基于DSP28335的飛控計算機DAC擴展電路設計

李 勇 ， 羅秋鳳 ， 葉 慧 ， 高 振

（1.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學 無人機研究院，江蘇 南京 210016）

模擬量控制和PWM控制是當前無人機舵機控制系統(tǒng)最常用的兩種控制方式。其中模擬量控制作為一種傳統(tǒng)控制方式，至今仍被廣泛應用，絕大多數(shù)的飛行控制計算機都提供模擬量輸出通道，因此，D/A轉(zhuǎn)換模塊是飛行控制計算機中必備的功能模塊之一。DSP28335片上沒有DAC模塊，所以必須使用片外擴展。

DAC模塊設計涉及D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇、參考電壓源的配置、數(shù)字輸入碼與模擬輸出電壓的極性等問題，而其中最核心的問題是D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇與應用問題，主要需要考慮的技術指標有分辨率和建立時間等[1]。本文選用BURRBROWM公司的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC7725N實現(xiàn)此功能。DAC7725是一款高輸出電壓和低功耗的D/A轉(zhuǎn)換器件，產(chǎn)品功耗低（最多 250 mW）、建立時間快（10μs）、線性度和單調(diào)性為12 bit，接收12位并行輸入數(shù)據(jù)，采用雙緩沖輸入邏輯，提供數(shù)據(jù)回讀模式。DAC的低功耗，小體積使DAC7725特別適合于閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。

1 總體設計方案

本系統(tǒng)采用TI公司的高性能數(shù)字信號處理器TMS320F28335[2]（DSP28335）作為中央處理單元。該款 DSP芯片提供高性能并行外設擴展接口XINTF，對外提供具有標準時序的片選、讀/寫控制信號；同時提供32位數(shù)據(jù)總線、20位地址總線，并且提供3個獨立的片選信號，擴展能力強，使用方便。

因為單片DAC7725N提供4通道模擬量輸出，本系統(tǒng)使用兩片DAC7725N擴展得到8路模擬量輸出通道。DSP將代表舵面位置的數(shù)字量通過并行數(shù)據(jù)接口送至DAC7725N，DAC7725N將其轉(zhuǎn)換成相應的模擬電平信號后送至舵控電路，從而完成本次舵面刷新操作。結構圖如圖1所示。

圖1 無人機飛行控制計算機舵機控制流程Fig.1 Servo control process of UAV flight control computer

2 DAC轉(zhuǎn)換精密基準電路設計

基準電路具有穩(wěn)定性好，對系統(tǒng)的操作環(huán)境（如電源電壓、工作溫度、輸出負載）變化不敏感的特點，可以為其它電路模塊提供較為精確的參考點，因此它是模擬集成電路和數(shù)模混合電路中不可缺少的基本單元電路[3]。DAC7725N精密基準電路如圖2所示。

圖2 DAC7725N精密基準電路Fig.2 Precision reference circuit of DAC7725N

3 DSP與DAC7725N接口電路的設計

比較DSP的XINTF[4]接口與DAC7725N的并行端口可知，兩接口具有良好的兼容性，只需少量接口邏輯電路的配合即可建立起DSP與DAC7725N之間的通信連接。為提高邏輯電路設計的靈活性和可靠性，所有的邏輯電路全部使用1片CPLD[5-6]實現(xiàn)。DSP與DAC7725N接口電路如圖3所示。

圖3 DSP與DAC7725N接口電路原理圖Fig.3 diagram of interface circuit of DSP and DAC7725N

圖3給出了1片DAC7725N與DSP實現(xiàn)通信連接的電路原理圖。本系統(tǒng)共使用2片DAC7725N，另一片使用相同的接口電路，這里不再重復給出。

3.1 DAC7725N片選譯碼邏輯設計

1#DAC7725N芯片提供第1#～4#模擬量輸出通道，2#DAC7725N芯片提供第 5#～8#模擬量輸出通道，DSP要選通某一通道，首先要通過CPLD的片選譯碼邏輯選通提供該通道的DAC7725N芯片。本系統(tǒng)中采用部分譯碼的方式提供每個DAC7725N芯片的片選信號。邏輯電路如圖4所示。

圖4 模擬量輸出通道片選譯碼邏輯Fig.4 Chip select decode logic of analog output channel

地址分配情況如表1所示。

表1 模擬量輸出通道地址分配Tab.1 Address allocation of analog output channel

3.2 DAC7725N寫使能信號R/W的邏輯設計

DAC7725N使用R/W信號使能本次寫操作。寫操作是D/A轉(zhuǎn)換芯片的基本操作，DSP將待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量寫入DAC7725N，在DAC7725N的模擬量輸出端即可得到相應幅值的模擬信號。讀操作是DAC7725N的特色之一，DAC7725N支持數(shù)字量回讀功能，使得DSP能夠方便地獲取當前正在參與轉(zhuǎn)換的數(shù)字量的值。下面以D/A轉(zhuǎn)換芯片的寫操作為例，詳細分析芯片DAC7725N寫操作時序設計，由于讀操作與寫操作時序設計類似，這里不再累述。

DAC7725N執(zhí)行寫操作時對R/W信號和CS信號的時序關系有一定的要求，如圖5所示。

圖5 DAC7725N執(zhí)行寫操作時R/W信號的時序Fig.5 Time sequence of R/W signal during DAC7725N perform a write operation

只要DSP在對DAC7725N執(zhí)行寫操作時，以CPLD為核心的接口電路能夠提供符合上述標準的邏輯時序，就能確保DSP對DAC7725N的寫操作正確執(zhí)行。

