用定时器 2 周期寄存器 T2CON .set 7408h ; 通用定时器 2 控制寄存器 ; 比较单元的寄存器 ――> 事件管理器 A (EVA) COMCONA .set 7411h ; 比较控制寄存器 A 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 ACTRA .set 7413h ; 比较方式控制寄存器 A DBTCONA .set 7415h ; 死区控制寄存器 A CMPR1 .set 7417h ; 全比较单元 1 比较寄存器 CMPR2 .set 7418h ; 全比较单元 2 比较寄存器 CMPR3 .set 7419h ; 全比较单元 3 比较寄存器 ; 捕捉和正交编码电路的寄存器 ――> 事件管理器(EVA) CAPCONA .set 7420h ; 捕捉控制寄存器 A CAPFIFOA .set 7422h ; 捕捉 FIFO 状态寄存器 A CAP1FIFO .set 7423h ; 捕捉 1 二级 FIFO 寄存器 CAP2FIFO .set 7424h ; 捕捉 2 二级 FIFO 寄存器 CAP3FIFO .set 7425h ; 捕捉 3 二级 FIFO 寄存器 CAP1FBOT .set 7427h ; 捕捉 1 的FIFO 栈的栈底寄存器 CAP2FBOT .set 7428h ; 捕捉 2 的FIFO 栈的栈底寄存器 CAP3FBOT .set 7429h ; 捕捉 3 的FIFO 栈的栈底寄存器 ; 事件管理器 (EVA) 中断控制寄存器 EVAIMRA .set 742Ch ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 A EVAIMRB .set 742Dh ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 B EVAIMRC .set 742Eh ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 C EVAIFRA .set 742Fh ; 事件管理器中断标志寄存器 A EVAIFRB .set 7430h ; 事件管理器中断标志寄存器 B EVAIFRC .set 7431h ; 事件管理器中断标志寄存器 C ; 通用定时器 ――> 事件管理器 B (EVB) GPTCONB .set 7500h ; 通用定时控制寄存器 T3CNT .set 7501h ; 通用定时器 3 计数寄存器 T3CMPR .set 7502h ; 通用定时器 3 比较寄存器 T3PR .set 7503H ; 通用定时器 3 周期寄存器 T3CON .set 7504h ; 通用定时器 3 控制寄存器 T4CNT .set 7505h ; 通用定时器 4 计数寄存器 T4CMPR .set 7506h ; 通用定时器 4 比较寄存器 T4PR .set 7507H ; 通用定时器 4 周期寄存器 T4CON .set 7508h ; 通用定时器 4 控制寄存器 ; 比较单元寄存器 ――> 事件管理器 B (EVB) 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 COMCONB .set 07511h ; 比较控制寄存器 B ACTRB .set 07513h ; 比较方式控制寄存器 B DBTCONB .set 07515h ; 死区控制寄存器 B CMPR4 .set 07517h ; 全比较单元 4 比较寄存器 CMPR5 .set 07518h ; 全比较单元 5 比较寄存器 CMPR6 .set 07519h ; 全比较单元 6 比较寄存器 ; 捕捉单元寄存器 ――> 事件管理器 B (EVB) CAPCONB .set 7520h ; 捕捉控制寄存器 B CAPFIFOB .set 7522h ; 捕捉 FIFO 状态寄存器 B CAP4FIFO .set 7523h ; 捕捉 4 二级 FIFO 寄存器 CAP5FIFO .set 7524h ; 捕捉 5 二级 FIFO 寄存器 CAP6FIFO .set 7525h ; 捕捉 6 二级 FIFO 寄存器 CAP4FBOT .set 7527h ; 捕捉 4 的FIFO 栈的栈底寄存器 CAP5FBOT .set 7528h ; 捕捉 5 的FIFO 栈的栈底寄存器 CAP6FBOT .set 7529h ; 捕捉 6 的FIFO 栈的栈底寄存器 ; 事件管理器 (EVB) 中断控制寄存器 EVBIMRA .set 742Ch ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 A EVBIMRB .set 742Dh ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 B EVBIMRC .set 742Eh ; 事件管理器中断屏蔽寄存器 C EVBIFRA .set 742Fh ; 事件管理器中断标志寄存器 A EVBIFRB .set 7430h ; 事件管理器中断标志寄存器 B EVBIFRC .set 7431h ; 事件管理器中断标志寄存器 C ; 程序存储器空间——FLASH 寄存器 PMPC .set 0h ; FLASH 段控制寄存器 CTRL .set 1h WADDR .set 2h ; FLASH 写地址寄存器 WDATA .set 3h ; FLASH 写数据寄存器 TCRB .set 4h ENAB .set 5h SETC .set 6h ; I/O 存储空间 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 FCMR .set 0FF0Fh ; FLASH 控制模式寄存器 WSGR .set 0FFFFh ; 等待状态产生器控制寄存器 ; 数据存储器块地址映射 B0_SADDR .set 00200h ; 块B0 开始地址 B0_EADDR .set 002FFh ; 块B0 结束地址 B1_SADDR .set 00300h ; 块B1 开始地址 B1_EADDR .set 003FFh ; 块B1 结束地址 B2_SADDR .set 00060h ; 块B2 开始地址 B2_EADDR .set 0007Fh ; 块B2 结束地址 XDATA_SADDR .set 08000h ; 外部数据空间开始地址 XDATA_EADDR .set 0FFFFh ; 外部数据空间结束地址 ; 经常使用的数据页 DP_B2 .set 0 ; 页0数据空间 DP_B01 .set 4 ; 页4B0(200H/80H) DP_B02 .set 5 ; 页5B0(280H/80H) DP_B11 .set 6 ; 页6B1(300H/80H) DP_B12 .set 7 ; 页7B1(380H/80H) DP_PF1 .set 224 ; 页1外设帧文件 (7000h/80h)(0XE0) DP_PF2 .set 225 ; 页2外设帧文件 (7080h/80h)(0XE1) DP_PF3 .set 226 ; 页3外设帧文件 (7100h/80h)(0XE2) DP_PF4 .set 227 ; 页4外设帧文件 (7180h/80h)(0XE3) DP_PF5 .set 228 ; 页5外设帧文件 (7200h/80h)(0XE4) DP_EVA .set 232 ; 页0事件管理器-EVA 文件 (7400h/80h)(0xE8) DP_EVB .set 234 ; 页0事件管理器-EVB 文件 (7500h/80h)(0xEA) ; 位测试指令的位代码 (BIT) BIT15 .set 0000h ; 位代码 15 BIT14 .set 0001h ; 位代码 14 BIT13 .set 0002h ; 位代码 13 BIT12 .set 0003h ; 位代码 12 BIT11 .set 0004h ; 位代码 11 BIT10 .set 0005h ; 位代码 10 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 BIT9 .set 0006h ; 位代码 9 BIT8 .set 0007h ; 位代码 8 BIT7 .set 0008h ; 位代码 7 BIT6 .set 0009h ; 位代码 6 BIT5 .set 000Ah ; 位代码 5 BIT4 .set 000Bh ; 位代码 4 BIT3 .set 000Ch ; 位代码 3 BIT2 .set 000Dh ; 位代码 2 BIT1 .set 000Eh ; 位代码 1 BIT0 .set 000Fh ; 位代码 0 ; 常用屏蔽位 B15_MSK .set 8000h ; 位屏蔽 15 B14_MSK .set 4000h ; 位屏蔽 14 B13_MSK .set 2000h ; 位屏蔽 13 B12_MSK .set 1000h ; 位屏蔽 12 B11_MSK .set 0800h ; 位屏蔽 11 B10_MSK .set 0400h ; 位屏蔽 10 B9_MSK .set 0200h ; 位屏蔽 9 B8_MSK .set 0100h ; 位屏蔽 8 B7_MSK .set 0080h ; 位屏蔽 7 B6_MSK .set 0040h ; 位屏蔽 6 B5_MSK .set 0020h ; 位屏蔽 5 B4_MSK .set 0010h ; 位屏蔽 4 B3_MSK .set 0008h ; 位屏蔽 3 B2_MSK .set 0004h ; 位屏蔽 2 B1_MSK .set 0002h ; 位屏蔽 1 B0_MSK .set 0001h ; 位屏蔽 0 4.4.2 DSP 的系统配置命令文件 TI 公司开发的 DSP 汇编器和链接器所创建的目标文件采用公共目标文件格式 (Common Object File Format,简称 COFF 文件) ,采用这种目标文件格式更利于模块化编程,并且为管 理代码段和目标系统的存储器提供了更强有力和更加灵活的方法.