基于ＤＳＰ的导引头伺服平台控制器系统电源设计
摘 要：由于目前高性能DSP系统在降低功耗的同时必须考虑其外围器件的电源特性，所以对DSP系统电路提供电源时必须要考虑到DSP两种电压的供电特性。介绍一种基于DSP的导引头伺服平台控制器电路的电源设计方案。详细给出采用高效率的电压转换芯片为DSP提供核电压、I/O接口电压的应用电路；并设计电源监控与复位电路，以确保供电系统的稳定、可靠和高效。测试表明该电源系统具有较强的实用性和通用性，可以应用于一般的数字伺服控制系统。
关键词：电源；伺服控制器；DSP；电源监控
中图分类号：TJ765.3,TP368.1 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1804104
Design of Power Supply for Servo Platform Controller of Seeker Based on DSP
DENG Zhiping，ZHANG Yongke，PENG Xiaole
(Institute 209 of China Ordnance Industry,Chengdu,610041,China)
Abstract：Besides lowing the power consumption of DSP chip,considering the voltage characteristics of external circuits are also important,so two types of voltage of DSP chip in designing power supply for high performance DSP system are considered.In this paper,a design solution of power supply for servo stabilized platform controller of seeker based on DSP is presented.A scheme of circuitry with efficient LowDropout Voltage Regulator which supplies power for kernel voltage and I/O voltage of DSP is given in detail.Further more,the circuitry of power monitor and control is given which can guarantee the power supply system to be stabilized,reliable and efficient.Experiments show that the power supply system has high practicability and universal property,it can be used in general digital servo control system.
Keywords：power supply；servo controller；DSP；power monitor and control
成像导引头伺服稳定平台是保证导引头视轴稳定的主要装置，用于隔离载体的振动，并克服载体姿态变化对跟踪系统的影响，同时要在控制指令的驱动下完成对目标的捕获和跟踪［1］。导引头伺服稳定平台必须具有较好的隔离度和足够高的跟踪精度以及跟踪速度。导引头在搜索、捕获、跟踪等不同阶段对其伺服控制系统提出不同的控制算法要求，而且导引头还要求在较宽的温度范围内工作。数字伺服控制系统可以方便灵活地对控制算法进行改变，使用数字伺服控制系统能很好地满足对导引头控制的要求［1］。这里选用DSP作为伺服控制器的处理器。
导引头伺服平台控制系统属于高精度控制、测量以及运算于一体的脱机控制系统，其工作频率高，数据吞吐大、功耗也相对较高，因此电路供电系统的设计将直接影响到系统的稳定性和控制精度。所以设计高效率、高性能的供电系统具有重要的现实意义［2］。其中，伺服控制器系统DSP的电源设计是很关键的部分。为了提高导引头的跟踪精度，改善伺服平台的伺服控制稳定性，而且现在很多先进算法的应用，例如基于神经网络的PID控制、非线性控制算法等，与传统PID控制相比，这些算法对处理器的运算能力都提出了更高的要求。
通过对导引头伺服平台数字控制器进行需求分析，以及对硬件性能方面的比较之后，本系统电路的处理器选用TI公司的TMS320F2812。这是一款用于数字控制处理领域的高性能数字信号处理器，最高工作频率可达150 MHz，是目前广泛用于电机控制领域的32位定点DSP芯片。乘法运算是CPU运算中最费时的一种运算，在处理乘法运算方面，F2812的CPU集成了一个16×16位的硬件乘法器，能够很方便地进行16×16位和32×32位的乘法运算。F2812具有数字信号处理能力、强大的事件管理能力以及嵌入式控制功能。导引头伺服控制器的硬件组成框图如图1所示。
1 本系统的电源要求
