【正文】 .............................................................................................. 22 主程序設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 23 采樣程序設(shè)計(jì) .................................................................................................. 24 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì) .......................................................................................... 28 FFT 計(jì)算實(shí)現(xiàn)過程 ............................................................................... 28 參數(shù)計(jì)算過程 ...................................................................................... 29 顯示程序設(shè)計(jì) .................................................................................................. 30 通信程序設(shè)計(jì) .................................................................................................. 31 CMD 文件的配置 ............................................................................................ 32 本章小結(jié) .......................................................................................................... 35 第 5 章 總結(jié) .................................................................................................................. 36 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 37 翻譯部分 ........................................................................................................................ 38 中文譯文 ................................................................................................................ 38 英語原文 ................................................................................................................ 46 致 謝 ............................................................................................................................ 50 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁 第 1 章 緒論 設(shè)計(jì)背景 防爆開關(guān)的目的和意義 隨著煤礦現(xiàn)代化程度的不斷提 高和井下高壓供電距離的增加，對(duì)煤礦井下供電系統(tǒng)可靠性、安全性和連續(xù)性的要求越來越高 。同時(shí)，由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，負(fù)荷波動(dòng)大，工況很不穩(wěn)定，瓦斯煤塵積聚、滴水冒頂事故等會(huì)使電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度逐漸降低。同時(shí)由于操作人員維護(hù)不當(dāng)或操作錯(cuò)誤、輸電線路的導(dǎo)線斷裂等原因，經(jīng)會(huì)出現(xiàn)漏電及單相接地故障。接地故障若不及時(shí)排除，電網(wǎng)各相線會(huì)運(yùn)行在線電壓下，長期運(yùn)行將導(dǎo)致絕緣擊穿，甚至發(fā)生三相或兩相短路事故。單相接地、相間短路故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電弧能量會(huì)引起瓦斯、煤塵爆炸，直接危及人身安全和礦井生產(chǎn)。為了避免事故的發(fā)生，保障人身 安全，有效減小事故范圍，研究高性能的高壓防爆開關(guān)保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。高壓開關(guān)保護(hù)是煤礦井下高壓供電系統(tǒng)終端線路的主保護(hù)，它起到了保護(hù)高壓電纜和變壓器的作用。對(duì)于電纜和變壓器發(fā)生短路、過流、漏電和電纜損壞等故障都能起到保護(hù)作用，從而能夠保證其控制的整個(gè)高壓線路的供電安全。因此高壓防爆開關(guān)保護(hù)的好壞將直接影響到煤礦井下供電的安全性和可靠性 [1]。 防爆開關(guān)的應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀 隨著井下自動(dòng)化，網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，構(gòu)建礦井自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)成為必要，因?yàn)閷?duì)高壓防爆開關(guān)綜合保護(hù)器通訊功能提出了更高 的要求?，F(xiàn)有的高壓防爆開關(guān)數(shù)字綜合保護(hù)器不具備通訊功能或通訊功能簡(jiǎn)單，傳輸速率低，傳輸距離短，已經(jīng)不能滿足礦井網(wǎng)絡(luò)平臺(tái) 對(duì)開關(guān)的通訊接口的要求。 