[Zusammenfassung] Dieser Artikel stellt einen digitalen AC/DC/AC-Einphasen-Frequenzumrichter vor, der auf dem SPWM-Algorithmus des Mikrocontrollers der C8051F-Serie basiert. Das Netzteil wandelt dreiphasigen Wechselstrom aus dem öffentlichen Netz in einphasigen Wechselstrom mit unabhängig einstellbarer Ausgangsspannungsamplitude und -frequenz um. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das Netzteil eine ideale Ausgangsspannungswellenform aufweist, eine hohe Regelgenauigkeit von Spannung und Frequenz erreicht, ein sensibles und schnelles Feedback bietet und über umfassende und effektive Schutzmechanismen verfügt. 1 Einleitung Frequenzumrichter finden heutzutage in verschiedenen Wirtschaftszweigen breite Anwendung. Unterschiedliche elektrische Geräte stellen jedoch unterschiedliche Anforderungen an Frequenzumrichter. Beispielsweise benötigen Motorfrequenzumrichter eine VVVF-Regelung des Ausgangsspannungssignals. Dieser Artikel beschreibt einen Frequenzumrichter, der dreiphasigen Wechselstrom aus dem Stromnetz in einphasigen Wechselstrom umwandelt. Ausgangsspannungsamplitude und -frequenz lassen sich unabhängig voneinander einstellen. Der Spannungsregelbereich (Ausgangsspannung Uo, Amplitude auf der Primärseite des Transformators) beträgt 0–450 V mit einer Abweichung von ±2 %, der Frequenzregelbereich 20–600 Hz mit einer Genauigkeit von 0,01 Hz und die Leistung des Geräts 30 kVA. Die Last ist ein LC-Serienschwingkreis. Durch Anpassen von Amplitude und Frequenz von Uo wird die Last nahe am Resonanzpunkt betrieben, wodurch eine hohe Spannung am Resonanzkondensator erzeugt wird. Die gesamte Gerätesteuerung erfolgt über einen Mikrocontroller vom Typ C8051F040. Abschließend wurde ein Prototyp gebaut, mit dem zufriedenstellende experimentelle Ergebnisse erzielt wurden. 2. Kurze Einführung in das Funktionsprinzip des Einphasen-Frequenzumrichters: Die für den M57962L und den Mikrocontroller benötigte Hilfsstromversorgung wird von einem TOPSwiteh-Schaltnetzteil mit drei Anschlüssen bereitgestellt, das über einen Hochfrequenztransformator isolierte Leistung liefert. Um Kurzschlüsse durch Durchschalten der Schalttransistoren im selben Brückenzweig zu verhindern, gewährleistet der M57962L den sicheren Betrieb der Wechselrichterbrücke durch Softwareprogrammierung und Hardwareverriegelung vor der Ausgabe des Ansteuerimpulses. Die Systemlast ist ein LC-Serienschwingkreis. Liegt die Frequenz der Systemausgangsspannung Uo nahe am Resonanzpunkt der Last, entsteht eine hohe Spannung am Resonanzkondensator C. Durch Anpassen von Amplitude und Frequenz von Uo an die Laständerungen lassen sich unterschiedliche Hochspannungswerte am Resonanzkondensator erzeugen. Vor dem Systembetrieb werden Ausgangsspannungsamplitude und -frequenz über die Tastatur eingestellt. Beim Start erhöht sich das Tastverhältnis des Schalttransistors im Abwärtswandler allmählich, wodurch ein Sanftanlauf erreicht und die Spannungsamplitude grob eingestellt wird. Im stationären Zustand bleibt die Ausgangsspannung UDC konstant. Während des Betriebs bleibt die Ausgangsspannungsfrequenz stabil, während die Amplitude über die Rückkopplung feinjustiert wird. Die Spannungsabtastschaltung liefert Rückkopplungssignale an den Mikrocontroller und bildet so einen geschlossenen Regelkreis, der sicherstellt, dass die Ausgangsspannungsamplitude innerhalb des zulässigen Fehlerbereichs bleibt. Die Anzeigeschaltung zeigt während des Betriebs die Werte verschiedener Parameter und Fehlerzustände an. Der Überstromschutz wird durch die Stromabtastung jedes Brückenzweigs mittels eines Stromwandlers durch den Mikrocontroller realisiert, der Überhitzungsschutz durch die Temperaturmessung des Kühlkörpers des Schalttransistors mittels eines Temperatursensors. Das System umfasst außerdem eine Eingangspufferschaltung und eine Gleichrichterstufe, die im Schaltplan nicht dargestellt sind. 3 Software-Design und Steuerungsstrategie: Der C8051F040 ist ein Mixed-Signal-System-on-a-Chip-Mikrocontroller (SoC). Er ist ein vollständig unabhängiges On-Chip-System mit 4352 Byte internem RAM, 64 KB Flash-Speicher, 64 KB externem Datenspeicher-RAM und einer On-Chip-Taktfrequenz von bis zu 25 MHz. Das in dieser Arbeit erzeugte SPWM-Signal nutzt hauptsächlich die Funktion des programmierbaren Zählerarrays (PCA), während die Abtastrückkopplung über den 12-Bit-Mehrkanal-ADC erfolgt. Das Hauptprogrammablaufdiagramm ist in Abbildung 2 dargestellt. (1) SPWM-Erzeugungsstrategie: Um die Schaltfrequenz des Schalttransistors optimal auszunutzen und die Verzerrungsrate der Sinuswelle nach der Filterung des Ausgangs-SPWM-Signals zu reduzieren, wird in der Software mittels Echtzeitberechnung und einer Lookup-Tabelle ein unipolares SPWM-Signal erzeugt. Dabei werden drei Maßnahmen ergriffen: ① Das Trägerverhältnis N wird in neun Frequenzbänder von 20 bis 600 Hz unterteilt. Der Maximalwert beträgt 360 bei niedrigen Frequenzen und der Minimalwert 30 bei hohen Frequenzen. Innerhalb jedes Frequenzbandes wird bei N < 360 nicht jeder Wert der Sinustabelle zur Berechnung der PWM-Pulsbreite verwendet. Um die Symmetrie der Ausgangs-SPWM-Welle zu gewährleisten, sollte innerhalb einer halben Periode (180°) der Ausgangssinuswelle der Wert, der dem 90°-Winkel in der Tabelle entspricht, als Referenz verwendet und für die Berechnung symmetrische Werte auf beiden Seiten ausgewählt werden. 