基于 COFF 文件格式编写 汇编程序或高级语言程序时,不必为程序代码或变量指定目标地址,这为程序编写和移植提 供了极大的方便.COFF 文件格式鼓励程序员在用汇编语言或高级语言编程时基于代码块和 数据块的概念, 而不是一条条命令和一个个数据, 这使得程序的可读性和可移植性大大增强. 在COFF 文件格式中,汇编器和链接器都提供了有关命令来创建块和对块进行处理. 链接器对块进行处理具有两个功能,首先它把 COFF 目标文件中的块用来建立程序块或 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 数据块,它把输入块组合起来,以建立可执行的 COFF 输出模块.其次,链接器为输出块选 择存储器地址, 链接器提供了两个命令来完成上述功能: MEMORY 命令和 SECTIONS 命令. MEMORY 命令定义目标系统的存储器,程序员可以定义每一块存储器的起始地址和长度. SECTIONS 命令告诉链接器如何组合输入块以及在存储器的何处存放该输出块.因此,一个 DSP 程序正确运行离不开系统配置命令文件(*.cmd) ,该文件实现对程序存储空间和数据存 储空间的分配.由于 DSP 的程序空间和数据空间是分开的,因此在 PAGE 0(程序空间)和PAGE 1(数据空间)中的地址是可以重叠的,但必须保证在物理存储器上,它们是分离的. 而在同一页存储空间上地址是不能重叠的.PAGE 2 表示系统的 I/O 存储空间,一般不使用, 可以不在命令文件中列出. 下面的程序代码是本案例程序的系统配置命令文件,该文件实现对程序存储空间和数据 存储空间的分配,从该配置文件中可以看出本案例的存储器资源和配置方法.另外需要注意 的是, 其他 C2000 的DSP 的系统配置命令文件都可以参考本程序, 不同的是程序空间和数据 空间的分块和容量大小得根据具体的应用系统的要求来划分. -stack 40 /* 设置堆栈长度 */ MEMORY /* 声明在目标系统中实际存在的且可以被使用的存储器范围 */ { PAGE 0: /* 程序空间 */ VECS: origin=0000h,length=0040h /* 中断向量存储空间 */ PVECS: origin=0044h,length=0100h /* 外围中断向量 */ PM: origin=0150h,length=7EB0h /* 片内 Flash 存储空间 */ PAGE 1: /* 数据空间 */ BLOCK_B2: origin=0060h,length=0020h /* 块B2 */ BLOCK_B0: origin=0200h,length=0100h /* 块B0,如果 CNF=0,则分配为片内 DARAM */ BLOCK_B1: origin=0300h,length=0100h /* 块B1 */ /* 如果正确配置 SCSR2 寄存器,则此为数据空间中 2K 的SARAM */ SARAM: origin=0800h, length=0800h EX_DM: origin=8000h, length=8000h /* 片外数据 RAM */ } SECTIONS /* 描述输入段如何被组合到输出段中,在存储器上如何放置输出段 */ { .vectors: {} > VECS PAGE 0 /* 中断向量表 */ .pvecs: {} > PVECS PAGE 0 /* 中断子向量表 */ .text: {} > PM PAGE 0 /* 程序段 */ .data: {} > BLOCK_B0 PAGE 1 /* 数据段 */ } 4.4.3 DSP 的中断向量表和中断子向量表 本案例在介绍数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的 DSP 应用程序设计的同时,还介绍 TI 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 公司 C2000 系列 DSP 芯片开发时,中断向量表和中断子向量表的编写和配置方法. 一个实用 DSP 程序除包括主程序和系统初始化程序以及存储器配置文件之外, 还需要有 中断向量表和中断子向量表程序,对于一个 DSP 控制器来说,中断的使用和管理是不可缺少 的.在系统中,控制器的作用就是控制整个系统实时、有序地按照程序的要求运行,而DSP 只有一个 CPU,所以只有一个进程,当外部设备要求 DSP 控制时,就采用中断的方式,DSP 根据中断的优先级,通过响应中断并执行中断服务子程序(ISR)来对外部设备进行控制. 一个正确的中断向量表和中断子向量表程序能够使系统正常运行,并能保证在系统不正常时 自动恢复到程序初始化的状态,防止系统崩溃,提高工业控制的鲁棒性. DSP LF2407 有两级中断,第一级中断是 CPU 中断,共6个;第二级中断是外围设备中 断,共46 个.由外设中断扩展控制器(PIE)和中断子向量表把外围设备中断映射到 CPU 中断, 然后等待 CPU 的响应. 此外 CPU 中断向量表还包括 19 个软件中断和硬件复位中断 (Reset) 以及一个不可屏蔽中断(NMI) .这种两级中断是采用集中化的中断扩展设计方法,特别适合 有大量外设中断的工业控制系统. 以下就是采用通用定时器 GPT1 的比较操作来产生中断时, LF2407 的中断向量表和中断 子向量表程序. 当需要采用其他中断时, 可以直接在此程序中根据需要修改. 该程序对 LF2407 来说是通用的,只是发生中断时,CPU 要跳转的地址不一样而已. 本程序的文件名:PID_generate_vec.asm .include "lf2407_regs.h" ; 引用头部文件 ; 建立中断向量表 .sect ".vectors" ; 定义主向量段,名称可以随意使用,一般采用.vectors Reset_VEC B _cy_begin ; 系统的复位中断向量,具有最高的优先级,程序地址是 0000h INT1 B PHANTOM ; CPU 的第一级中断向量,程序地址是 0002h INT2 B GISR2 ; CPU 的第二级中断向量,程序地址是 0004h INT3 B PHANTOM ; CPU 的第三级中断向量,程序地址是 0006h INT4 B PHANTOM ; CPU 的第四级中断向量,程序地址是 0008h INT5 B PHANTOM ; CPU 的第五级中断向量,程序地址是 000Ah INT6 B PHANTOM ; CPU 的第六级中断向量,程序地址是 000Ch RESERVED B PHANTOM ; 程序空间保留,地址是 000Eh,但是为了保证中断向量表的 ; 完整性,一定要在此处加入假中断向量 PHANTOM ; 以保证系统按照可控的方式运行 SW_INT8 B PHANTOM ; 软件中断向量 8,程序地址是 0010h SW_INT9 B PHANTOM ; 软件中断向量 9,程序地址是 0012h SW_INT10 B PHANTOM ; 软件中断向量 10,程序地址是 0014h SW_INT11 B PHANTOM ; 软件中断向量 11,程序地址是 0016h SW_INT12 B PHANTOM ; 软件中断向量 12,程序地址是 0018h SW_INT13 B PHANTOM ; 软件中断向量 13,程序地址是 001Ah SW_INT14 B PHANTOM ; 软件中断向量 14,程序地址是 001Ch SW_INT15 B PHANTOM ; 软件中断向量 15,程序地址是 001Eh SW_INT16 B PHANTOM ; 软件中断向量 16,程序地址是 0020h 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 TRAP B PHANTOM ; TRAP 指令中断,程序地址是 0022h NMI B PHANTOM ; 不可屏蔽中断,程序地址是 0024h EMU_TRAP B PHANTOM ; 程序空间保留,地址是 0026h SW_INT20 B PHANTOM ; 软件中断向量 20,程序地址是 0028h SW_INT21 B PHANTOM ; 软件中断向量 21,程序地址是 002Ah SW_INT22 B