基于DSP的磁存儲設(shè)備抗沖擊技術(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計

1　引　言
　　對數(shù)據(jù)存儲業(yè)來說，磁盤驅(qū)動器生產(chǎn)商通過增加磁道密度（以每英寸的磁道數(shù)為單位）和磁盤轉(zhuǎn)速（以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單位）來擴大計算機硬盤驅(qū)動器的容量和改善其性能。隨著磁密度的增加，兩相鄰磁道間的距離變小了。因此，所允許的讀／寫頭和磁道的偏離誤差，即磁盤驅(qū)動器業(yè)內(nèi)所說的誤定位，也相應的降低了，這樣硬盤很容易受到傷害。他的工作原理決定其必須使用抗惡劣環(huán)境加固技術(shù)，而且主要針對機械物理環(huán)境和氣候環(huán)境實施加固。對磁盤存儲設(shè)備來說，機械物理環(huán)境中最為惡劣的是振動、沖擊環(huán)境。本文采用了外加固主動控制理論與技術(shù)，將電磁主動控制技術(shù)用于計算機外部設(shè)備（微型盤）的振動沖擊外加固，并且構(gòu)建了以DSP 為硬件平臺的數(shù)字主動控制系統(tǒng)^［1］。

2　數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
從1982年TI（美國德州儀器公司）推出通用可編 程DSP芯片以來，DSP技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展。目前DSP芯片市場中，主要由TI，ADI，AT＆T和Motorola公司占據(jù)。本文綜合實際要求，采用一款由TI公司生產(chǎn)的新型16位定點DSP芯片：TMS320F243^［2］，他集成了A／D，PWM調(diào)制等幾種先進外設(shè)，特別適于對電機的數(shù)字化控制。

2．1　控制系統(tǒng)原理
　　數(shù)字信號處理器（DSP）具有實時信號處理能力和強大的運算功能。該系統(tǒng)的工作原理是基礎(chǔ)加速度傳感器拾取基礎(chǔ)振動沖擊加速度信號，然后送入前置放大器，由DSP將電荷放大器輸出信號經(jīng)A／D采樣后，完成對信號的一次積分（轉(zhuǎn)換為速度信號）和二次積分（轉(zhuǎn)換為位移信號）運算，將兩次積分結(jié)果做求和運算，再將結(jié)果經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后輸入到功率放大器，最后將功率放大器輸出信號以控制電壓的形式加在執(zhí)行機構(gòu)上，執(zhí)行機構(gòu)會產(chǎn)生相應的作動力來抵消來自基礎(chǔ)的振動和沖擊。由于DSP片內(nèi)集成了10 b的A／D，所以可直接將模擬信號與DSP相接，圖1是整個數(shù)字控制系統(tǒng)的原理框圖。的DAC7611。由于DSP內(nèi)部10 b A／D的電壓輸入范圍為0～5 V，輸入信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后由數(shù)值0～1 023（十進制數(shù)）來分別對應0～5 V的電壓信號。所以DSP的輸入信號已不是正負對稱信號，并且系統(tǒng)中DAC7611的輸出范圍為0～4．095 V，而系統(tǒng)后級中功放的輸入應是零均值的，所以需要對DAC輸出信號利用運算放大器進行電平變換。

　　另外，DAC7611對于時鐘信號的要求非常嚴格。 他要求其時鐘信號的上升沿發(fā)生在每一位數(shù)據(jù)的傳送過程中。TMS320F243的SPI（串行外設(shè)接口）是一個高速、同步串行I／O口，他可以設(shè)置每次產(chǎn)生的串行數(shù)據(jù)流的位數(shù)（1～16位），并且對于位傳輸速度也可以編程控制。

　　SPI的時鐘輸出信號線SPICLK能夠提供4種類型的時鐘信號。其中有一種帶延時的上升沿時鐘，可使SPI在上升沿之前的半個周期內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，或在SPICLK信號上升沿后接收數(shù)據(jù)。這恰好符合DAC7611時鐘信號的要求。