2. Unipolare SPWM wählen. Da die Ansteuersignale der beiden Schalter im gleichen Brückenzweig der bipolaren SPWM-Steuerschaltung komplementär sind, muss die Totzeit tn zwischen den einzelnen PWM-Impulsen der beiden Schalter gewährleistet sein, um Kurzschlüsse und Durchschaltungen zu vermeiden (siehe Abbildung 3). Die Länge dieser Zeit muss sowohl die Eigenschaften des Schalters als auch die Schaltgeschwindigkeit des Mikrocontrollers berücksichtigen. Dies beeinflusst die Generierung des Steuerungsverfahrens und die abschließende Ausgangsfilterung. In der unipolaren SPWM-Wellen-Steuerschaltung genügt es, zur Vermeidung von Kurzschlüssen eine bestimmte Schalttotzeit am Ende einer halben Periode der Ausgangssinuswelle zu gewährleisten. Das Steuerungsverfahren ist einfacher und die Implementierung der Ausgangsfilterung komfortabler. ③ Aufgrund der Betriebsgeschwindigkeit des Mikrocontrollers und der Schaltgeschwindigkeit des IGBT wurden die minimale und maximale Impulsbreite der SPWM-Welle während der Programmierung begrenzt. Bei fester Frequenz führt eine zu niedrige Ausgangsspannung zu einem sehr geringen Modulationsverhältnis m, was eine große Anzahl von Impulsen mit ähnlicher Impulsbreite in der berechneten SPWM-Welle zur Folge hat. Daher entspricht die Ausgangs-SPWM-Welle nicht exakt einem Sinusmuster, und die resultierende Sinuswelle wird nach der Filterung verzerrt, wenn sie zur Ansteuerung des IGBT verwendet wird. Die Lösung besteht darin, nach der AC/DC-Stufe einen DC/DC-Abwärtswandler (Buck-Schaltung) hinzuzufügen. Im stationären Zustand wird das Tastverhältnis der Buck-Schaltung anhand der über die Tastatur eingestellten Spannungsamplitude berechnet, um die niedrige Ausgangsspannung so anzupassen, dass ma nicht zu stark absinkt. Alternativ kann ein IGBT mit höherer Frequenz und ein schnellerer Mikrocontroller verwendet werden, um bei zu niedrigem ma das Trägerverhältnis N zu erhöhen und so verstärkte Wellenformverzerrungen bei niedriger Spannung zu vermeiden. Diese Schaltung verwendet die erste Methode. (2) Spannungsregelung und Frequenzregelung sind unabhängig voneinander. Da das System in einem breiten Frequenz- und Spannungsbereich arbeitet, muss die Spannungsamplitude im Wesentlichen konstant bleiben, wenn nur die Ausgangsspannungsfrequenz geändert wird, und umgekehrt. Da die SPWM-Pulsbreite durch die PCA-Zählung des Mikrocontrollers realisiert wird, ist eine sehr hohe Genauigkeit und somit auch eine sehr hohe Genauigkeit der Ausgangsspannungsfrequenz möglich. Die Stabilität der Ausgangsspannungsamplitude wird jedoch hauptsächlich durch die Anpassung des Modulationsverhältnisses ma gewährleistet, wodurch ein gewisser Fehler in der Ausgangsspannungsamplitude entsteht. (3) Abtastbasierte Rückkopplungsregelung. Bei der A/D-Rückkopplungsregelung mit Spannungsabtastung des Mikrocontrollers verschlechtert sich die Stabilität der Ausgangsspannung, wenn die Ausgangsspannungsamplitude nach jeder Abtastung angepasst wird. Denn während der Programmausführung wird bei Überschreitung des zulässigen Bereichs der Referenzspannungsabweichung durch die abgetasteten Rückkopplungsdaten das Modulationsverhältnis ma entsprechend dieser Abweichung angepasst und anschließend die SPWM-Pulsbreite anhand des neuen Modulationsverhältnisses ma neu berechnet. Schließlich werden die alten SPWM-Pulsbreitendaten verworfen und die neuen geladen. Während dieses Anpassungsprozesses tritt eine kurze Verzögerung zwischen der Umwandlung benachbarter Ausgangszyklen auf, wodurch die Frequenz der Ausgangswellenform schwankt. Um dies zu verbessern und eine stabile und schnelle Ausgangsspannungsantwort zu gewährleisten, werden mehrere Abtastwerte erfasst und deren Mittelwert berechnet. Dieser Mittelwert dient zur Anpassung der Ausgangsspannungsamplitude, wodurch auch Fehlanpassungen reduziert werden. Solange der Mittelwert innerhalb des zulässigen Bereichs der Referenzspannung liegt, bleibt das Modulationsverhältnis ma unverändert und die Ausgangsspannungsamplitude konstant. Überschreitet der Mittelwert den zulässigen Bereich der Referenzspannung, wird das Modulationsverhältnis ma angepasst, um die Ausgangsspannungsamplitude zu regeln. 