在进行电路系统的电源设计时，首先必须要将整个系统的其他部分确定，而且器件型号均选好，获得所需的功率、电流、电压大小等信息，从而决定电源系统所选用的器件，并采用合适的方案实现。
图1 导引头伺服平台控制器硬件结构框图伺服平台控制器电路中用到的电源有+15 V，-15 V，+10 V，-10 V，5 V，3.3 V，2.5 V，1.8 V。在电路中，DSP选用的是TI公司的TMS320F2812，CPLD选用的是 XILINX公司的XC95144XLTQ144。DSP需要1.8 V和3.3 V电压，CPLD需要3.3 V电压供电，通信模块和外部存储器等芯片需要3.3 V电压供电；A/D需要2.5 V的基准电压；D/A需要专门的参考电压电路给其提供+Vref，-Vref。+15 V，-15 V，5 V电压直接由稳压电源提供。
F2812的I/O接口电压是3.3 V，但其他外围电路有5 V和3.3 V的器件，因此在DSP系统中，经常有5 V和3.3 V电压与DSP的混接问题。在这种情况下，应注意：
（1） DSP输出给5 V的电路（如D/A），无需加任何缓冲电路，可以直接连接；
（2） DSP输入5 V的信号（如A/D），必须要将5 V信号变换成3.3 V的信号；
（3） 仿真器的JTAG口的信号也必须为3.3 V，否则有可能损坏DSP。
F2812需要2种电源，即核电压和I/O接口电压，核电压是1.8 V（或1.9 V），I/O接口电压是3.3 V。在电路上电和掉电时必须考虑它们的配合问题：在上电时，要保证I/O先于核电压，最起码两者同时上电；同样，在关闭电源时，保证内核先于I/O，最起码两者同时掉电。
为了保证DSP芯片在电源未达到要求的电平时，不会产生不受控制的状态，所以有必要在系统中加入电源监控和复位电路。由该电路确保DSP芯片在系统加电的过程中始终处于复位状态，直到核电压和I/O电压达到所要求的电平。同时，一旦电源的电压降到门限值以下，强制芯片进入复位状态，确保系统稳定地工作。
2 数字电源设计
在系统中存在模拟电路和数字电路供电，模拟和数字电路要独立分开供电。这里数字电路电源部分主要有DSP的核电压和I/O接口供电，CPLD的供电。电路中，3.3 V和1.8 V的电压分别由电源芯片进行转换，3.3 V的电压由TPS7333Q提供，1.8 V的电压由TPS7301QD提供。
DSP稳定工作状态下，最大工作电流为300 mA，CPLD上电时最大电流为250 mA，另外还有通信模块、存储模块等电路的器件需要+3.3 V电源。TPS7333Q和TPS7301QD的各自输出调整电路最大都能提供500 mA的电流，在此系统中，由这2片电源芯片提供的最大电流峰值是够用的。
2.1 1.8 V电压电路
DSP的1.8 V核电压电源由TPS7301Q提供，这是一款TI设计的专用于DSP的电源芯片，两侧引脚SO（Small Outline）封装。由于TPS7301Q用来产生核电压，在DSP进行上电和掉电的过程中，核电压和I/O电压同时上电、掉电。如图2所示是1.8 V电压产生的电路连接图。
图2 1.8 V电压产生电路在图2中，R15和R16的作用是进行电压偏置，其关系式为R16=(V0Vref－1)×R15。因为TPS7301Q的Vref是1.182 V，若要产生1.8 V的电压，即V0=1.8V，当R15选定之后就可以根据公式R16=(V0Vref－1)×R15求出R16的值。为了获得更好地输入电压且减少对其他电路的干扰，输入端需要接等效串联电阻的电解电容，同时在输出端也要接电容进行滤波。
2.2 3.3 V电压电路
在电路中，3.3 V电压为DSP的I/O，CPLD提供电压。TPS7333Q和TPS7301QD各自能提供的最大输出电流是500 mA，其提供的总电流量够用。TPS7333Q为电路提供3.3 V直流电压，其实现电路连接图如图3所示。
图3 3.3 V电压产生电路TPS7333Q的输出电流是0~500 mA，输出电压波动为3.23~3.37 V。当输出引脚OUT上的输出电压低于门限值时，RESET引脚将强行使其复位。TPS7333Q内部的比较器随时监控输出电压值，当输出电压<门限值时，RESET信号变成低电平（RESET低电平有效）；当输出电压到达门限电压后，经过200 ms的延时之后，RESET信号变成高电平。
为了获得更好地输入电压且减小对其他电路的干扰，5 V电压输入端必须并接电容进行滤波。在调试中发现，为了达到更好的性能，在输出端也分别需要接小电容值的电容进行滤波。无论电路是否有专门的地层和电源层，都必须在电源和地之间加一定的并且分布合理的电容，进行滤波。滤波电路用于滤除输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载并联电容器C，或与负载串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容使负载电压比较平滑，具有平波的作用；与负载串联的电感使负载电流比较平滑，有平波作用。电感相当于一个低通滤波器，能滤除高频噪声，电感的选择主要决定于电源中高频噪声的成分。
