基于DSP的快速控制原型系统

收稿日期:2008210220

基金项目:高等学校学科创新引智计划项目(B08015)・作者简介:方　正(1981-),男,安徽寿县人,东北大学讲师,博士・

第30卷第8期2009年8月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern University (Natural Science )Vol 130,No.8Aug.2009

基于DSP 的快速控制原型系统

方　正,张淇淳,齐玉成

(东北大学流程工业综合自动化教育部重点实验室,辽宁沈阳　110004)

摘 要:为了在实际控制系统开发中缩短控制算法的设计周期,提高控制器的可靠性,并简化在调试过程中对控制算法的修改,设计与开发了基于DSP 的快速原型控制系统・该系统包括基于TI F2812DSP 的硬件控制器和基于MA TLAB/Simulink 的软件开发环境・用户可以在Simulink 环境中利用RTW 功能直接从

Simulink 模型自动生成可执行代码,并下载到DSP 控制器中进行实时控制,从而降低了开发人员繁重的编程任务,提高了控制系统开发的效率・通过带有神经网络补偿和前馈补偿的智能PD 控制器的实时控制实验,验证了系统的有效性・

关　键　词:快速控制原型;TI DSP ;Simulink ;自动代码生成;PD 控制器

中图分类号:TP 273.5 文献标识码:A 文章编号:100523026(2009)0821069205

A R apid Control Prototyping System

B ased on DSP

FA N G Zheng ,ZHA N G Qi 2chun ,Q I Y u 2cheng

(K ey Laboratory of Integrated Automation of Process Industry ,Ministry of Education ,Northeastern University ,Shenyang 110004,China.Corres pondent :FAN G Zheng ,E 2mail :fangzhneg @ )

Abstract :To shorten the periods required for developing control algorithms ,improve the reliability of controllers and simplify the modification of control algorithms ,a DSP 2based rapid control prototyping (RCP )system was designed and developed.The RCP system is composed of a hardware controller with TI F2812DSP embedded in it and an integrated software development environment provided by MA TLAB/Simulink.Through the Real 2Time Workshop function of MA TLAB ,users can directly generate executable codes from Simulink model and download them into the DSP controller for real 2time control ,thus reducing developers ’heavy programming tasks and enhancing the efficiency of R &D.A real 2time control experiment was done for the intelligent PD controller with neural network and feedforward compensation to demonstrate the validity of the system.

K ey w ords :rapid control prototyping ;TI DSP ;Simulink ;automatic code generation ;PD controller

当今,开发工具对于产品快速推向市场起着重要作用・在传统的开发方法中,为了建立一个实时控制系统,设计者通常需要编写大量的代码,然后还需要在代码中调节控制器参数来进行控制器调试・这样,开发人员不仅要拥有丰富的代码编写经验以及花费很多精力编写代码,而且所设计的系统的可靠性也很难保证・此外,大量的代码也为后期的系统维护和调试带来很多困难・快速控制原型[1](rapid control prototyping ,RCP )是解决这一问题的有效方法,特别是对于复杂控制算法的

设计与开发・目前,快速控制原型思想对于工业界

和教育界中广泛应用的控制系统和机器人都产生了巨大的影响・快速控制原型影响工业界的重要原因是它可以节省在不同设备上开发控制算法的时间,从而可以减少30%～40%的开发费用・RCP 释放了在控制执行时的细节问题,如控制算法在计算机上的C 代码编程实现等,从而加速了控制策略的实现・

目前国外有一些公司提供了RCP 系统的软件和硬件解决方案・如VisSim (Visual Solutions

Inc.),MA TRIXx (National Instruments ),以及MA TLAB (MathWorks Inc.)等提供了图形化的

编程环境来进行控制器的设计・其中,MA TLAB/Simulink 是知名度最大和最为流行的控制系统设计与仿真软件・MA TLAB 的扩展工具R TW 提供了从Simulink 模型到C 语言代码的自动生成功能・因此,有一些研究者[2-4]利用MA TLAB/Simulink 和商业化的硬件系统进行快速原型系统的研发・Strobel [2]提出了基于dSPACE 和Simulink 的汽车系统的温度控制快速原型控制系统・dSPACE 控制器虽然功能较强大,但是价格极其昂贵,不适合一般研究机构使用・Hong [4]等描述了利用MA TLAB 和TI 的TMS320C30评估板进行数字信号处理的快速原型系统・但是这些系统都不适合实时控制,并且由于使用的是评估板,因此硬件资源非常有限・在MA TLAB 所支持的嵌入式对象中,TI 的C2000系统是最适合伺服系统实时控制的・MA TLAB 的Target for TI C2000[5]

提供了在TMS320F2812和

TMS320F2407eZdsp 开发板上直接利用Simulink

进行编程和实时控制的功能,但是TI eZdsp 开发

板的价格较昂贵,且硬件接口资源有限,无法实现如多轴运动控制、高精度采样以及无线控制等・

为了解决以上问题,本文提出了基于TI TMS320F2812DSP 的快速控制原型系统方案,并设计与开发了相应的软硬件系统・

1　总体设计思想

快速原型控制系统设计的要点在于把握好设计需求,从快速性、有效性的角度制定总体方案,然后选择或设计合适的软硬件平台・软件系统要以提高系统开发效率为目的,具有实时性高、可靠性强、易于使用和维护等特点・本文所设计的快速原型控制系统主要面向科研与教学,因此不仅要考虑系统的性能,也要考虑设备成本,以获得较高的系统性价比・

针对以上需求,提出了一种基于DSP 的快速原型控制系统的低成本设计方案,它提供了完整的硬件接口和基于MA TLAB/Simulink 的高效的软件开发平台・系统的总体结构如图1所示・

图1　

基于DSP 的快速控制原型系统总体结构

Fig.1　Architecture of rapid control prototyping system based on DSP

2　基于DSP 的硬件系统设计

在硬件系统设计中,核心处理器必须具有很

高的运算速度来完成复杂算法运算并且支持自动代码生成功能・TMS320F2812是满足以上需求的很好选择[6],因此本文采用该芯片来开发硬件控制器系统・硬件系统结构如图2所示・

虽然F2812DSP 的硬件资源较丰富,但是只利用F2812DSP 自带的基本资源还不能满足常用控制系统的要求・例如:F2812DSP 只提供了2个编码器输入,这样只能同时采集两路增量式编码器脉冲;自带的AD 转换器转换精度较差,且稳定性不高,不适合高精度的控制;没有提供无线通讯和网络通讯接口等・因此,本文在F2812DSP 芯片的基础上对硬件系统进行了功能扩展,增加了2路编码器信号输入、11路12位高精度AD 输入

图2　硬件系统结构图

Fig.2　Architecture of hardware system

701东北大学学报(自然科学版) 第30卷