4. Experimentelle Ergebnisse Die experimentellen Parameter sind wie folgt: Eingangsspannung: 380 V Drehstrom; IGBT-Schalttransistor: CMIOODY-24NF; Gleichstrom-Schleifenkondensator: zwei in Reihe geschaltete 1000µF/450V-Kondensatoren. Die Ausgangsfilterinduktivität beträgt Lf = 0,5 mH, der Ausgangsfilterkondensator CF = 4,7 µF. Die Last besteht aus einer Induktivität und mehreren in Reihe geschalteten Kondensatoren und ist über einen Transformator mit dem Wechselrichterausgang verbunden. Die Experimente dienten hauptsächlich der Überprüfung, ob die Ausgangsergebnisse die Anforderungen bei unterschiedlichen Frequenzen und gleicher Spannungseinstellung sowie bei gleicher Frequenz und unterschiedlichen Spannungseinstellungen erfüllen. Die experimentellen Ergebnisse sind in den Abbildungen 4 bis 6 dargestellt. Abbildung 4 zeigt ein typisches SPWM-Ausgangssignal des Mikrocontrollers bei einer Frequenz von 100 Hz. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die Primärspannungssignale des Transformators. Wie aus den experimentellen Ausgangssignalen ersichtlich, bleibt die Spannungsamplitude im Wesentlichen konstant, wenn sich die Ausgangsfrequenz unabhängig ändert; ändert sich hingegen die Ausgangsspannungsamplitude unabhängig, bleibt die Frequenz im Wesentlichen konstant. Dadurch wird eine unabhängige Spannungs- und Frequenzregelung erreicht. 5. Fazit: Der in diesem Beitrag vorgestellte digitale Einphasen-Frequenzumrichter mit unabhängiger Spannungs- und Frequenzregelung ermöglicht einen breiten und präzisen Frequenzregelbereich für die sinusförmige Ausgangsspannung, einen breiten Amplitudenregelbereich mit geringen Fehlern sowie die unabhängige Einstellung von Spannungsamplitude und Frequenz ohne gegenseitige Beeinflussung. Im Vergleich zu herkömmlichen Netzteilen bietet dieses digitale Netzteil Vorteile wie hohe Ausgangsgenauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit, Fernsteuerungsfähigkeit und komfortables intelligentes Management. Es eignet sich als Netzteil für verschiedene elektrische Geräte mit speziellen Anforderungen an Frequenz und Spannungsamplitude. Anwendung und Entwicklungstrends der DSP-Technologie. Veröffentlichungsdatum: 31.07.2006. Aufrufe: 16. Autor: Wang Lin. Zugehörigkeit: Betrachtet man die Entwicklung der internationalen Elektronikindustrie der letzten 30 Jahre, so zeigt sich Folgendes: In den 1970er Jahren konzentrierte sich die Elektronikindustrie hauptsächlich auf Unterhaltungselektronik. Zu den wichtigsten Herstellern zählten Sony und JVC aus Japan sowie Philips aus den Niederlanden. Die 1980er Jahre waren das Computerzeitalter, das vor allem von amerikanischen Unternehmen wie Intel, IBM, Microsoft und Compaq geprägt wurde. Die 1990er Jahre und die darauffolgenden Jahrzehnte markierten den Beginn des Informationszeitalters, geprägt von persönlichen Kommunikationsnetzen, Netzwerkzugangsgeräten und digitaler Unterhaltungselektronik. Eine der wichtigsten Erfolgsstrategien war die DSP-zentrierte Technologie und ihre innovativen Produkte. China, ein großes Entwicklungsland, konnte in der Anwendung der DSP-Technologie stets mit dem internationalen Stand mithalten. Mehrere führende Unternehmen, wie beispielsweise Hurricane Digital Systems (Beijing) Co., Ltd., wuchsen parallel zur Digitalisierung und Informatisierung Chinas. Seit der Entwicklung der theoretischen und algorithmischen Grundlagen der DSP in den 1970er Jahren haben sich DSP-Produkte nach über 20 Jahren Entwicklung in alle Bereiche des Lernens, Arbeitens und Lebens ausgebreitet und sind nach und nach zu einem entscheidenden Faktor für die Modernisierung elektronischer Produkte geworden. In dieser Ära rasanter Fortschritte in der Computertechnologie erzielen Software und Hardware für eingebettete Systeme ständige Durchbrüche. Heute zählen DSP-Technologie und ihre Anwendungen zu den gefragtesten Technologien im Bereich eingebetteter Systeme und stellen Entwickler von DSP-Software und -Hardware an Universitäten, Forschungsinstituten und in Hightech-Unternehmen vor neue Herausforderungen. Man kann sagen, dass eine Ära explosionsartiger Nachfrage nach DSP angebrochen ist. Zu den führenden DSP-Herstellern auf dem Markt gehören TI, ADI, Motorola, Lucent und Zilog, wobei TI den größten Marktanteil hält. Ihr Produktportfolio reicht von einfachen, langsamen DSPs bis hin zu High-End-DSPs mit hoher Kapazität. Aktuell sind drei TI-DSP-Serien weit verbreitet: C2000, C5000 und C6000 (auch C3X wird verwendet), während andere Modelle weitgehend veraltet sind. Innerhalb derselben TI-DSP-Serie verwenden verschiedene Modelle denselben DSP-Kern und denselben oder einen kompatiblen Assembler-Befehlssatz. Die