　　由于DSP片內(nèi)資源有限，設(shè)計中在片外擴展了用于存放數(shù)據(jù)的RAMCY71021，其讀寫時間為12 ns，與DSP的速度匹配。并且該芯片在未被操作時會自動采用低功耗工作方式。在利用DSP的串行外設(shè)接口向D／A傳送數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)還采用光耦器件將數(shù)、模電路進行隔離。外圍接口電路如圖2所示。

由于系統(tǒng)加電后，程序首先是從片內(nèi)的FLSH程序ROM開始執(zhí)行的，所以一定要把引腳MP／MC接成微處理器方式。

3　數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
3．1　控制算法
　　經(jīng)過深入研究和大量的分析、計算，得出該系統(tǒng) 的機電動力學模型如下：

其中：為基礎(chǔ)振動加速度；c₁，k₁分別為與基礎(chǔ)振動相關(guān)的二次積分和一次積分系數(shù)。

設(shè)u為的電荷放大信號，根據(jù)控制要求，該系統(tǒng)主要利用DSP完成以下運算：

并采用均值補償法對積分結(jié)果進行修正，實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的控制。將上式離散化則生成：

其中：m₁（n），m₂（n）分別是一、二次積分運算的均值。

3．2　系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)
　　系統(tǒng)頭文件（擴展名為．h）的主要功能就是將DSP內(nèi)部的各個特殊功能寄存器的名稱與其默認地址相對應。在匯編語言的執(zhí)行過程中DSP指針會直接按寄存器名去訪問在頭文件中規(guī)定過的地址。命令文件（擴展名為．cmd）實際上是DSP的資源配置文件，在PAGE0頁（程序空間）他定義了各程序模塊的起始地址和空間長度，對片內(nèi)、外各程序段、中斷矢量表的定義等；在PAGE1頁（數(shù)據(jù)空間）他定義了各數(shù)據(jù)模塊的起始地址和空間長度，如對各種參數(shù)、片內(nèi)、外 66數(shù)據(jù)區(qū)的定義等。此外，應注意遵守DSP實際存儲器及存儲空間的約定。

　　由于該系統(tǒng)主要是通過DSP的ADC模塊和SPI模塊與其外圍器件通信，所以在軟件設(shè)計中需要對他們的工作模式進行配置^［1］。對于片內(nèi)ADC的工作模式：首先應該確定ADC的啟動模式，然后使ADC達到10 kHz的采樣率。為了保證準確的采樣率，通過DSP內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)產(chǎn)生中斷作為ADC的啟動方式。由于TMS320F243的機器指令周期為50 ns，所以在兩次采樣時間間隔內(nèi)至多可以運行約2 000個指令周期，否則就不能完成實時運算。對于SPI模塊：首先設(shè)定其通信方式為主模式，使數(shù)據(jù)按時序從SPISIMO管腳移出；然后設(shè)定每次傳輸串行數(shù)據(jù)的位數(shù)、時鐘信號方式、傳輸速率等。由于DSP片外D／A器件為12 b，而DSP的數(shù)據(jù)總線位16 b，所以必須將最后的運算結(jié)果進行相應調(diào)整后再由SPI送出。

　　另外，DSP內(nèi)部的A／D由數(shù)值0～1 023（十進制數(shù)）來分別對應0～5 V的輸入電壓信號，所以應由值511來表示零均值點，這一點在均值補償時要特別注意。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

4　結(jié)　語
　　采用DSP直接實現(xiàn)機電控制是近年才發(fā)展起來的一項技術(shù)，他比傳統(tǒng)控制方法具有鮮明優(yōu)點。實驗表明，以DSP為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時控制，而且低頻段的相位誤差非常小，同時又可以兼顧較高頻段，適用范圍大。此外，他穩(wěn)定性好、精度高，并易于實現(xiàn)復雜模型的控制。

參考文獻
［1］　劉和平，等．TMS320F240X結(jié)構(gòu)、原理及應用［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2002．
［2］　TMS320LF／LC240XDSPcontrollers reference guide system and peripherals．TI．2001．
［3］　樊來耀．TMS320C25，C30數(shù)字信號處理［M］．西安：西安電子科技大學出版社，1997．