浅談DSP技術的前生今世
在数據存储業的发展(zhan)過(guo)程中，磁盘驅動器生產商通過增加磁道密度（以每英(ying)寸的(de)磁道数為單位）和(he)磁盘轉速（以每分鐘轉数為單位）來擴大計算機硬(ying)盘驅動器的容(rong)量和改善其性能。 随着磁密度(du)的增加，兩(liang)相鄰磁道間的距离(li)變小了。因此，所(suo)允許的讀(du)／寫头和(he)磁道的偏离误差，即磁盘驅動器業内所(suo)說的误定位(wei)，也(ye)相應的降低了，这樣硬盘很容易受到伤(shang)害(hai)。硬盘驅(qu)動器的工作原理決定(ding)其必须使用抗恶劣環境加固技術，其中加固方法主要针(zhen)對(dui)機械物理環境和氣候環境實施。 在各類(lei)機械物(wu)理環境中，對磁盘存储設備最為恶劣的工作(zuo)環境是振動、冲(chong)擊環境。这類環境會直接影響硬盘(pan)的讀寫精度和使用寿命。為了解決(jue)这一核心問(wen)題，本文采用(yong)了外加固主(zhu)動控製理论與技術，將電磁主動(dong)控製技術用於計算機外部設備(bei)（微型盘）的(de)振動冲擊外加固。通過建立系統(tong)化的控製方案(an)，構建了以DSP為(wei)硬件平(ping)臺的数字主動控製系統，该系統能够實時监測和抑製外部振動冲擊對存储設(she)備的影響(xiang)，進而提升硬盘在恶劣(lie)工作環境下的稳定性和(he)可靠性。
2 数字控製系(xi)統的硬件設計
自1982年TI即(ji)美國德州儀器公司率先推出通用(yong)可编程DSP芯片以來，数字信號處理技術在全球(qiu)範围内获得了迅猛的(de)发展，在通信、音(yin)頻、圖(tu)像處理(li)
2．1 控製系統原理
数字信號處(chu)理器(qi)(DSP)在現代振動控製系統中发(fa)挥着關键作用(yong)，其具有實時(shi)信號處理能力和強大的(de)運算功能。该(gai)系統的工作原(yuan)理是基礎加速度傳感器首先拾取基礎振動冲擊加速度信號，随(sui)后將采集到的原(yuan)始信號送入前置放大器進行初步處理。由DSP將電荷放大器輸出(chu)的模擬信號經過(guo)A/D采樣(yang)轉(zhuan)换，完成對信號的一次积(ji)分運算以轉换為速度(du)信號，随后進行二次积分運算(suan)以(yi)轉换為位移信號。系統將兩次积分的結果進行求和運(yun)算，再將最終計算(suan)結果經過D/A轉(zhuan)换后輸入到功率(lv)放大器。功率放大器的輸出信號以控製電壓的形(xing)式加(jia)在執行機構上，執行(xing)機構随即產生相應的作動力來(lai)有效抵消來自基礎的振動和冲擊，實現(xian)對結構振動的實(shi)時补偿控製。由於DSP片内集成了10b的A/D轉(zhuan)换器，使得系統可以直接將模擬信號(hao)與DSP相(xiang)接，无(wu)需额外的信號轉换(huan)環節，簡化了系統硬件(jian)設計的复(fu)雜度。
2．2 DAC接口與外部存储器擴展
系統中的D/A轉换器件采用了(le)URR-BROWN公司(si)的DAC7611芯片。在该(gai)系(xi)統架構中，DSP内部集成的10位A/D轉换模块具有0-5V的電壓輸入範(fan)围，輸入信號經過A/D轉换后由数值0-1023（十進製数）來分(fen)別對應0～5V的(de)電壓信號。这種(zhong)設計方案使(shi)得DSP的輸入信號已(yi)不是正负對称信號(hao)，呈(cheng)現出單極性(xing)的信號特征。同時，系(xi)統中DAC7611的(de)輸出範(fan)围為0～4.095V，屬於典型的單極性輸出特性。而系統后級中(zhong)功放的(de)輸入應是零均值的交流信號，因此存在信號匹配(pei)的問題。
在数(shu)模轉换芯片與微控製器的接口(kou)設計中，DAC7611對(dui)於時鐘(zhong)信號的要求非常嚴格。它要求其時(shi)鐘信號的上升沿发生在每(mei)一位数據的傳送過程中，这(zhe)對接口電路的時序协調提出了挑战(zhan)。TMS320F243微(wei)控製器内集成(cheng)的SPI（串行外設接口）是(shi)一個高速、同步串行I／O口，具(ju)備灵活的配置能(neng)力。该接口可以設置每次產生的串行数據流的位数(shu)範围在(zai)1～16位之間，並(bing)且對於(yu)位傳輸速度也可以编程控製，满(man)足不同應用場景(jing)的傳輸需求。 SPI的時鐘輸出信號(hao)線SPICLK能够提(ti)供4種類型的(de)時鐘信號，以適應多種外围芯(xin)片的時序要求。其中有一種带延時的上升(sheng)沿時鐘尤為重要(yao)，它(ta)可使SPI在上升沿之前的(de)半個周期内发送数據，或在SPICLK信號上升沿后接收数據，从而實現灵活的(de)数(shu)據交换時序。