Unterschiede liegen lediglich in der Größe des On-Chip-Speichers und der Anzahl der Peripheriegeräte (wie Timer, serielle und parallele Schnittstellen). Obwohl die Assembler-Befehlssätze verschiedener DSP-Serien inkompatibel sind, ist die Syntax ihrer Assemblersprachen sehr ähnlich. Zusätzlich zur Assemblersprache bietet TI für jede Serie optimierte C/C++-Compiler an, die die Entwicklung mit Hochsprachen mit einer Effizienz von bis zu 90 % oder mehr im Vergleich zur manuellen Assemblerprogrammierung ermöglichen. Digitale Signalprozessoren (DSPs) finden breite Anwendung, vor allem im 3C-Sektor (Kommunikation, Computer, Konsumgüter), der 90 % der gesamten Marktnachfrage ausmacht. DSPs werden aktuell häufig in Anwendungen eingesetzt, die die Echtzeitverarbeitung großer Datenmengen erfordern, wie beispielsweise VoIP, Internet-Audio, DSL, Kabelmodems, 3G, Digitalkameras und Motorsteuerung. Zu den Hauptanwendungsbereichen zählt die Motorsteuerung. Statistiken zeigen, dass Elektromotoren über 40 % des weltweiten Stromverbrauchs ausmachen; allerdings sind weniger als 20 % der aktuell verwendeten Motoren mit digitalen Steuergeräten auf Basis von Wechselrichtertechnologie ausgestattet. Die Entwicklung neuer Technologien hat der Motorsteuerungsbranche neue Möglichkeiten eröffnet, insbesondere die bemerkenswerte Entwicklung anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASICs), digitaler Signalprozessoren (DSPs) und FPGAs in den letzten Jahren, die neue Chancen für Motorsteuerungssysteme geschaffen haben. Kurz gesagt: Die Motorsteuerung ist eine grundlegende Komponente verschiedener Automatisierungstechnologien, und ihre Entwicklung ist eng mit Mikroelektronik, Leistungselektronik und Automatisierungstechnik verknüpft. TI hat die DSP-Prozessoren der Serie TMS320LF2407 für Hochgeschwindigkeits-Steuerungsanwendungen entwickelt. Das volldigitale Motorsteuerungs-Entwicklungsboard CY-MCS2407 findet breite Anwendung in der Hochleistungs- und Niedrigleistungs-Motorsteuerung, der Batterieüberwachung, USV-Anlagen, Brennstoffzellen und weiteren Produkten. Das Motorsteuerungskonzept eignet sich für: bürstenlose Gleichstrommotoren, Wechselstrom-Induktionsmotoren, Permanentmagnet-Synchronmotoren und Schaltmagnetmotoren. Es ermöglicht die Steuerung im offenen, halbgeschlossenen und geschlossenen Regelkreis. Betriebszustand und Parameter des Motors können auf einem LCD-Bildschirm angezeigt und direkt ausgedruckt werden. Das Funktionsblockdiagramm des Systems ist wie folgt: Das System umfasst folgende Komponenten: I. Hardware-Zusammensetzung: 1. Hochgeschwindigkeits-DSP-Steuerplatine mit DSP, Stromversorgung, Taktgeber, Reset- und Speichermodul, Tastatur- und Anzeigemodul, Druckersteuerungsmodul, seriellem Kommunikationsmodul und Standardschnittstelle zur Leistungstreiberplatine. 2. Leistungstreiberplatine, einschließlich Systemleistungsmanagement, Gleichrichter- und Filtermodul, Wechselrichtertreiber und Rückkopplungsschaltung. II. Software und Algorithmen: Dieses System bietet nicht nur vollständigen Testprogrammquellcode für jedes Modul, sondern ermöglicht auch die Anpassung der folgenden spezialisierten Algorithmen an unterschiedliche Benutzerbedürfnisse: Zufalls-PWM, sensorloser Regelungsalgorithmus, Drehzahlregelungsalgorithmus, PFC-Regelalgorithmus, DC-Ripple-Kompensationsalgorithmus, Raumvektorregelungsalgorithmus, adaptiver Regelungsalgorithmus usw. Typische Anwendung 2: Stromversorgung für Kommunikationssysteme: Die rasante Entwicklung der Kommunikationsindustrie hat die Entwicklung von Stromversorgungen für Kommunikationssysteme maßgeblich vorangetrieben. Schaltnetzteile spielen eine zentrale Rolle in Kommunikationssystemen und sind zum Standard moderner Stromversorgungssysteme geworden. Im Kommunikationsbereich werden Hochfrequenzgleichrichter üblicherweise als Primärnetzteile und DC/DC-Wandler als Sekundärnetzteile bezeichnet. Mit der Entwicklung hochintegrierter Schaltungen ist die Miniaturisierung von Stromversorgungsmodulen erforderlich, was eine kontinuierliche Erhöhung der Schaltfrequenz und die Anwendung neuer Schaltungstopologien notwendig macht. Dies stellt höhere Anforderungen an die Hochfrequenz-Schaltnetzteiltechnologie. Der TMS320LF2407A bietet eine fortschrittliche, zuverlässige und effiziente Signalverarbeitungs- und Steuerungsplattform für Hochleistungssteuerungen. Er integriert digitale Signalverarbeitungsfunktionen mit leistungsstarken Steuerungsfunktionen und ermöglicht so den softwareseitigen Ersatz analoger Geräte. Steuerungsstrategien und -parameter lassen sich einfach anpassen. Zudem verfügt er über Funktionen zur Fehlerüberwachung, Selbstdiagnose sowie zur Verwaltung und Kommunikation mit dem Host-Computer. Er ist auf dem besten Weg, ein