PHANTOM ; 软件中断向量 22,程序地址是 002Ch SW_INT23 B PHANTOM ; 软件中断向量 23,程序地址是 002Eh SW_INT24 B PHANTOM ; 软件中断向量 24,程序地址是 0030h SW_INT25 B PHANTOM ; 软件中断向量 25,程序地址是 0032h SW_INT26 B PHANTOM ; 软件中断向量 26,程序地址是 0034h SW_INT27 B PHANTOM ; 软件中断向量 27,程序地址是 0036h SW_INT28 B PHANTOM ; 软件中断向量 28,程序地址是 0038h SW_INT29 B PHANTOM ; 软件中断向量 29,程序地址是 003Ah SW_INT30 B PHANTOM ; 软件中断向量 30,程序地址是 003Ch SW_INT31 B PHANTOM ; 软件中断向量 31,程序地址是 003Eh ; 建立中断子向量表 .sect ".pvecs" ; 定义中断子向量段 PVECTORS: B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0000h B PHANTOM ; 高优先级模式的外部引脚中断 1,中断子向量的偏移量 0001h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0002h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0003h B PHANTOM ; 高优先级模式的 ADC 中断,中断子向量地址偏移量 0004h B PHANTOM ; 高优先级模式的 SPI 中断,中断子向量地址偏移量 0005h B PHANTOM ; 高优先级模式的 SCI 接收中断,中断子向量地址偏移量 0006h B PHANTOM ; 高优先级模式的 SCI 发送中断,中断子向量地址偏移量 0007h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0008h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0009h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Ah B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Bh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Ch B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Dh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Eh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 000Fh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0010h B PHANTOM ; 高优先级模式的外部引脚中断 2,中断子向量的偏移量 0011h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0012h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0013h 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0014h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0015h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0016h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0017h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 0018h B PHANTOM ; 功率驱动保护中断 B,中断子向量地址偏移量 0019h B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Ah B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Bh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Ch B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Dh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Eh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 001Fh B PHANTOM ; 功率驱动保护中断 A,中断子向量地址偏移量 0020h B PHANTOM ; 比较器 1 中断,中断子向量地址偏移量 0021h B PHANTOM ; 比较器 2 中断,中断子向量地址偏移量 0022h B PHANTOM ; 比较器 3 中断,中断子向量地址偏移量 0023h B PHANTOM ; 比较器 4 中断,中断子向量地址偏移量 0024h B PHANTOM ; 比较器 5 中断,中断子向量地址偏移量 0025h B PHANTOM ; 比较器 6 中断,中断子向量地址偏移量 0026h B PHANTOM ; 定时器 1 周期中断,中断子向量地址偏移量 0027h B T1CINT_ISR ; 定时器 1 比较中断,中断子向量地址偏移量 0028h B PHANTOM ; 定时器 1 下溢中断,中断子向量地址偏移量 0029h B PHANTOM ; 定时器 1 上溢中断,中断子向量地址偏移量 002Ah B PHANTOM ; 定时器 2 周期中断,中断子向量地址偏移量 002Bh B PHANTOM ; 定时器 2 比较中断,中断子向量地址偏移量 002Ch B PHANTOM ; 定时器 2 下溢中断,中断子向量地址偏移量 002Dh B PHANTOM ; 定时器 2 上溢中断,中断子向量地址偏移量 002Eh B T3GP_ISR ; 定时器 3 周期中断,中断子向量地址偏移量 002Fh B PHANTOM ; 定时器 3 比较中断,中断子向量地址偏移量 0030h B PHANTOM ; 定时器 3 下溢中断,中断子向量地址偏移量 0031h B PHANTOM ; 定时器 3 上溢中断,中断子向量地址偏移量 0032h B PHANTOM ; 捕获器 1 中断,中断子向量地址偏移量 0033h B PHANTOM ; 捕获器 2 中断,中断子向量地址偏移量 0034h B PHANTOM ; 捕获器 3 中断,中断子向量地址偏移量 0035h B PHANTOM ; 捕获器 4 中断,中断子向量地址偏移量 0036h B PHANTOM ; 捕获器 5 中断,中断子向量地址偏移量 0037h B PHANTOM ; 捕获器 6 中断,中断子向量地址偏移量 0038h B PHANTOM ; 定时器 4 周期中断,中断子向量地址偏移量 0039h B PHANTOM ; 定时器 4 比较中断,中断子向量地址偏移量 003Ah 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 B PHANTOM ; 定时器 4 下溢中断,中断子向量地址偏移量 003Bh B PHANTOM ; 定时器 4 上溢中断,中断子向量地址偏移量 003Ch B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 003Dh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 003Eh B PHANTOM ; 假中断向量,中断子向量地址偏移量 003Fh B PHANTOM ; 高优先级模式的 CAN 邮箱中断,中断子向量地址偏移量 0040h B PHANTOM ; 高优先级模式的 CAN 错误中断,中断子向量地址偏移量 0041h 对于一个实际的 DSP 系统来说, 系统的中断管理是不可缺少的, 因为目前任何 DSP 实时系统都具有中断,中断是 DSP 系统和外部世界发生实时联系的一个重要手段.作为 TI 公司的 C2000 系列 DSP,它是偏向于控制的 DSP 芯片,因此它的中断管理更丰富和 先进,读者理解起来也较困难.LF2407 支持 6 个一级可屏蔽中断,采用集中化的中断 扩展设计来满足大量的外设中断请求,所以每一级中断又有多个中断源,例如一级中断 INT2 包含的中断源有比较器 1、2、3、4、5、6 中断,定时器 1、3 的周期、比较、下溢、上溢中断等.为了正确地响应外设中断,应该分两步来完成中断服务子程序.