目前國內(nèi)高壓防爆開關(guān)保護(hù)器主要有兩種類型：集成電路型和微機(jī)型。 目前國內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)所使用的高壓開關(guān)綜合保護(hù)系統(tǒng)一小部分仍采用集成電路型，主要用于中性點(diǎn)不接地的供電系統(tǒng)中，它采用小規(guī)模集成電路組成故障判斷單元，磁保持故障記憶元件記憶最近發(fā)生的故障類別。該保護(hù)系統(tǒng)由電源模塊，短路模塊，絕緣監(jiān)視模塊組成，有利于故障鑒別和維護(hù)，但其過載延時(shí)采用 R， C 器件 ，延時(shí)不準(zhǔn)確。這種保護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單，但是體積大，精度低，參數(shù)整定困難，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等缺點(diǎn)。 隨著微機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化控制技術(shù)以其控制精度高，算法靈活多樣等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用，因此微機(jī)保護(hù)是高壓開關(guān)保護(hù)的新方向。目前高壓開關(guān)保護(hù)器正處于微機(jī)型保護(hù)的發(fā)展階段，許多保護(hù)功能還存在誤動(dòng)作，可靠性低，缺乏良好的人機(jī)界面和完善的通訊功能。因此，在這方面有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。實(shí)踐證明，微機(jī)保護(hù)依賴其強(qiáng)大的計(jì)算能力和邏輯 判斷能力，能夠?qū)崿F(xiàn)許多傳統(tǒng)保護(hù)不能實(shí)現(xiàn)的功能，并且它具有非常高的可靠性和準(zhǔn)確性。同其他控中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 制領(lǐng)域一樣，礦用高壓開關(guān)的保護(hù)也進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)時(shí)代。但在煤礦井下，微機(jī)保護(hù)尚沒有成功地推廣。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，現(xiàn)在煤礦己經(jīng)具備用微機(jī)構(gòu)成保護(hù)系統(tǒng)的條件，因此礦用高壓開關(guān)的繼電保護(hù)、顯示、控制必然走向智能化。本課題就是智能化防爆開關(guān)設(shè)計(jì)的一部分，這足以體現(xiàn)本設(shè)計(jì)的重要性 [2]。 防爆開關(guān)采集電路的重要意義 采集電路是防爆開關(guān)設(shè)計(jì)的非常重要也是最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。防爆開關(guān)在工作時(shí)首先通過采集電路將電網(wǎng)電流進(jìn)行 處理，主要是采集電網(wǎng)電流的大小頻率等參數(shù)，看是否達(dá)到或超過安全數(shù)值，如果防爆開關(guān)接收到采集電路傳來的超標(biāo)電流信號(hào)，防爆開關(guān)將自動(dòng)跳閘，以達(dá)到保護(hù)煤礦井下電網(wǎng)的安全的功能。高效可靠穩(wěn)定快速的防爆開關(guān)采集電路將大大提高防爆開關(guān)的可用性，大大提高井下電網(wǎng)的安全性，充分保證安全生產(chǎn)，安全運(yùn)行，并將為保障國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)做出一定的貢獻(xiàn)。 因此，對(duì)于高性能的防爆開關(guān)采集電路的設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。在 DSP 技術(shù)廣泛并且成熟運(yùn)用的今天，我們有必要通過 DSP 語言來設(shè)計(jì)一種能符合現(xiàn)代防爆開關(guān)要求的采集電路。這種采集電路既要處理速 度快，還要采集信號(hào)準(zhǔn)確，還要功耗低成本低等，這一系列的要求 DSP 技術(shù)都能為我們保證，因此，我們要設(shè)計(jì)一種基于 DSP 技術(shù)的采集電路。 設(shè)計(jì)平臺(tái) DSP 20 世紀(jì) 60 年代以前，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是一門應(yīng)用十分狹窄的在導(dǎo)彈和語音識(shí)別等有限的幾種系統(tǒng)中。 60 年代中期快速傅立葉算模擬集成電路的發(fā)展，奠定了硬件完成數(shù)字信號(hào)處理算法和數(shù)字信號(hào)處重要技術(shù)基礎(chǔ)。 DSP 芯片一般具有如下主要特點(diǎn) [3]: (1)在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法 ； （ 2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù) ； （ 3)片內(nèi) 具有快速 RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問 ； (4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持 ； (5)快速的中斷處理和硬件 UO 支持 ； (6)具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器 。 (7)可以并行執(zhí)行多個(gè)操作 ； (8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 DSP 的芯片可以按照以下的三種方式進(jìn)行分類 [4]： （ l） 按基礎(chǔ)特性分 這是根據(jù) DSP 芯片的工作時(shí)鐘和指令類型來分類的。如果 DSP 芯片在某時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)的任何頻率上能正常工作，除計(jì)算速度有變化外，沒有性能的下降 ，這類 DSP 芯片一般稱之為靜態(tài) DSP 芯片。如果有兩種或兩種以上的 DSP 芯片，它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼機(jī)管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則這類 DSP 芯片稱之為一致性的 DSP 芯片。 （ 2） 按數(shù)據(jù)格式分 這是根據(jù) DSP 芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的 DSP 芯片稱之中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁 為定點(diǎn) DSP 芯片，以浮點(diǎn)格式工作的 DSP 芯片稱為浮點(diǎn) DSP 芯片。不同的浮點(diǎn) DSP 芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的 DSP 芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，有的 DSP 芯片則采用 IEEE 的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式。 （ 3） 按用途分 按照 DSP 芯片的用途來分，可分 為通用型 DSP 芯片和專用型的 DSP 芯片。通用型DSP 芯片適合普通的 DSP 應(yīng)用，如 TI 公司的一系列 DSP 芯片。專用型 DSP 芯片為特定的 DSP 運(yùn)算而設(shè)計(jì)，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波，卷積和 FFT 等。 目前， DSP 的價(jià)格越來越低，性能價(jià)格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。其主要應(yīng)用領(lǐng)域有 [5]: 1)信號(hào)處理一如數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅里葉變換、相關(guān)運(yùn)算、譜析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等 。 2)通信一如調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回波抵消、多路復(fù)用、傳真、擴(kuò)頻通信、糾錯(cuò)編碼、可視電話 等 。 3)語音一如語音編碼、語音合成、語音識(shí)別、語音增強(qiáng)、說話人識(shí)別、說話人確認(rèn)、語音郵件、語音存儲(chǔ)等 。 4)圖形圖像一如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強(qiáng)與動(dòng)畫、機(jī)器人視覺等 。 5)軍事一如保密通信、雷達(dá)處理、聲納處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)等 。 6)儀器儀表一如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等 。 7)自動(dòng)控制一如引擎控制、聲控、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等 。 8)醫(yī)療一如助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)等 。 9)家用電器一如高保真音響、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲、數(shù)字電話 、電視等。 隨著 DSP 芯片性能價(jià)格比的不斷提高， DSP 芯片將會(huì)在更多的領(lǐng)域內(nèi)到更為廣泛的應(yīng)用。 本文所做的工作 本文通過應(yīng)用 TI 公司推出的 TMS320F2812 處理器以及與其相應(yīng)的 開發(fā)環(huán)境完成了對(duì)防爆開關(guān)采集電路軟件的設(shè)計(jì)， 本文做 的主要工作如下： 1. 討論了本課題研究的背景和設(shè)計(jì)平臺(tái)，為開始設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備工作。 2. 分析了信號(hào)采樣算法，并給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 。 3. 對(duì)本設(shè)計(jì)所需要的各方面的理論知識(shí)進(jìn)行了論述，主要包括 TMS320F2812 的 內(nèi)核、外設(shè)及幾個(gè)功能模塊特點(diǎn)，并簡(jiǎn)單介紹了 本設(shè)計(jì)的硬件 實(shí) 現(xiàn)過程。 4. 主要進(jìn)行了軟件的設(shè)計(jì)，包括主程序的流程圖設(shè)計(jì)、初始化程序設(shè)計(jì)、 A/D 采樣流程圖和程序設(shè)計(jì)、 數(shù)據(jù)處理流程圖程序設(shè)計(jì) 等等。 本文的重點(diǎn)放在采集電路的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上，這其中主要應(yīng)用了 DSP2812 的 C 語言編程功能，主要工作是在 CCS 環(huán)境下完成的，包括頭文件的添加、 TI 提供的源文件的應(yīng)用以及采樣算法功能的實(shí)現(xiàn)。文章最后總結(jié)了此次設(shè)計(jì)我所學(xué)到的知識(shí)，對(duì)以后應(yīng)用DSP2812 進(jìn)行了展望。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 第 2 章 信號(hào)采樣算法研究及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 防爆開關(guān)采集電路最重要也是最主要的部分就在于采樣和數(shù)據(jù)處理部分，而對(duì) 于這兩個(gè)部分畢業(yè)設(shè)計(jì)課題任務(wù)書里給出了明確的要求，同時(shí)也對(duì)整體設(shè)計(jì)提出了一定的要求。另外，采樣和數(shù)據(jù)處理部分最主要的就是算法，這才是核心，只有通過算法計(jì)算出所要采集的數(shù)據(jù)量，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)與控制器的通信，才能使防爆開關(guān)在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)開啟保護(hù)功能。因而在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)之前必須將算法弄明白，搞清楚。 信號(hào)采樣算法分析 采樣方式的選擇 為有效地實(shí)現(xiàn)防爆開關(guān)的保護(hù)功能，我們必須通過采集電路對(duì)三相電流電壓和零序電流電壓的模擬量進(jìn)