在嵌入式系統的實际工程應用中，由於DSP片内资源有限的(de)先天約束，設計中在片外擴展了用(yong)於存放数據的RAMCY71021芯片，其讀(du)寫時間為12ns，與DSP的運行速度完全(quan)匹配，能够满足(zu)實時数據處理需求。该芯(xin)片具備智能功(gong)耗管理特性，在未被操(cao)作時會自動采用低(di)功耗工作方式，有效降低系統整體功耗(hao)。
由於系(xi)統加電后，程序首先是从片内的FLASH程序ROM開始執行的，所以在進行嵌入式系統的(de)初始化設計阶段，一定要(yao)把引脚MP/MC接成微(wei)處理器方(fang)式，以確保CPU
3 数字控製系統的软件設計
3．1 控製算法
經過深入(ru)研究和大量的分(fen)析、計(ji)算，得出(chu)该系統的機電動力學模型如(ru)下：
系統的傳感檢測方程：
其中：u為基(ji)礎振動加速度：
c1，k1分別為與基礎振動相關的二次积分和一(yi)次积分(fen)系数。
設u為u的電荷放大信號(hao)，根據控製要求，该(gai)系統主要利用DSP完成以下運算：
並采(cai)用均值补偿法對(dui)积分結果進行修正，實現(xian)数字(zi)系統的控製。將上式离散化則生成：
顯然这需要(yao)2次积分運算，其運算過程如下：
其中：m1（n），m2（n）分別(bie)是一、二次积分運算的均值。
3．2 系統软件設計與實現
在DSP嵌入式系統開发中，系統头文件(jian)（擴展名為(wei).h）的(de)核心功能在(zai)於建立DSP内部各個特殊功能寄(ji)存器的名称與其默認地址之間的對應關系(xi)。匯编语言程序(xu)在執行過程中，DSP指针會(hui)根據头文件中预定義的映射直接按照寄存器名称(cheng)访問相應的地址位置，这種機製確保了硬件资(zi)源(yuan)的準確調用。 命令文件（擴展名為(wei).cmd）作為DSP的资源配置文件，在系統初(chu)始化和運行阶段扮演着關键(jian)的角色。在PAGE0頁對應的程序空間中(zhong)，命令文件定義了各個程序模(mo)块的起始(shi)地址和分配的空間长度，同時規定了片内、外各程序段的具體位置(zhi)以及中断矢(shi)量表的详細定義，為程序執行提供了明確的内存布(bu)局。在PAGE1頁(ye)對應的数據空間中，則定義了各数據模(mo)块的起始地址和可用空(kong)間长度，包(bao)括對各種參数(shu)、片内外数據區的定義(yi)，使(shi)得数據存储(chu)和访問井然有序。
在嵌入式(shi)實時控製系統的软(ruan)件設計阶段，由於该系統主要是通過DSP的ADC模块(kuai)和(he)SPI模块與其外围器件(jian)進行数據交互和通信，所以在软件架(jia)構設計中需(xu)要對这兩個核心功能模块的工作模式進行详細配置。 對於(yu)片内ADC的工作(zuo)模式配置：首(shou)先應该確(que)定ADC的启(qi)動模式選擇，其次通過(guo)合理的參数設置使(shi)ADC達(da)到10kHz的(de)采樣(yang)率要求。為(wei)了保證系統采樣数據的準確性(xing)和時序的稳定性，通過DSP内部計数器計数(shu)產生中断信號作為ADC的(de)启動(dong)触发方式。基(ji)於(yu)TMS320F243處理器的機器指(zhi)令周期為50ns的特點(dian)，在(zai)兩(liang)次采樣時間間隔内至多可以運行約2000個指(zhi)令周期(qi)，否(fou)則系統就不能完(wan)成實時運算任務，从而影響整個控(kong)製闭環的響應(ying)效果。 對於SPI模(mo)块的配置：首先(xian)設(she)定其通信方式為主模式，確保数據按照嚴格的時(shi)序从SPISIMO管脚(jiao)移出。其次需要設定每次傳輸串行(xing)数據的位数(shu)、時鐘信(xin)號方式、傳輸(shu)速率等關键參数。考虑到系統中DSP片(pian)外D/A器件采用12bit的分(fen)辨率，而DSP的内部数據总線位(wei)宽為16bit，兩者存在位宽(kuan)不(bu)匹配的情况，所以必须將最(zui)后的運算結果進行相應的数據(ju)對齊調整后，才(cai)能由(you)SPI接口送出到外(wai)部器件(jian)。
在DSP内部的模数轉换過程中(zhong)，A/D轉换器采用(yong)数值0～1023（十進製数）的量化範围來分別(bie)對應輸入(ru)端0～5V的模擬電壓信號。因此，当輸入信號處於零均值(zhi)點時，應当(dang)由(you)数值511來精確表示(shi)，这一關键參数在進行(xing)均值补(bu)偿計算時需要格外注意。
4 結 语
采用(yong)DSP直接實現機電控製是近年來在工業自動化领域发(fa)展起(qi)來的一項關键技術。相比傳統的模擬控製方法(fa)和早期的單(dan)片機控製方式，DSP芯片(pian)具有明顯的技術優勢(shi)。大量(liang)實(shi)驗研究表明，以DSP為核心(xin)構建的数字控製系統能够實現真(zhen)正的實時控製需求，在低頻(pin)段的相位误差表現非常(chang)小，同時兼顧较高(gao)頻(pin)段的性能指標，使其適用範围相(xiang)当廣泛。