在本 案例的程序中,采用通用定时器 1 的比较匹配中断,当CPU 响应该中断时,首先转移 到一级中断 INT2 中,也即 GISR2 处执行,在一级中断 INT2 中读取外设中断向量寄存 器(PIVR)的值,它是个偏移量,再加上中断子向量的首地址,程序就可以转移到二级 中断子向量 T1CINT_ISR(定时器 1 比较中断)子程序中,执行相应的操作后即完成了 一次中断调用. LF2407 通过外设中断扩展控制器(PIE)来实现集中化的中断扩展管理,这可以实现在 占用极少资源的情况下,大大扩展可用的中断源.因此在实际的 DSP 程序中,中断向量表和 中断子向量表程序是不可缺少的, 读者在自行编写程序时一定要在主程序中用.include 汇编伪 指令把本实例介绍的向量表文件 PID_generate_vec.asm 包括进来. .include "pwm_generate_vec.asm" ; 引用中断向量表和中断子向量表程序 另外,假中断向量是 LF2407 的一个特有的概念,它是保持中断系统完整性的一个特性. 在向量表文件 PID_generate_vec.asm 中可以发现, 中断子向量表的地址是从 00h 到42h, 而中 断源却没有那么多,并且其入口地址又是固定的,所以在中断子向量表的没有中断源的地方 就要插入假中断向量以保证中断系统的完整性.当一个中断已经被响应,但却没有外设将中 断向量的地址偏移量装入中断向量寄存器(PIVR)中时,假中断向量的地址就被装入 PIVR 中,这种缺省保证了系统按照可以控制的方式进行处理.假中断向量的子程序如下所示,一 般都是复位看门狗电路. B PHANTOM ; 跳转到假中断向量子程序中 PHANTOM : ; 假中断向量子程序 LDP #DP_PF1 SPLK #05555h, WDKEY ; 复位看门狗 SPLK #0AAAAh, WDKEY RET 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 4.4.4 数字 PID 控制器的 DSP 应用程序 下面介绍包含数字 PID 控制器算法的 DSP 应用程序,该程序是基于图 4.2 的硬件平台和 图4.6 的原理框图实现数字 PID 控制器的,程序的文件名是"Digital_PID.asm" ,程序中具体 的变量定义如表 4.1 所示.在下面的程序代码中都添加了详细的解释说明. ; 实用数字 PID 控制程序 .title "Digital_PID.asm" ; 汇编伪指令,定义程序的文件名 .include "lf2407_regs.h" ; 引用头部文件 .include "Digital_PID_vec.asm" ; 引用中断向量表和中断子向量表 .def _cy_begin ; 定义程序的入口地址 Kp_init .set 100h ; 比例增益系数 Kp 的初始值 Ki_high_init .set 00h ; 积分增益系数 Ki 的高位初始值 Ki_low_init .set 1000h ; 积分增益系数 Ki 的低位初始值 Kd_init .set 05h ; 微分增益系数 Kd 的初始值 PID_ref_init .set 500 ; 数字 PID 控制器的参考输入初始值 ; 本程序实现电机速度 PID 控制,设置参考输入是 500 转/分钟 PID_output_MAX .set 07FFFh ; 数字 PID 控制器输出控制量最大值限幅 PID_output_MIN .set 0h ; 数字 PID 控制器输出控制量最小值限幅 .data ; 定义数据区中的变量 ADRESULT .word 00h ; 存储当前 AD 转换的结果 PID_input .word 00h ; 存储变量 ADRESULT,也即当前实际输入量 c(k) PID_output .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的当前控制量 u(k) PID_output1 .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的上次控制量 u(k-1) PID_reference .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的当前参考输入量 r(k) PID_e0 .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的当前偏差量 e(k)=r(k)-c(k) PID_e1 .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的上次偏差量 e(k-1) PID_e2 .word 00h ; 存储数字 PID 控制器的上上次偏差量 e(k-2) Kp .word 00h ; 存储比例增益系数 Kp Ki_high .word 00h ; 存储积分增益系数 Ki 的高位字 Ki_low .word 00h ; 存储积分增益系数 Ki 的低位字 Kd .word 00h ; 存储微分增益系数 Kd A_coeff_high .word 00h ; 存储 A 系数高位 A_coeff_low .word 00h ; 存储 A 系数低位 B_coeff .word 00h ; 存储 B 系数 tmp1_high .word 00h ; 暂存单元 1 的高位字 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 tmp1_low .word 00h ; 暂存单元 1 的低位字 tmp2_high .word 00h ; 暂存单元 2 的高位字 tmp2_low .word 00h ; 暂存单元 2 的低位字 tmp3 .word 00h ; 暂存单元 3 e0_sign .word 00h ; 用来存储当前偏差量 e(k)的符号 abs_e0 .word 00h ; 用来存储当前偏差量 e(k)的绝对值 .text ; 以下是程序段 _cy_begin : ; 程序的入口地址 NOP CALL system_init ; 调用系统初始化子程序 CALL PID_init ; 调用数字 PID 控制的初始化子程序 CALL cy_AD_init ; 调用 DSP 片上 AD 转换器的初始化子程序 cy_LOOP : ; 主程序进入循环等待,程序在高优先级模式的 ADC 中断控制下运行 NOP ; ADC 中断一次,采样一个实际输出值,并进行一次 PID 控制 NOP B cy_LOOP system_init : ; 系统初始化子程序 SETC INTM ; 关闭系统的全局中断 CLRC OVM ; 置系统溢出模式为 0,表示累加器中的结果正常溢出 CLRC SXM ; 置符号扩展方式为 0,表示系统将抑制符号扩展 CLRC CNF ; 使CNF=0,DARAM 被映射到数据存储空间 B0 区LDP #DP_PF1 ; 指向 7000h~707Fh 外设寄存器区 SPLK #081FEh, SCSR1 ; CLKOUT 引脚输出 CPU 时钟, PLL 的倍频系数是 4 ; 也即 CLKIN=6 MHz,而CLKOUT=24 MHz SPLK #0E8h, WDCR ; 禁止 WDT LDP #0 ; 指向数据页的第 0 区SPLK #0001h, IMR ; 使能中断第 1 级INT1 SPLK #0FFFFh, IFR ; 清全部一级中断标志 RET cy_AD_init : ; AD 转换模块初始化子程序 LDP #DP_EVB ; 指向 7500h~757Fh 外设 EVB 寄存器区 SPLK #0000h, T4CNT ; 定时器 4 的计数寄存器清 0 SPLK #0176h, T4PR ; 定时器 4 的周期寄存器设置为 374,表示周期计数是 1ms SPLK #0400h, GPTCONB ; 位[10-9](T4TOADC)=10,表示由通用定时器的 ; 周期中断标志来启动模数转换 ; 位6(TCOMPOE)=0,禁止所有定时器的比较输出 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 SPLK #0160Ch, T4CON ; 配置定时器 4 的控制寄存器 ; 位[12-11],TMODE[1-0]=10,选择连续增计数模式 ; 位[10-8],TPS[2-0]=110,选择输入时钟预定标系数=64 ; 位7,T4SWT3=0,表示定时器 4 使用自身的周期寄存器 T4PR ; 位6,TENABLE=0,先禁止定时器的操作,等配置完后再打开 ; 位[5-4],TCLKS[1-0]=00,选择内部 CPU 时钟 ; 位[3-2],TCLD[1-0]=11,定时器比较器的重装载条件,现在保留 ; 位1,TECMPR =0,禁止定时器的比较操作 ; 位0,SELT3PR=0,周期寄存器选择位 SPLK #0FFFFh, EVBIFRA ; 清EVB 模块的全部中断标志寄存器 SPLK #0FFFFh, EVBIFRB SPLK #0FFFFh, EVBIFRC SPLK #00000h, EVBIMRA SPLK #00001h, EVBIMRB ; 仅仅使能 EVB 模块的定时器 4 的周期中断 T4PINT SPLK #00000h, EVBIMRC LDP #DP_PF2 ; 指向 7080h~70FFh 外设寄存器区 SPLK #0000h, ADCCTRL1 ; 配置 ADC 控制寄存器 1 ; 位[11-8]=0000,表示 ADC 的采样时间是 2*CPU 时钟周期 ; 位7=0,是CPS 位,表示 ADC 的转换时钟预定标就是 CPU 时钟频率 ; 位6=0,是连续转换位,现在采用启动/停止模式 ; 位5=0,表示 ADC 转换的中断请求是高优先级的 ; 位4=0,表示 ADC 转换器采用双排序器工作模式 ; 位0=0,禁止自测试使能模式 SPLK #8404h, ADCCTRL2 ; 配置 ADC 控制寄存器 2 ; 位15=1,表示不使能 ADC 的级连排序器 ; 位[11-10]=01,表示 ADC 的排序器 1 在中断标志位 1 置1时立即申请中断 ; 位9=0,表示目前 ADC 的排序器 1 无中断事件发生 ; 位[3-2]=01,表示 ADC 的排序器 2 在中断标志位 2 置1时立即申请中断 ; 位0=0,ADC 的排序器 2 不能被 EVB 触发源启动 SPLK #0001h, MAXCONV ; 程序中只有一路 AD 采样,所以最大转换通道为 1 SPLK #0000h, CHSELSEQ1 ; 配置输入通道选择排序控制寄存器 SPLK #0000h, CHSELSEQ2 ; 目前程序中只有一路 AD 采样,所以只用到了一个通道 SPLK #0000h, CHSELSEQ3 ; 用到的通道号是 0 号SPLK #0000h, CHSELSEQ4 CALL AD_Start ; 配置完所有寄存器后,启动 AD 转换信号 LDP #4 ; 指向 200h~27Fh 数据存储器的 B0 区SPLK #0000h, ADRESULT ; 初始化用户变量 ADRESULT,程序运行时存 AD 转换结果 RET AD_Start : ; 启动 AD 转换信号 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 LDP #DP_EVB LACL T4CON ; 把定时器 4 的控制寄存器位 6(TENABLE)置1OR #0040h ; 使能定时器的操作 SACL T4CON RET PID_Control : ; 根据输入值进行 PID 算法的计算 SETC SXM ; 置符号扩展方式为 1,表示系统进行符号扩展 SETC OVM ; 置系统溢出模式为 1,溢出时使用最大正值和负值 SPM #0 ; 表示乘法器不移位直接装入 CALU LDP #4 ; 指向用户变量区 200h~27Fh LACL ADRESULT ; 把本次 AD 转换的结果存储到变量 PID_input 中SACL PID_input LACC Ki_high, 16 ; 把积分增益系数 Ki 的高位字左移 16 位加到 ACC 中ADDS Ki_low ; 无符号加法,表示把 Ki 的高位字和低位字拼接起来加载到 ACC ADD Kp, 16 ; ACC=Kp+Ki ADD Kd, 16 ; ACC=Kp+Ki+Kd SACH A_coeff_high ; 系数 A 高位字=高位(Kp+Ki+Kd) SACL A_coeff_low ; 系数 A 低位字=低位(Kp+Ki+Kd) LACC Kd, 16 SFL ; 此时,ACC=2*Kd ADD Kp, 16 ; ACC=2*Kd+Kp SACH B_coeff ; 系数 B = 2*Kd+Kp LACC PID_reference ; 加载输入参考值 SUB PID_input ; ACC=PID_reference - PID_input SACL PID_e0 ; 本次输入的偏差量,e(k)= r(k)- c(k) LT Kd MPY PID_e2 ; Kd*e(k-2) PAC ; 把乘积寄存器移位后加载到累加器,此处移位值是 0 LT B_coeff ; 把B系数加载到 T 寄存器中 MPY PID_e1 ; B*e(k-1)=(2*Kd+Kp)*e(k-1) SPAC ; 此时 ACC=Kd*e(k-2)-(2*Kd+Kp)*e(k-1) SACH tmp1_high, 1 ; 把ACC 的高位字放到暂存字 tmp1_high 中SACL tmp1_low, 1 ; 把ACC 的低位字放到暂存字 tmp1_low 中;此处开始求最后一项增量,也即当前增量 LACC PID_e0 ; 加载当前偏差量 e(k)到累加器 ACC 中SACL e0_sign ; 把e(k)存储到变量 e0_sign 中,便于后面进行符号判断 ABS ; 对e(k)取绝对值,为无符号乘法做准备 SACL abs_e0 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 LT abs_e0 ; 把| e(k)| 加载到 T 寄存器中 MPYU A_coeff_low ; 无符号乘法,A 低位字*| e(k)| SPH tmp2_low ; 把乘积寄存器 PREG 的高 16 位存储到变量 tmp2_low MPYU A_coeff_high ; 无符号乘法,A 高位字*| e(k)| PAC ; 把A高位字*| e(k)| 的乘积加载到累加器 ADDS tmp2_low ; ACC=A 高位字*| e(k)|+A 低位字*| e(k)| SACH tmp2_high, 1 ; 把该结果存储到暂存器变量 tmp2_high 和tmp2_low SACL tmp2_low, 1 LACC e0_sign ; 判断当前偏差量 e(k)的符号 BCND cy_DONE, GT ; 当e(k)> 0 时,不必再进行处理,跳转 LACC tmp2_high, 16 ; 当e(k)<= 0 时ADDS tmp2_low ; 使ACC=A 系数高位字*| e(k)|+A 系数低位字*| e(k)| NEG ; 因为 e(k)<= 0,所以使 ACC 取负值 SACH tmp2_high ; 把取负后的 ACC 存储到暂存器变量 tmp2_high 和tmp2_low SACL tmp2_low cy_DONE : ; 对当前偏差量 e(k)的符号判断处理结束 LACC tmp1_high, 16 ; 加载[Kd*e(k-2)-(2*Kd+Kp)*e(k-1)]的高位字 ADDS tmp1_low ; ACC=Kd*e(k-2)-(2*Kd+Kp)*e(k-1) ADDS tmp2_low ADD tmp2_high, 16 ; 此时 ACC 存放数字 PID 控制器的控制增量u(k)=u(k)-u(k-1) SACH tmp3 ; tmp3=u(k)=A*e(k)-(2*Kd+Kp)*e(k-1)+Kd*e(k-2) LACC PID_output1, 16 ; 加载上次控制量 u(k-1)到ACC,并左移 16 位ADD tmp3, 16 ; 得到本次的控制量,存放在 ACC 中,字长是 32 位SACH PID_output ; 取ACC 的高 16 位存放到本次控制量的变量中,16 位已经能满足精度 ; u(k)=u(k-1)+A*e(k)-(2*Kd+Kp)*e(k-1)+Kd*e(k-2) LACC PID_output ; 变量 PID_output 中存放送到 DA 的控制量 SUB #PID_output_MAX ; 对输出控制量进行限幅控制 BCND greater_MAX, GT ; 进行上限幅 LACC PID_output SUB #PID_output_MIN BCND less_MIN, LT ; 进行下限幅 B PID_end greater_MAX : ; 当PID_output > PID_output_MAX 时,令PID_output=PID_output_MAX SPLK #PID_output_MAX, PID_output B PID_end less_MIN : ; 当PID_output < PID_output_MIN 时,令PID_output=PID_output_MIN SPLK #PID_output_MIN, PID_output PID_end : ; 为下一次 PID 控制做准备 LDP #4 ; 指向用户变量区 200h~27Fh 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 LACC PID_e1 SACL PID_e2 ; 使得 e(k-2)=e(k-1) LACC PID_e0 SACL PID_e1 ; 使得 e(k-1)=e(k) LACC PID_output SACL PID_output1 ; 使得 PID_output1=PID_output CLRC SXM ; SXM=0,抑制符号位扩展 RET PID_init : ; 数字 PID 控制器输入值和参数初始化 LDP #4 ; 指向用户变量区,200h~27Fh 的数据存储器的 B0 区SPLK #Kp_init, Kp ; 初始化比例增益系数 Kp SPLK #Ki_high_init, Ki_high ; 初始化积分增益系数高位字 Ki_high SPLK #Ki_low_init, Ki_low ; 初始化积分增益系数低位字 Ki_low SPLK #Kd_init, Kd ; 初始化微分增益系数 Kd SPLK #PID_ref_init, PID_reference ; 初始化系统参考输入值 PID_reference=r(t) SPLK #0, PID_e2 ; 初始化上上次的偏差量 e(k-2) SPLK #0, PID_e1 ; 初始化上次的偏差量 e(k-1) SPLK #0, PID_e0 ; 初始化当前的偏差量 e(k) SPLK #0, PID_output1 ; 初始化上次的控制量 u(k-1) SPLK #0, PID_output ; 初始化当前控制量 u(k) RET GISR1 : ; 优先级 INT1 中断入口 ; 保护现场 LDP #DP_PF1 ; DP 指针指向 7000h~707Fh 外设数据区 LACC PIVR, 1 ; 读取外设中断向量寄存器(PIVR),并左移一位 ADD #PVECTORS ; 再加上外设中断子向量的入口地址 BACC ; 根据累加器的值,跳到相应的中断服务子程序中 ; 此处是高优先级的 ADC 中断 ADCINT_ISR : ; 高优先级模式的 ADC 中断子程序 CLRC SXM ; 抑制符号位扩展 LDP #4 ; 指向用户变量区 LAR AR2, #RESULT0 ; 把当前 AD 转换的结果存储到 AR2 中MAR *, AR2 ; 把AR2 设置为当前辅助寄存器 LACC *, 10 ; 由于 DSP 内嵌的 AD 转换器是 10 位的,所以左移 10 位加载到 ACC 高位 SACH ADRESULT ; 变量 ADRESULT 存储当前 AD 转换的结果 CALL PID_Control ; 调用数字 PID 控制子程序 CLRC INTM ; 开总中断,因为一进中断就自动关闭总中断 RET ; 中断返回 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 PHANTOM : ; 假中断向量子程序 LDP #DP_PF1 ; DP 指针指向 7000h~707Fh 外设数据区 SPLK #05555h, WDKEY ; 复位看门狗 SPLK #0AAAAh, WDKEY RET .end ; 程序结束 4.4.5 模糊 PI 控制器的 DSP 应用程序 下面介绍包含模糊 PI 控制器算法的 DSP 应用程序,该程序是基于图 4.2 的硬件平台 和图 4.8 的原理框图实现模糊 PI 控制器的,下面的程序段就是数字模糊 PI 控制器的控制 表程序,程序的文件名是 Fuzzy_PI.asm,每行程序都有详细的解释说明,由于模糊 PI 控 制器是在数字 PID 控制器的基础上改进的,又由于篇幅的限制,本程序没有给出所有的 程序,其主程序和中断子程序以及初始化程序和数字 PID 控制器的程序是基本相同的, 在此不再赘述. ; 实用模糊 PI 控制程序 PI_Control : ; 此处开始执行 PI 控制器 SETC SXM SETC OVM SPM #0 LDP #4 LACL ADRESULT ; 把AD 采样的结果存储到变量 PID_input SACL PID_input CALL Fuzzy_PI_table ; 此处调用模糊 PI 控制规则 ; 以下程序实现模糊 PI 控制规则表,如表 4.3 所示 Fuzzy_PI_table : LACC PID_reference ; 加载系统参考输入量 r(k) SUB PID_input SACL PID_e0 ; 求得系统当前偏差量 e(k) SUB PID_e1 ; 与上次系统偏差量相减 SACL PI_delta_e ; 求得系统当前偏差变化率e(k)=e(k)-e(k-1) LT q1 ; 对偏差量进行模糊化,q1 是量化因子 MPY PID_e0 PAC ; 求出模糊偏差量=q1*e(k) SACL Fuzzy_PI_e ; 把模糊偏差量存储到变量 Fuzzy_PI_e 中LT q2 ; 对偏差量变化率进行模糊化,q2 是量化因子 MPY PI_delta_e ; 模糊偏差变化率=q2*e(k) PAC SACL Fuzzy_PI_delta_e ; 把模糊偏差变化率存储到变量 Fuzzy_PI_delta_e 中LACL Fuzzy_PI_e ; 对模糊控制规则进行限幅控制 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 SUB #6 BCND Normal_Fuzzy_PI_1, LT ; 当模糊偏差量大于等于 6 时SPLK #6, Fuzzy_PI_e ; 模糊偏差量取最大值 6 Normal_Fuzzy_PI_1 : LACL Fuzzy_PI_delta_e SUB #6 BCND Normal_Fuzzy_PI_2, LT ; 当模糊偏差变化率大于等于 6 时SPLK #6, Fuzzy_PI_delta_e ; 模糊偏差变化率取最大值 6 Normal_Fuzzy_PI_2 : ; 以下程序是模糊控制规则求解 LACL Fuzzy_PI_e SUB #5 ; 当模糊偏差量=5 时BCND Fuzzy_PID_e_5, EQ B Fuzzy_PID_e_not5 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_e_5 : ; 继续寻找合适的控制规则 LACL Fuzzy_PI_delta_e ; 当模糊偏差变化率=1 时SUB #1 BCND Fuzzy_PID_delta_e_1, EQ B Fuzzy_PID_e_not5 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_delta_e_5 : SPLK #5, Fuzzy_KP ; 这时,模糊比例增益系数 KP=5 SPLK #0, Fuzzy_KI ; 模糊比例增益系数 KI=0 B Fuzzy_PI_end ; 此时已经找到一条符合要求的模糊控制规则 ; 跳出模糊规则求解程序 Fuzzy_PID_e_not5: LACL Fuzzy_PI_e ; 当模糊偏差量=4 时SUB #4 BCND Fuzzy_PID_e_4, EQ B Fuzzy_PID_e_not4 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_e_4 : LACL Fuzzy_PI_delta_e ; 当模糊偏差变化率=2 时SUB #2 BCND Fuzzy_PID_delta_e_2, EQ B Fuzzy_PID_e_not4 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_delta_e_5 : SPLK #4, Fuzzy_KP ; 这时,模糊比例增益系数 KP=4 SPLK #1, Fuzzy_KI ; 模糊比例增益系数 KI=1 B Fuzzy_PI_end ; 此时已经找到一条符合要求的模糊控制规则 Fuzzy_PID_e_not4 : LACL Fuzzy_PI_e ; 当模糊偏差量=3 时 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 SUB #3 BCND Fuzzy_PID_e_3, EQ ; 如果相等,则继续向下判断 B Fuzzy_PID_e_not3 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_e_3 : LACL Fuzzy_PI_delta_e ; 当模糊偏差变化率=3 时SUB #3 BCND Fuzzy_PID_delta_e_3, EQ B Fuzzy_PID_e_not3 ; 如果不相等,则跳出该条模糊控制规则 Fuzzy_PID_delta_e_3 : SPLK #3, Fuzzy_KP ; 这时,模糊比例增益系数 KP=3 SPLK #2, Fuzzy_KI ; 模糊比例增益系数 KI=2 B Fuzzy_PI_end ; 此时已经找到一条符合要求的模糊控制规则 ; 跳出模糊规则求解程序 Fuzzy_PID_e_not3 : 和上面的程序段一样描述出表 4.3 所示的所有模糊控制规则 此处省略了编程结构相同的模糊控制规则 Fuzzy_PI_end : ; 此处模糊控制规则求解结束,对模糊输出控制量进行反模糊化 LT k1 ; 对模糊比例增益系数 KP 反模糊化 MPY Fuzzy_KP ; k1*Fuzzy_KP PAC SACL Kp ; 求得反模糊化结果 Kp=k1*KP LT k2 ; 对模糊积分增益系数 KI 反模糊化 MPY Fuzzy_KI ; k2*Fuzzy_KI PAC SACL Ki ; 求得反模糊化结果 Ki=k2*KI RET ; 模糊控制规则求解程序结束,返回调用处 4.5 控制系统的性能评估 本节将对系统的开环特性,以及加上控制算法后的控制性能作对比,由此反映数字 PID 控制和模糊 PI 控制算法的特点. 