2.3 电源监控与复位电路
在DSP系统中，系统的时钟频率较高，在运行时极有可能出现干扰和被干扰现象，严重时系统可能会出现死机。为了克服这种情况，除了在软件上做一些保护措施外，硬件上也必须做相应的处理。硬件上最有效的保护措施就是采用具有监视(Watchdog)功能的自动复位电路。在DSP的应用系统设计中，一个好的复位电路能有效提高系统的可靠性和抗干扰能力。
这里选取的复位芯片是MAX706。MAX706监控芯片是Maxim公司生产的具有代表性的多功能微处理器监控电路。MAX706具有上电自动复位，当电源电压超过复位门限以后，复位低电平维持200 ms；具有人工复位输入，复位按键弹起后，复位脉冲维持200 ms；独立的看门狗电路，定时时间为1.6 s；确保在电源低至1.0 V时，复位输出仍有效；MAX706为5.0 V电源供电，低电平复位输出，复位门限为4.4 V。在系统上电、掉电、复位按键按下以及电源电压降低的情况下，复位比较器能够保证输出准确可靠的复位信号。
在调试整个DSP系统电路时，要用仿真器将DSP开发板（通过JTAG接口)与计算机进行连接，这样所编写的程序才能写入DSP开发板，以及在计算机上通过CCS调试DSP开发板。每次调试程序都必须经过JTAG仿真器将程序装载到开发板中，在装载过程时间可能大于看门狗电路的复位时间(1.6 s)，这时候必须要保证看门狗不启动，否则会将DSP的复位引脚拉低，导致连接错误、工作失常。为保证DSP系统调试与工作正常，在电路中做如下改进，在MR与WDO之间加上1个跳针（J5），在每次加载程序时将跳针断开，关闭看门狗功能；正常运行时将跳针短路，即实现看门狗的功能，图4是其实现电路。
图4 监测与复位电路3 参考电源设计
电路中需要为A/D和D/A提供参考电压。AD7863需要2.5 V的参考电压，DAC7724需要+10 V，-10 V的参考电压。其实现电路为图5所示。要保证A/D的转换精度以及D/A输出模拟信号的精度，必须要求参考电源和模拟电源尽量“干净”，这对于保证整个系统的精度和可用性是至关重要的。因为一般的电阻都有一定的误差，所以必须在实际的电路中加入可调电阻来调整参考电压的输出值，这样来保证精度。
图5 A/D，D/A的参考电源电路同样在REF01和OP27的供电电压输入端，+10 V，-10 V，2.5 V电压的输出端都要加滤波电路进行滤波。电路中2.5 V的电压是通过在+Vref输出端设计一个偏置电压电路，通过调整VR3来得到+2.5 V的电压。
4 结 语
（1） 本文从总体上介绍基于DSP的导引头伺服控制器电路系统的电源设计。重点是F2812 DSP双电源解决方案，主要是从具体的电源要求，如最大输出电流、输出纹波电压、电源效率、输出电压精度等方面进行分析和设计。从测试的结果可以看出，本文中设计的电源系统具有较强的实用性，能够满足导引头伺服控制器系统的需要，同时还可以移植到一般的伺服控制系统中使用。
（2） 在布线时，为DSP提供电源的两个电源模块尽可能靠近DSP，这样可以减小线路阻抗、电感以及两个输出地之间的地线回路电流。这个地线回路电流会产生EMI干扰，而这种干扰会影响回路中的任何电路，为了尽可能地避免这个问题，电源管理模块的地线必须与DSP的地线直接连接。在电路中，模拟地和数字地分开，但最后通过一电感相连。
参 考 文 献
［1］王德奎.电视导引头伺服稳定平台控制器的数字化设计［J］.视频技术应用与工程,2005(3):9495.
［2］孙继平，关永，张杰.经济实用的DSP电源解决方案［J］.电子元件与材料,2002(11):1113.
［3］TI.TMS320F2812.176-Pin Lowprofile Quad Flatpack (LQFP)with External Memory Interface (PGF) (2812).Datasheet.2004.
［4］TI.TPS73XX.Lowdropout Voltage Regulators with Integrated Delayed Reset Function.Datasheet,1999.
［5］Maxim.MAX705MAX708/MAX813L,Lowcost,μP Supervisory Circuits.Datasheet,1995.
［6］Maxim.REF01 and REF02,+5V,+10V Precision Voltage Reference.Datasheet,1995.
［7］苏奎峰，吕强，耿庆锋,等.TMS320F2812 原理与开发［M］.北京:电子工业出版社,2005.
［8］高鹏，安涛，寇怀成.Protel 99入门与提高［M］.北京:人民邮电出版社，2000.
作者简介 邓志平 男，1983年出生，湖北监利人，硕士研究生。研究方向为导引头伺服控制系统。
张永科 男，1963年出生，四川邛崃人，研究员。研究方向为成像导引头、图像处理。
彭晓乐 男，1964年出生，四川成都人，研究员高工。研究方向为成像导引头、伺服控制系统。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