Standardprozessor in der Steuerungssystementwicklung zu werden und findet breite Anwendung in Kommunikationsnetzteilen. Der TMS320LF2407A wird häufig in digitalen Steuerungssystemen eingesetzt, die im Wesentlichen aus einem DSP (TMS320LF2407A), Spannungs- und Stromrückkopplung, einer PWM-Treiberverstärkerschaltung, einem Tastaturdisplay und einem Host-Computer bestehen. Wenn der DSP das Referenzsignal vom Host empfängt, wandelt er es in ein PWM-Ausgangssignal um, das anschließend verstärkt und an die Wechselrichter-Hauptschaltung zur Erzeugung des Ausgangssignals gesendet wird. Die vom Wechselrichter ausgegebenen Spannungs- und Stromrückkopplungssignale werden an die A/D-Wandler-Pins geleitet. Drehrichtung und -winkel des Motors werden vom fotoelektrischen Encoder erfasst und an den Quadratur-Encoder-Impulsschaltkreis (QEP) des DSP zurückgemeldet. Dadurch wird eine geschlossene Regelung für die Echtzeit- und effektive Steuerung des Wechselstrommotors realisiert. Tastatur und Display werden über eine synchrone serielle SPI-Schnittstelle angesteuert, die Tastatureingaben liest und Ausgaben auf dem Display ausgibt. Die Kommunikation zwischen DSP und Host-Computer erfolgt über die asynchrone serielle SCI-Schnittstelle. Die JTAG-Schnittstelle dient der Online-Simulation und dem Testen des Systems. Systemfunktionsblockdiagramm: I. Hardware-Design: Die Servosystem-Hardware basiert auf dem DSP, der auch die gesamte Steuerschaltung des Systems bildet. Der DSP, als Steuerkern, empfängt externe Informationen, ermittelt den Betriebsmodus des Servosystems und wandelt diese in ein Wechselrichter-Schaltsignal um. Dieses Signal steuert nach der Isolationsschaltung direkt das IPM-Modul an, um den Motor zu versorgen. Zusätzlich wird ein EEPROM zur Speicherung von Parametern und Benutzerinformationen verwendet. II. Software-Design: Das DSP-Servosteuerungsprogramm besteht aus drei Teilen: dem Hauptprogramm, dem Timing-Sampling-Programm und dem Datenaustauschprogramm zwischen dem DSP und den Peripheriegeräten. Typische Anwendung 3: Bildverarbeitung: Im Jahr 2002 brachte TI (Texas Instruments) die DSP-Serie TMS320C64x auf den Markt. Basierend auf diesem Prozessor entwickelte Beijing Hurricane Zhongtian Technology Development Co., Ltd. (ein Drittanbieter von TI) eine Echtzeit-Bildverarbeitungsplattform mit extrem hoher Geschwindigkeit, hoher Leistung und hoher Zuverlässigkeit. Sie findet breite Anwendung in Radar, Echtzeit-Bildverarbeitung, IP-Videotelefonie, Bildüberwachung, Mustererkennung und weiteren Bereichen. Systemfunktionsblockdiagramm: I. Hardware 1. Hochgeschwindigkeits-DSP-Kernprozessorplatine (1) Der ausgewählte DSP ist der weltweit schnellste DSP von TI – der TMS320C64xx. Je nach Anwendung stehen folgende Optionen zur Verfügung: TMS320C6416/15/14GLZ: Die Arbeitsfrequenz kann 750, 600 oder 500 MHz erreichen, die Taktfrequenz 4000, 4800 oder 5760 MIPS. (2) Speicherressourcen: On-Chip: - 128 K-Bit (16 K-Byte) L1P-Programmcache - 128 K-Bit (16 K-Byte) L1D-Datencache - 8 M-Bit (1024 K-Byte) L2-Globalspeicher On-Board-EMIFs-Erweiterung: - EMIFA (64 Bit): 256 M-Bit/32 M-Byte SDRAM - EMIFB (16 Bit): 256 M-Bit/32 M-Byte SDRAM - Flash-Speichererweiterung: 16 M-Bit/2 M-Byte oder 32 Mbit/4 Mbyte optional (3) 64 unabhängige, erweiterte DMA-Kanäle (4) Eine Host-Kommunikationsschnittstelle (HPI) (Busbreite vom Benutzer auf 32 oder 16 Bit konfigurierbar). Je nach Projektanforderungen stehen folgende Erweiterungsplatinen zur Auswahl: - ARM Embedded System Board (CY-ARM4510B): Erweiterbar auf 10Base-T- oder 10/100Base-T-Ethernet-Schnittstelle (optional), IDE-Festplatte oder CF-Karte (optional), RS-232-Schnittstelle, RS-485-Schnittstelle, LCD-Display, Tastatur usw. - PCI Interface Board (CY-PCI2.2): 32 Bit/33 MHz, 3,3 V PCI Master/Slave-Schnittstelle gemäß PCI-Spezifikation 2.2 (für 6415, 6416 DSP), serielles 4-Draht-EEPROM. (5) Drei McBSP-Schnittstellen (mehrkanalige gepufferte serielle Schnittstellen) (6) Drei 32-Bit-Timer (7) Eine RS-232-Schnittstelle (8) Drei analoge Bildeingangsschnittstellen: Unterstützung für NTSC/PAL/SECAM-Composite-Videoeingang mit einem exzellenten adaptiven Drei-Zeilen-Kammfilter, der die Artefakte herkömmlicher Kammfilter beseitigt und eine Vollbild-Videoauflösung gewährleistet. Der flexible Pixelanschluss unterstützt sowohl digitale Videoeingänge als auch gängige Bildcontroller-Schnittstellen wie VIP, VMI und ByteStream. 