4.5.1 系统的开环特性 图4.12、 图4.13 和图 4.14 给出了伺服电机的动态速度特性. 图中所示是在输入端分别加 上500~1000mV、1500~2000mV、2500~3000mV 电压的阶跃信号后电机的速度响应.曲线 a 为常温下空载速度阶跃响应, b 为高温 (80℃左右) 下空载速度阶跃响应, c 为负载 3Kgf·cm 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 的速度阶跃响应.在温度和所加负载发生变化时电机的速度特性也随着变化,且速度越高变 化越大. 图4.12 500~1000mV 的速度阶跃响应 图4.13 1500~2000mV 的速度阶跃响应 图4.14 2500~3000mV 的速度阶跃响应 4.5.2 数字 PID 控制特性 图4.15 给出了在数字 PID 控制下伺服电机的动态速度特性. 设计数字 PID 控制器后, 做 了一系列实验.图4.15 是电机在数字 PID 控制下不同设定速度的阶跃响应.其中,曲线 a 表 示电机空载情况下的阶跃响应; 曲线 b 表示电机长时间运行后温度上升的情况下的阶跃响应; 曲线 c 表示当电机加上 3Kgf·cm 的负载(60%的额定负载)时,电机的阶跃响应曲线.由图4.15 可以看出,只有在电机的速度设定为 100rpm 时,数字 PID 控制器的效果较好,不管 在哪种情况下,最大超调量均小于 7%,而在 50rpm 和140rpm 的设定速度下,最大超调量均 大于 10%.另外在设定速度为 100rpm 时,电机阶跃响应的上升时间和调整时间均比其他的 设定速度下电机阶跃响应的上升时间和调整时间小. 但是随着电机温度上升或加上负载, PID 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 控制器的控制品质相对下降,超调量增大同时调整时间变长.这是因为数字 PID 控制器的参 数是在电机空载,设定速度为 100rpm 的情况下调整的,所以在这种情况下 PID 控制器的控 制品质相对较好.而当电机设定速度变化或电机带负载运行或温度变化时,由于电机的特性 随电机带载情况或电机温度的变化而改变,因此电机的工作点发生漂移,而PID 控制器的参 数无法跟着改变,从而控制品质相对下降. 说明:曲线 a 空载情况,曲线 b 长时间运行后温度上升的情况,曲线 c 加上 3Kgf·cm 的负载 图4.15 在数字 PID 控制下不同设定速度的阶跃响应 电机在 PID 控制下无法完全消除静差,这是因为电机本身的时间常数小,动态响应快, 惯性小,容易引入干扰,而PID 控制中的微分环节(D)虽然能改善系统的动态特性,加快 系统响应,降低超调,但是它也使系统的抗干扰能力下降,所以电机在 PID 控制下进入稳态 后,由于外界干扰的存在,使得电机总是存在略微的抖动. 4.5.3 模糊 PI 控制特性 设计模糊 PI 控制器后,做了一系列实验.图4.16 是电机在模糊 PI 控制下,不同设定速 度的阶跃响应.其中,曲线 a 表示电机空载情况下的阶跃响应;曲线 b 表示电机长时间运行 后温度上升的情况下的阶跃响应;曲线 c 表示当电机加上 3Kgf·cm 的负载时,电机的阶跃 响应曲线.由图 4.16 可以看出,电机在常温空载情况下,不管设定速度是多少,参数自整定 模糊 PI 控制器的控制效果都比较好,最大超调量均小于 7%,而调整时间均在 16ms 以内, 并且进入稳态后速度抖动较小.但是随着电机温度上升或所加负载发生变化时,控制器的控 制品质相对下降,超调量增大同时调整时间变长.这是因为模糊 PI 控制器的参数 Kp 和Ki 是 在电机空载,设定速度为 100rpm 的情况下给出的,同时用于调节 PI 参数 Kp 和Ki 的模糊控 制规则是在常温下, 电机空载时给出的, 所以在电机空载情况下控制器的控制品质相对较好. 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 说明:曲线 a 空载情况,曲线 b 长时间运行后温度上升的情况,曲线 c 加上 3Kgf·cm 的负载 图4.16 在模糊 PI 控制下不同设定速度的阶跃响应 4.6 案例总结 通过 4.4 节的详细的程序代码说明,读者应该对常用自动控制系统的算法——PID 控制 和模糊 PI 控制有了一个清晰的了解,本节将对这些控制算法以及它们在 DSP 中的实现手段 作一个总结,由此可以得到一些一般性的结论,便于读者利用这些结论去设计自己想要的基 于DSP LF24xx 系列的自动控制系统,以达到举一反三、学以致用的目的. (1)一个实际的 DSP 控制系统,实时性是一个重要的指标.本程序为了保证数字 PID 控 制的实时性和准确性,在AD 采样的中断响应子程序中就调用 PID 控制算法程序,立即计算 出控制输出量并送到被控对象,根据 LF2407 的性能、机器时钟周期和中断的延时,可以计 算出本系统从采样当前实际输入值到输出控制量大约需要 6.67?s,这对于 1ms 一次的采样来 说是足够的,完全满足实时性的要求.LF2407 从识别并响应 CPU 中断到进入中断子程序的 第一条指令需要典型的 20 个时钟周期,本系统的片内时钟是 24MHz,而且执行 PID 控制算 法大概需要 130 个指令周期,所以控制的延迟时间 delay T 按式 4-11 进行计算. delay T = 24 1 10 24 1 20 24 1 130 * + * + * =6.67?s (4-11) 在中断子程序中实时调用 PID 控制算法的程序如下: ADCINT_ISR : ; 高优先级模式的 ADC 中断子程序 CLRC SXM ; 抑制符号位扩展 LDP #4 ; 指向用户变量区 LAR AR2, #RESULT0 ; 把当前 AD 转换的结果存储到 AR2 中MAR *, AR2 ; 把AR2 设置为当前辅助寄存器 LACC *, 10 ; 由于 DSP 内嵌的 AD 转换器是 10 位的,所以左移 10 位加载到 ACC 高位 SACH ADRESULT ; 变量 ADRESULT 存储当前 AD 转换的结果 CALL PID_Control ; 调用数字 PID 控制子程序,保证实时控制 CLRC INTM ; 开总中断,因为一进入中断就自动关闭总中断 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 RET ; 中断返回 (2)在本程序中,PID 控制器的比例增益系数 Kp 和微分增益系数 Kd 仅仅用一个 16 位的 字表示,而积分增益系数 Ki 却用 2 个16 位的双字表示 Ki_high、Ki_low.这是因为 LF2407 是一个定点型 DSP,它在表示小数形式的 PID 控制器的 Kp、Ki、Kd 时,需要把它们转化为定 标的定点数.此处定标为 Q15,即16 位字中最高位是符号位,其他 15 位是整数位,表示范 围是[?32768,+32767],精度是 1,所以用双字表示 Ki 才能满足此系数的精度.同样,由于 A 系数=Kp+Ki+Kd,所以它也应该用双字 A_coeff_high、A_coeff_low 来表示.一个小于 1 的小 数表示为 Q15 格式的定点数,应该先去掉符号位,乘以 32768,再转化为十六进制数,如果 是负数还应该对其求补码. (3)DA 转换器的输出范围是[0,3300mV]的闭区间,数据线是 8 根,所以 DA 转换器的 最小步进是 3300÷28 =12.89mV.但是在实际系统中是很难做到这样的精度的,原因是系统本 身模拟地和数字地之间有干扰,工业现场有很多电磁干扰,所以 DA 转换器的最后一位是噪 声,因此 DA 转换器的最小步进是 12.89*2=25.78mV.而AD 转换器是片上集成的,干扰相 对较小,10 位AD 的精度能够达到 1/210 . (4)本程序的可移植性、可扩展性都很强,可以把本程序改为最简单的 P 控制器.需要 说明的是 P 控制器在实际使用时是很少见的, 它只是用来测试、 计算 PID 控制器的 3 个参数: Kp、Ki 和Kd.具体方法是采样工程中常用的扩充临界比例度法,当在采样周期为 1ms 的情况 下,先去掉积分环节和微分环节,只剩下比例作用,也即是 P 控制器,然后逐渐加大比例增 益系数 Kp,直到系统发生振荡,记下此时的比例系数 K 和振荡周期 T,根据扩充临界比例度 法,数字 PID 控制器中各参数取值如式 4-12 所示. K K 63 . 0 p = , T T 49 . 0 i = , T T 14 . 0 d = (4-12) 式4-12 仅仅是一个参考引导公式.实际工作中,一方面要参考公式,另一方面还要靠实 际工作经验和具体的实验数据. 把本程序改成 P 控制器的具体程序如下: PID_init : ; 数字 PID 控制器输入值和参数初始化 LDP #4 ; 指向用户变量区,200h~27Fh 的数据存储器的 B0 区SPLK #Kp_init, Kp ; 初始化比例增益系数 Kp SPLK #0, Ki_high ; 初始化积分增益系数高位字=0 SPLK #0, Ki_low ; 初始化积分增益系数低位字=0 SPLK #0, Kd ; 初始化微分增益系数 Kd=0 (5)在实际工作中还会用到 PI 控制器和 PD 控制器,也即没有微分环节或积分环节.