基于DSP磁存儲設備抗沖擊技術控制系統(tǒng)設計方案

1 引 言

對數據存儲業(yè)來說，磁盤驅動器生產商通過增加磁道密度(以每英寸的磁道數為單位)和磁盤轉速(以每分鐘轉數為單位)來擴大計算機硬盤驅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，即磁盤驅動器業(yè)內所說的誤定位，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，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，將電磁主動控制技術用于計算機外部設備(微型盤)的振動沖擊外加固，并且構建了以DSP為硬件平臺的數字主動控制系統(tǒng)。

2 數字控制系統(tǒng)的硬件設計

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技術取得了迅猛的發(fā)展。目前DSP芯片市場中，主要由TI，ADI，ATT和Motorola公司占據。本文綜合實際要求，采用一款由TI公司生產的新型16位定點DSP芯片：TMS320F243，他集成了A／D，PWM調制等幾種先進外設，特別適于對電機的數字化控制。

2．1 控制系統(tǒng)原理

數字信號處理器(DSP)具有實時信號處理能力和強大的運算功能。該系統(tǒng)的工作原理是基礎加速度傳感器拾取基礎振動沖擊加速度信號，然后送人前置放大器，由DSP將電荷放大器輸出信號經A／D采樣后，完成對信號的一次積分(轉換為速度信號)和二次積分(轉換為位移信號)運算，將兩次積分結果做求和運算，再將結果經D／A轉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)行機構上，執(zhí)行機構會產生相應的作動力來抵消來自基礎的振動和沖擊。由于DSP片內集成了10b的A／D，所以可直接將模擬信號與DSP相接，圖1是整個數字控制系統(tǒng)的原理框圖。

2．2 DAC接口與外部存儲器擴展

系統(tǒng)中的D／A器件選用了URR-BROWN公司的DAC761l。由于DSP內部10bA／的電壓輸入范圍為0-5V，輸入信號經A／D轉換后由數值0-1 023(十進制數)來分別對應0～5V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0～4．095V，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)生在每一位數據的傳送過程中。TMS320F243的SPI(串行外設接口)是一個高速、同步串行I／O口，他可以設置每次產生的串行數據流的位數(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發(fā)送數據，或在SPICLK信號上升沿后接收數據。這恰好符合DAC7611時鐘信號的要求。

由于DSP片內資源有限，設計中在片外擴展了用于存放數據的RAMCY71021，其讀寫時間為12ns，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的串行外設接口向D／A傳送數據時，系統(tǒng)還采用光耦器件將數、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 數字控制系統(tǒng)的軟件設計

3．1 控制算法

經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：

系統(tǒng)的傳感檢測方程：

其中：u為基礎振動加速度：

c1，k1分別為與基礎振動相關的二次積分和一次積分系數。

設u為u的電荷放大信號，根據控制要求，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果進行修正，實現數字系統(tǒng)的控制。將上式離散化則生成：

顯然這需要2次積分運算，其運算過程如下：

其中：m1(n)，m2(n)分別是一、二次積分運算的均值。

3．2 系統(tǒng)軟件設計與實現

系統(tǒng)頭文件(擴展名為．h)的主要功能就是將DSP內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、外各程序段、中斷矢量表的定義等；在PAGEl頁(數據空間)他定義了各數據模塊的起始地址和空間長度，如對各種參數片內、外數據區(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，所以在軟件設計中需要對他們的工作模式進行配置。對于片內ADC的工作模式：首先應該確定ADC的啟動模式，然后使ADC達到10kHz的采樣率。為了保證準確的采樣率，通過DSP內部計數器計數產生中斷作為ADC的啟動方式。由于TMS320F243的機器指令周期為50ns，所以在兩次采樣時間間隔內至多可以運行約2 000個指令周期，否則就不能完成實時運算。對于SPI模塊：首先設定其通信方式為主模式，使數據按時序從SPISIMO管腳移出；然后設定每次傳輸串行數據的位數、時鐘信號方式、傳輸速率等。由于DSP片外D／A器件為12b，而DSP的數據總線位16b，所以必須將最后的運算結果進行相應調整后再由SPI送出。
另外，DSP內部的A／D由數值0～1 023(十進制數)來分別對應0～5V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 語

采用DSP直接實現機電控制是近年才發(fā)展起來的一項技術，他比傳統(tǒng)控制方法具有鮮明優(yōu)點。實驗表明，以DSP為核心的數字控制系統(tǒng)可以實現實時控制，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，并易于實現復雜模型的控制。