XINTF在執(zhí)行寫操作時XR/W信號時序圖示如下：

通過對DAC7725N與XINTF的接口時序作定性對比可知，令時序與保持一致；R時序與保持一致，總體上可滿足DAC7725N的接口時序要求。

4 D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動程序設計

4.1 轉(zhuǎn)換通道刷新的程序設計

刷新操作是指該D/A轉(zhuǎn)換通道能夠及時鎖存來自CPU的數(shù)字量輸入，并輸出相應幅值的模擬信號。刷新操作是D/A轉(zhuǎn)換通道的基本操作。對于本系統(tǒng)來講，DSP想要刷新某一D/A轉(zhuǎn)換通道的模擬量輸出，只需向相應的端口地址寫入數(shù)據(jù)即可。以DAOUT1通道為例，給出示例代碼如下：

圖6 XINTF接口執(zhí)行寫操作時XR/W信號的時Fig.6 Time sequence of XR/W signal during XINTF perform awrite operation

unsigned int*DAOUT1= （unsigned int*） 0x004000；

*DAOUT1=daout_w[0]；

上例中，首先為DAOUT1通道定義一個指針變量，指向該通道所分配的地址，也就是0x004000；數(shù)組元素daout_w[0]存放該通道參與轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。DSP執(zhí)行上述寫指令時，XINTF的地址總線會送出0x004000，將DAOUT1通道選通，工作于直通模式；控制信號XR/W會送出低有效脈沖，使能本次寫操作；數(shù)據(jù)總線會送出daout_w[0]里存放的數(shù)字量。至此，DAOUT1通道的刷新操作全部完成。

4.2 轉(zhuǎn)換通道數(shù)據(jù)回讀的程序設計

數(shù)據(jù)回讀功能是DAC7725N芯片的特色之一。DAC7725N允許在轉(zhuǎn)換過程中讀出當前正參與轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，DSP據(jù)此可以獲取所有D/A轉(zhuǎn)換通道輸出的模擬信號的幅值，而無需使用額外的傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路。與數(shù)據(jù)給定（刷新）操作類似，數(shù)據(jù)回讀操作只需從相應的端口地址讀出數(shù)據(jù)即可。以DAOUT1通道為例，給出示例代碼如下：

daout_r[0]=*DAOUT1；

上例中，存入數(shù)組元素daout_r[0]中的數(shù)據(jù)，即是該通道當前正在參與轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。DSP執(zhí)行上述寫指令時，XINTF的地址總線會送出0x004000，將DAOUT1通道選通；控制信號XR/W保持高電平，使能本次讀操作；DAC7725N將該通道當前正參與轉(zhuǎn)換的數(shù)字量送至數(shù)據(jù)總線，供XINTF讀取。至此，DAOUT1通道的數(shù)據(jù)回讀操作全部完成。

5 系統(tǒng)性能驗證

D/A轉(zhuǎn)換通道在飛行控制系統(tǒng)中負責給出代表舵面位置的模擬信號。刷新速率不低于50 Hz，精度不低于200mV。圖7是DAC擴展模塊實物圖。

D/A轉(zhuǎn)換通道的驗證方案設計如下：

每一路D/A轉(zhuǎn)換通道均要求輸出正弦波信號，使用定時器定時刷新的方式，將定時器的定時周期設為1ms，刷新頻率可達1 000 Hz；將-10～+10 V的輸出幅值離散為1 000個點，這樣，理論上的轉(zhuǎn)換精度可達20mV；用示波器實時監(jiān)測每一通道的輸出信號，看輸出正弦波的頻率是否穩(wěn)定為1000Hz，波形是否有明顯的異常抖動，每隔一段時間讀取正弦波的振幅值，從而驗證在1 000 Hz的刷新頻率下，轉(zhuǎn)換精度是否滿足要求。參考以上論述，先以通道E-D/A1參與測試，結果顯示，E-D/A1通道能夠輸出預期的正弦波信號，證明此D/A轉(zhuǎn)換通道能正常工作。剩余7通道也按相同方式驗證，在確知所有的D/A通道已調(diào)通之后，對各通道的轉(zhuǎn)換精度進行了靜態(tài)測試，測試方案如下。

圖7 DAC擴展模塊實物圖Fig.7 Physicalmap of DAC extensionmodule

在程序中向每路D/A轉(zhuǎn)換通道寫入相同且固定的數(shù)字量，并以20ms為周期進行刷新。使用高精度直流電壓表對各通道輸出的模擬信號進行測量。由于數(shù)字量固定且已知，可由相關公式計算得到理論上輸出模擬量幅值，將其作為基準參考與實際測得的模擬信號幅值進行比較，可較為準確地得到各路D/A轉(zhuǎn)換通道的轉(zhuǎn)換精度。測試結果表明，所有D/A轉(zhuǎn)換通道精度能夠達到5.8mV，可滿足無人機飛行控制系統(tǒng)的應用需求。

6 結 論

文中以 DSP作為中央處理單元 （CPU），使用兩片DAC7725N擴展得到8路模擬量輸出通道。DSP使用XINTF接口實現(xiàn)對DAC7725N的驅(qū)動，驅(qū)動程序簡單，接口邏輯可靠。使用CPLD實現(xiàn)DSP與TL16C754之間的接口邏輯，簡化了電路設計，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。實驗證明，所有D/A轉(zhuǎn)換通道在1 000Hz的刷新頻率下，精度能夠達到5.8mV，完全能夠滿足飛控系統(tǒng)實際應用的要求。

[1]徐偉.基于ARM-Linux的無人機飛控計算機設計及其系統(tǒng)軟件實現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學，2009.

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