2. ARM Embedded System Erweiterungskarte (CY-ARM4510B) Hardware-Ressourcen: - 8 MB SDRAM - 16 MB Flash-Speicher - 10Base-T- oder 10/100Base-T-Ethernet-Schnittstelle (optional) - IDE-Festplatte oder CF-Karte (optional) - RS-232-Schnittstelle - RS-485-Schnittstelle - Erweiterbares LCD-Display, Tastatur usw. 3. PCI-Schnittstellenkarte (CY-PCI2.2) - PCI-Schnittstelle: 32 Bit/33 MHz, 3,3 V PCI Master/Slave-Schnittstelle gemäß PCI-Spezifikation 2.2 (für 6415, 6416 DSP) - Serielles 4-Draht-EEPROM - Die PCI-Schnittstellenkarte kann je nach Benutzerbedarf ausgewählt werden. Hardware-Testsoftware, Betriebssystem und Algorithmen 1. Hardware-Testsoftware: Die Testsoftware umfasst: Quellcode für Testprogramme aller Ressourcen auf der Platine, wie z. B. SDRAM, Flash-Speicher, RTC, I²C usw. 2. Betriebssystem und Schnittstellentreiber: - Betriebssystem: uCLinxu 2.4 (Quellcode wird bereitgestellt) - Treiber für verschiedene Schnittstellen auf der Platine (Quellcode wird bereitgestellt) - Treiber für die Kommunikation mit dem DSP 3. DSP-BIOS und API-Schnittstellen: Die Platine bietet Funktionsbibliotheken für den DSP-Chip, ein BIOS für verschiedene Ressourcen auf der Platine und eine Programmierschnittstelle (API) für die Bildverarbeitung sowie ein Software Development Kit (SDK) zur Unterstützung der Weiterentwicklung durch Benutzer. 4. Anwendungsalgorithmen: - JPEG - MPEG2 - MPEG4 - H.263 - H.264. Typische Anwendung 4: Sprachsignalverarbeitungssystem. Das Funktionsblockdiagramm ist wie folgt: Spezifische Ressourcen umfassen Folgendes: 1. DSP: Kompatibel mit den Serien TMS320C54XX und TMS320C54XX(A) von TI, einschließlich 5402, 5409, 5416, 5402A, 5409A, 5410A usw. Der DSP kann mit maximal 160 MHz betrieben werden. 2. Erweiterter Programmspeicher: 256 KB - 16-Bit-SRAM, extern konfiguriert, volle Geschwindigkeit (keine Wartezeit). 3. Erweiterter Datenspeicher: 256 KB - 16-Bit-SRAM, extern konfiguriert, volle Geschwindigkeit. 4. Erweiterter Flash-Speicher: 512 KB (16 Bit), erweiterbar auf 1 MB (16 Bit); extern für den DSP konfiguriert, Lese-/Schreibzyklus 70 ns. 5. Erweiterte synchrone serielle Schnittstellen: Zwei erweiterte synchrone serielle Schnittstellen, MCBSP0 + MCBSP1/MCBSP2. 6. Erweiterte Ein-/Ausgabe: 16-Bit-GPIO (General Purpose I/O), bitweise als Ein- oder Ausgang konfigurierbar, Spannungskompatibilität mit 5 V und 3,3 V. 7. JTAG-Schnittstelle: Konform mit dem IEEE-1149.1-Standard, unterstützt TI Code Composer Studio (CCS); Softwareentwicklung in Assembler oder C möglich. 8. Watchdog-Timer: Hardware-Watchdog-Timer, der die Anpassung des Systems an komplexe Betriebsumgebungen ermöglicht. 9. Stromversorgung: Einzelne Stromversorgung (+5 V), Stromstärke < 500 mA. Die Stromversorgung kann über die USB-Schnittstelle oder ein externes Netzteil erfolgen; zwischen beiden kann flexibel umgeschaltet werden. 10. Signalquelle, Netzteil, Lautsprecher, Experimentierkasten. II. Software-Zusammensetzung: Da die Hauptnutzer dieses Systems derzeit Universitäten sind, wurden die folgenden Experimente für dieses experimentelle System entwickelt, und eine Reihe von DSP-Anwendungsexperimenten wird in Zukunft entwickelt. 1. Experiment zu grundlegenden mathematischen Operationen 2. Experiment zur Datenerfassung 3. Experiment zum Abtasttheorem 4. Experiment zur Signalgenerierung 5. Experiment zum IIR-Filter 6. Experiment zur FFT-Transformation 7. Experiment zum FIR-Filter 8. Experiment zum adaptiven Filter 9. Experiment zur Sprachverarbeitung Typische Anwendung Fünf: Fingerabdruckerkennung Die DSP-Anwendung in der Fingerabdruckerkennung hat sich zu einem neuen Technologiefeld und einer eigenständigen Disziplin entwickelt und bildet heute eine vielversprechende Branche und einen vielversprechenden Markt. Die Verwendung biometrischer Authentifizierungstechnologie zum Ersatz traditioneller Methoden wie Schlüssel, Ausweise und Passwörter zur Personenidentifizierung kann in der Zutrittskontrolle in Banken, Flughäfen, der öffentlichen Sicherheit und anderen Bereichen weit verbreitet eingesetzt werden. Biometrische Authentifizierungstechnologien, die Informationstechnologie und Biotechnologie vereinen, zählen zu den vielversprechendsten Technologien dieses Jahrhunderts, insbesondere die Fingerabdruckerkennung. Die Fingerabdruckverarbeitung lässt sich in drei Phasen unterteilen: die Erfassung des Originalbildes und dessen Vorverarbeitung, die Extraktion von Fingerabdruckmerkmalen sowie die Analyse und Beurteilung des Fingerabdrucks. Die Vorverarbeitung des Fingerabdruckbildes ist dabei von entscheidender Bedeutung, da ihre Qualität die beiden nachfolgenden Phasen direkt beeinflusst. Dank des 10-ns-Befehlszyklus des digitalen Signalprozessors (DSP) ist es möglich, das Fingerabdruckbild in Echtzeit primär und sekundär mittels verbesserter Extremwertfilterung und verbesserter Faltungskernfilterung zu glätten. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass diese Methode Impuls- und Zufallsrauschen in Fingerabdruckbildern effektiv kompensieren kann. Die iterative Binarisierung nutzt die fünfstufige Pipeline des DSP optimal aus und erfüllt somit das Anwendungsziel der DSP-basierten Fingerabdruckbildvorverarbeitung. Dieser Artikel präsentiert den Vorverarbeitungsalgorithmus und die Programmimplementierung eines Fingerabdruckerkennungssystems, das auf dem Hochgeschwindigkeits-DSP-Chip TMS320VC5402 von TI basiert. Die für die Algorithmenimplementierung verwendete DSP-IDE ist CCS 2.2. Durch die Vorverarbeitung des Fingerabdruckbildes mittels Extremwertfilterung, Glättungsfilterung, Laplacian-Schärfung und Binarisierung wurden gute experimentelle Ergebnisse erzielt. Systemblockdiagramm: Implementierung des Erkennungsalgorithmus auf dem DSP: Der Programmentwurf verwendet gemischte Programmiersprachen. C dient der Entwicklung von Modulen mit minimalen Auswirkungen auf die Laufzeit, während Assemblersprache für den Kernalgorithmus mit seinen strengen Echtzeitanforderungen verwendet wird. Um die DSP-Ressourcen optimal zu nutzen, sollten beim Programmentwurf folgende Aspekte berücksichtigt werden: 1. Der VC5402-Befehlssatz bietet einige Schleifenbefehle ohne Overhead, wie z. B. RPT und RPTB. Zur weiteren Effizienzsteigerung sollten Hilfsregister und Akkumulatoren bei der Ausführung von Schleifenbefehlen vollständig genutzt werden. Arrays sollten möglichst indirekt über Register adressiert und Zwischenvariablen im Akkumulator gespeichert werden, um den Speicheraufwand zu minimieren. 2. Der VC5402 verwendet eine Pipeline-Architektur, die es mehreren Befehlen ermöglicht, gleichzeitig auf CPU-Ressourcen zuzugreifen und so die Systemausführungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Wenn jedoch mehrere Stufen der Pipeline gleichzeitig auf eine CPU-Ressource zugreifen, treten Pipeline-Konflikte auf. Dieses Problem muss daher durch eine sinnvolle Anpassung der Codereihenfolge im Assemblerprogramm oder durch Hinzufügen geeigneter NOP-Befehle behoben werden. 3. Der Erkennungsalgorithmus beinhaltet Faltungs- und Multiplikations-Akkumulations-Operationen, die mithilfe von Schleifenadressierung und Multiplikations-Akkumulations-Befehlen implementiert werden können. Zusätzlich bietet der VC5402 verzögerte Transfer-, Aufruf- und Rücksprungbefehle. Diese Befehle benötigen zwei Zyklen weniger als ihre entsprechenden nicht verzögerten Befehle. Beachten Sie, dass manchmal nach einem verzögerten Befehl ein NOP-Befehl eingefügt werden muss, um die korrekte Ausführungsreihenfolge sicherzustellen. 4. Bei der Arbeit mit digitalen Signalverarbeitungsalgorithmen sollten möglichst Funktionen aus der DSPLIB-Bibliothek verwendet werden, da diese in Assemblersprache geschrieben und hochoptimiert sind. Darüber hinaus sollten in C-Programmen möglichst Inline-Funktionen verwendet werden, um die Codeintegration zu verbessern. Aufgrund der Verwendung gemischter Programmiermethoden müssen Funktionsaufrufregeln und Registerverwendungskonventionen beim Programmentwurf strikt eingehalten werden. Oben wurden typische DSP-Anwendungen vorgestellt. Zur Implementierung dieser Anwendungen ist eine entsprechende Softwareentwicklungsumgebung erforderlich. Die Einrichtung einer Entwicklungsumgebung ist für die Projektentwicklung von entscheidender Bedeutung. Zu den Entwicklungswerkzeugen gehören hauptsächlich Simulatoren, CCS, Evaluierungsboards usw. Bei der Auswahl von Entwicklungswerkzeugen sollten Anwender auf die ausgereiftesten zurückgreifen. Beijing Hurricane Digital Systems Co., Ltd. ist derzeit der zuverlässigste Anbieter von Simulationswerkzeugen in China, darunter die Simulationsentwicklungswerkzeuge der Serien XDS510H und XDS560. Das Echtzeit-Emulationssystem CY-XDS560USB unterstützt die Chipserien C2000, F2400, C27X, F28X, C54X, C55X, C6000, C64X, TMS470 und OMAP von TI. Es zeichnet sich durch stabile Leistung, hohe Simulationsgeschwindigkeit und vollständige Konformität mit den technischen Standards für Echtzeit-Emulatoren von TI aus. With the significant growth in demand for digital consumer products in China and the increasing high-speed computation and synchronous processing capabilities of DSPs, the application areas of DSPs will gradually expand from mobile phones to new digital consumer products, thus spanning the entire 3C (computer, communication, and consumer electronics) field, and the distribution will become increasingly balanced. In digital consumer products, DSP chips are mainly engaged in image signal processing such as image compression and transmission, voice signal processing such as encoding, synthesis, recognition, and high-fidelity speech, and communication signal processing such as modulation and demodulation, encryption, multiplexing, spread spectrum, and error correction coding. Currently, the DSP market is in a stage of rapid growth. Driven by digitalization, personalization, and