把 本程序改成 PI 控制器的具体程序如下. SPLK #0, Kd ; 初始化微分增益系数 Kd=0 把本程序改成 PD 控制器的具体程序如下. SPLK #0, Ki_high ; 初始化积分增益系数高位字=0 SPLK #0, Ki_low ; 初始化积分增益系数低位字=0 (6)改进型数字 PID 控制器用得最多的是积分分离的 PID 控制器.对于普通的增量式 PID 控制,当大幅度变化设定值时,由于短时间内将产生很大的偏差,式4-4 中的积分项将取 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 值很大,导致系统在消除偏差时将出现较大的超调及长时间的振荡,甚至形成积分饱和现象. 因此在普通的增量式 PID 控制算式的基础上引入了积分分离,即在开始跟踪被控量时,先取 消积分作用使比例项迅速跟踪偏差的变化,当被控量接近新的设定值时再将积分作用加入, 这样既可以避免超调又可缩短达到稳态的时间,起到了积分校正的作用.另外,为了防止积 分饱和,当控制量达到最大或最小极限时应该限幅输出.现假设当偏差量小于等于 50 时,采用PID 控制器,而当偏差量大于 50 时,就仅采用 PD 控制器,则其控制算法如式 4-13 所示. ? ? ? ? ? > ? + ? + ? = ? ≤ ? + ? + = ? 50 ) ( ) 2 ( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( 50 ) ( ) 2 ( ) 1 ( ) ( ) ( k e k Ce k Be k e K A k u k e k Ce k Be k Ae k u i 当当(4-13) 从式 4-13 可以看出,当采用积分环节时,A 系数=Kp+Ki+Kd,而在进行积分分离时,A 系数=Kp+Kd, 只要把原来程序中计算 A 系数的地方改为根据偏差量的绝对值进行积分分离, 选择 不同的 A 系数即可. 把本程序改成积分分离的 PID 控制器的具体程序如下, 其他程序段均不变. PID_Control : ; 根据偏差输入值进行积分分离的 PID 算法的计算 SETC SXM ; 置符号扩展方式为 1,表示系统进行符号扩展 SETC OVM ; 置系统溢出模式为 1,表示累加器溢出时使用最大正值和负值 SPM #0 ; 表示乘法器不移位直接装入 CALU LDP #4 LACL ADRESULT ; 把本次 AD 转换的结果存储到变量 PID_input 中SACL PID_input LACC PID_reference ; 加载输入参考值 SUB PID_input ; ACC=PID_reference - PID_input SACL PID_e0 ; 本次输入的偏差量,e(k)= r(k)- c(k) ABS ; 对偏差量取绝对值 |e(k)| SUB #50 ; 把绝对值|e(k)|和50 进行比较 BCND Move_Ki, GT ; 当|e(k)| > 50,跳转到 Move_Ki,进行积分分离 LACC Ki_high, 16 ; 把积分增益系数 Ki 的高位字左移 16 位加载到 ACC 中ADDS Ki_low ; 无符号加法,表示把 Ki 的高位字和低位字拼接起来加载到 ACC ADD Kp, 16 ; ACC=Kp+Ki ADD Kd, 16 ; ACC=Kp+Ki+Kd,普通的 PID 控制 B Calculate_A_end Move_Ki : ; 进行积分分离,求A系数,其中不包括积分增益系数 Ki LACC Kp, 16 ; ACC=Kp ADD Kd, 16 ; ACC=Kp+Kd Calculate_A_end : ; A 系数计算结束 SACH A_coeff_high ; 系数 A 高位字=高位(Kp+Ki+Kd) SACL A_coeff_low ; 系数 A 低位字=低位(Kp+Ki+Kd) LACC Kd, 16 ; 把系数 Kd 左移 16 位加载到 ACC 中SFL ; 此时,ACC=2*Kd ADD Kp, 16 ; ACC=2*Kd+Kp 华清远见——嵌入式培训专家 http://www.farsight.com.cn 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 SACH B_coeff ; 系数 B = 2*Kd+Kp (7)模糊 PI 控制器的 DSP 程序是在数字 PID 控制器的程序之上进行改进的,其主程序 大体相同,只是有略微的差异,其中在数据段.data 需要添加的变量如下: .data PI_delta_e .word 00h ; 模糊 PI 控制器的当前偏差变化率e(k) q1 .word 00h ; 模糊 PI 控制器的当前偏差量的量化因子 q2 .word 00h ; 模糊 PI 控制器的当前偏差变化率的量化因子 k1 .word 00h ; 模糊 PI 控制器输出的比例增益系数 KP 的比例因子 k2 .word 00h ; 模糊 PI 控制器输出的积分增益系数 KI 的比例因子 Fuzzy_PI_e .word 00h ; 模糊 PI 控制器的当前偏差量 Fuzzy_PI_delta_e .word 00h ; 模糊 PI 控制器的当前偏差变化率 Fuzzy_KP .word 00h ; 模糊 PI 控制器输出的比例增益系数 KP Fuzzy_KI .word 00h ; 模糊 PI 控制器输出的积分增益系数 KI 其中 PI 控制器初始化程序应该改成如下程序: PI_init : ; 模糊 PI 控制器输入值和参数初始化 LDP #4 ; 指向用户变量区,200h~27Fh 数据存储器的 B0 区SPLK #Kp_init, Kp ; 初始化比例增益系数 Kp SPLK #Ki_init, Ki ; 初始化积分增益系数 Ki SPLK #PID_ref_init, PID_reference ; 初始化系统参考输入值 PID_reference=r(t) SPLK #0, PID_e1 ; 初始化上次的偏差量 e(k-1) SPLK #0, PID_e0 ; 初始化当前的偏差量 e(k) SPLK #0, PID_output1 ; 初始化上次的控制量 u(k-1) SPLK #0, PID_output ; 初始化当前控制量 u(k) RET (8)图4.9 和图 4.10 是定义的各语言变量的语言值.其中语言值隶属函数的形状对控制器 的特性影响不大,而各隶属函数对论域的覆盖面的大小则对控制器的特性影响较大.在图 4.9 和图 4.10 中,取各语言值隶属函数的形状为梯形,是为了方便模糊化和反模糊化的计算,以及 控制表的计算.其实取隶属函数的形状为三角形、梯形和正态分布函数形都对控制特性的影响 不大.另外,对于各个语言值,要考虑它们对论域的覆盖程度,应使论域中的任何一点对这些 模糊集的隶属度的最大值都不能太小,否则在这样的点上会出现"空档" ,从而引起失控.本 案例程序中,论域中的任何一点对这些模糊集的隶属度的最大值都大于或等于 0.5.另外还应 考虑各模糊集之间的相互影响, 一般用这些模糊集中任意两个模糊集的交集中的最大隶属度β 来描述.β较小时,控制较灵敏,但容易引起失控,β较大时,控制的鲁棒性好,但β过大将 不易区分两个相邻的模糊集.一般β取0.4~0.7 之间,本案例程序中取β=0.5. (9)本案例程序作为例子,其中的模糊规则控制表做的比较小,程序量不大,因此控制 的精度较差.在实际工程应用中,模糊规则控制表往往很大,这时再采用本程序中直接用程 序语句来描述的方法将占用大量的程序存储空间,浪费资源,增加成本.实际使用中常常采 用离线的方法计算出模糊控制规则表,然后把它直接复制到系统的数据空间,在寻找控制规 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 -第4章、 常用自动控制系统设计 《DSP 嵌入式系统开发典型案例》 则时采用数据寻址的方法,这样程序运行速度快而且占用的存储量小. 本章案例介绍了利用 TI 公司的 DSP LF2407 进行常用自动控制系统的设计,主要介绍了 数字 PID 控制器和模糊 PI 控制器的设计方法和实现手段.在此基础上,介绍了数字 P 控制 器、数字 PI 控制器、数字 PD 控制器、数字积分分离的 PID 控制器的实现方法.在工业控制 中,90%都是采用 PID 控制算法,而且绝大多数都是采用数字式 PID 控制,也有少量的模拟 PID 控制,在它基础上又衍生了很多实用的复合控制方法,模糊 PI 控制就是其中的一种.目 前在很多过程控制和家用电器中均采用了数字模糊 PI 控制技术,当被控对象的特性是非线 性,且要求高精度控制时,模糊 PI 控制技术发挥了它的优越性,即不需要数学模型,对被控 对象的特性变化不敏感,它确实解决了很多其他控制方法无法解决的问题,并且它实现起来 比较简单,运算量较小,是一种性能价格比优异的控制方案.因此读者如果掌握了上面介绍 的数字 PID 控制算法和模糊 PI 控制算法,则也能迅速地掌握其他控制方法的 DSP 实现.