networking, the global DSP market exceeded US$3.2 billion in 1997, with a projected annual growth rate of 40%. At this rate, the global DSP market was expected to surpass US$50 billion by 2007. In the global DSP product market, TI (Texas Instruments) held a dominant position with a 45% market share, followed by Lucent (28%), Analog Devices (12%), Motorola (12%), and other companies (3%). DSP applications have enormous market potential. In the US market alone, it is estimated that 100 million cars, tens of millions of personal communication devices, 5-20 networked home appliances per household, and millions of factories will use DSP systems in the 21st century. China has become the largest market for DSP chips, with the booming sales of digital cameras, IP phones, and handheld electronic devices creating huge demand for DSP chips. Currently, the domestic DSP market is in a period of fierce competition among seven major players. Among them, Hurricane Digital Systems (Beijing) Co., Ltd., as TI's third-party partner in the Asia-Pacific region, has been committed to the research, application and product development of digital signal processing technology for many years and has a leading position in the industry in China. (1) System-integrated DSP is the trend. Reducing the size of DSP chips has always been the technological development direction of DSP. Most current DSPs are based on RISC (Reduced Instruction Set Computing) structure. The advantages of this structure are small size, low power consumption and high performance. Various DSP manufacturers have adopted new processes, improved DSP cores, and integrated several DSP cores, MPU cores, dedicated processing units, peripheral circuit units and storage units into one chip, which has become DSP system-integrated circuits. TI's TMS320C80 represents the highest level in the DSP field today. It integrates 4 DSPs, 1 RISC processor, 1 transmission controller and 2 video controllers on one chip. Such chips are usually called MVP (Multimedia Video Processor). It can support various image specifications and various algorithms and has a very strong function. (2) Programmable DSP is the dominant product. Programmable DSP provides manufacturers with great flexibility. Manufacturers can develop various series of products of different models on the same DSP platform to meet the needs of different users. At the same time, programmable DSPs also provide a good way for users to upgrade easily. It has been found that many things that microcontrollers can do can be done better and cheaper using programmable DSPs. For example, refrigerators and washing machines, which were originally equipped with microcontrollers, have now been replaced with programmable DSPs for high-power motor control. According to statistics, last year's sales of programmable DSPs accounted for 40% of the entire DSP market, and it is expected that the proportion will increase year by year in the future, and by 2001 it is expected to account for half of the total sales of DSPs. (3) Pursuing higher computing speed The current general DSP computing speed is 100 MIPS, that is, it can process 100 million instructions per second. But it is still not fast enough. Due to the trend of personalization and customization of electronic devices, DSPs must pursue higher and faster computing speeds in order to keep up with the pace of electronic device updates. The improvement of DSP computing speed mainly relies on new processes to improve chip structure. Currently, TI's TM320C6X chip, due to its VLIW (Very Long Instruction Word) architecture design, has achieved a processing speed of up to 2000 MIPS, and is scheduled for mass production in the middle of this year. This is the highest speed to date. Most current DSP devices use 0.5μm-0.35μm CMOS technology. According to the development trend of CMOS, it is entirely possible for the DSP's processing speed to increase by another 100 times (reaching 1600 GIPS). (4) Fixed-point DSP is the mainstream. Theoretically speaking, although the dynamic range of floating-point DSP is larger than that of fixed-point DSP and is more suitable for DSP applications, fixed-point DSP devices have lower costs, lower memory requirements, and lower power consumption. Therefore, fixed-point programmable DSP devices are still the mainstream products on the market. According to statistics, more than 80% of the DSP devices currently sold are 16-bit fixed-point programmable DSP devices, and the proportion is expected to gradually increase in the future. Author's Affiliation: Hurricane Digital Systems (Beijing) Co., Ltd. Address: Room 5103, Garden Business Center, No. 30, Garden East Road, Haidian District, Beijing 100083, China Email: [email protected]