【正文】 模塊組成，有利于故障鑒別和維護(hù)，但其過載延時采用 R， C 器件 ，延時不準(zhǔn)確。因此，在這方面有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。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。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)，安全運行，并將為保障國家和人民的生命財產(chǎn)做出一定的貢獻(xiàn)。 設(shè)計平臺 DSP 20 世紀(jì) 60 年代以前，數(shù)字信號處理技術(shù)是一門應(yīng)用十分狹窄的在導(dǎo)彈和語音識別等有限的幾種系統(tǒng)中。 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 芯片的工作時鐘和指令類型來分類的。數(shù)據(jù)以定點格式工作的 DSP 芯片稱之中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 為定點 DSP 芯片，以浮點格式工作的 DSP 芯片稱為浮點 DSP 芯片。專用型 DSP 芯片為特定的 DSP 運算而設(shè)計，更適合特殊的運算，如數(shù)字濾波，卷積和 FFT 等。 3)語音一如語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強(qiáng)、說話人識別、說話人確認(rèn)、語音郵件、語音存儲等 。 7)自動控制一如引擎控制、聲控、自動駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等 。 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)境完成了對防爆開關(guān)采集電路軟件的設(shè)計， 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)計平臺，為開始設(shè)計做好了準(zhǔn)備工作。 本文的重點放在采集電路的軟件設(shè)計實現(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現(xiàn)。因而在進(jìn)行軟件設(shè)計之前必須將算法弄明白，搞清楚。對于模擬量采集，根據(jù)采樣信號的不同，可分為直流采樣、交流采樣 [6]。只要將采樣結(jié)果乘上相應(yīng)的標(biāo)度系數(shù)便可得到電流、電壓的有效值，因此采樣程序簡單，軟件的可靠性好。 直流采樣即采集經(jīng)過變送器整流后的直流量。 （ 2）精度低 測量的精度直接受到變送器精度和穩(wěn)定性的影響。按照采樣定理，一個連續(xù)模擬信號 Xa(t)，其頻譜的最高頻率為 F0，對他進(jìn)行等間隔采樣而得離散時間信號 X(n)，則只要在采樣頻率 Fs2F0時， X(n)就可準(zhǔn)確地恢復(fù)成 Xa(t)。 （ 2）減少了相當(dāng)數(shù)量的硬件中間環(huán)節(jié)，從而 減少了誤差和干擾源。 綜合直流采樣和交流采樣的優(yōu)缺點，由于交流采樣實時性好，直接對原始信號進(jìn)行采樣，最大限度地保留了原信號的一些特征，而且現(xiàn)在大規(guī)模集成電路的技術(shù)大大提高了 A/D轉(zhuǎn)換的速率以及各種成熟算法的推出，使交流采樣得到了廣泛的應(yīng)用。把 x(t)變成采樣信號 x*(t)的過程稱為采樣或離散化。顯然，采樣周期越短， 離散信號越接近連續(xù)信號 x(t)。 交流采樣算法分析 交流采樣算法的應(yīng)用范圍很廣，根據(jù)應(yīng)用場合不同，其算法也有很多種，按照其模型函數(shù)，大致可分為正弦模型算法 [8]、非正弦周期模型算法。正弦模型算法是基于提供給算法的原始數(shù)據(jù)為純正弦量的理想采樣值。均方根算法中已考慮了諧波分量在有效值中的成分。 （ 2） 傅立葉算法 [9] 傅里葉算法主要包括連續(xù)型傅里葉變換和離散型傅里葉變換，這里主要介紹由 DFT（離散傅里葉變換）及由它引出的 FFT（快速傅里葉變換）。由上幾式可見計算所有 X (k)約需要 N2 次乘法 和 N2次加法，運算量很大，但必須求出 X(k)才能求出 Ua Ub1。 N 點的 DFT 先分解為 兩個 N/2 點的 DFT，每個 N/2 點的 DFT 又分解為兩個 N/4 點的 DFT,等等。 將 N 點輸入序列 x(n)分解為兩組，偶數(shù)項為一組，奇數(shù)項為一組，得到如下下兩個序列。將采樣取得的 N 個離散信號通過離散傅里葉變換，可分解成基波和各次諧波相量，并將各個相量的實部 Re[X(k)]和虛部 Im[x(k)]分別存放在指定的數(shù)組中。 系統(tǒng)設(shè)計的要求 本文所研究的防爆開關(guān)采集電路，采集的對像為電流和電壓，至少需要采樣通道 11 路。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善系統(tǒng)的軟件設(shè)計，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的性能。 主控制器 TMS320F2812 介紹 TMS320F2812 主要特點 TMS320F2812[11]是 TI 公司最近推出 C2xxx 系列的新產(chǎn)品，是目前國際市場上較為先進(jìn)、功能強(qiáng)大的 32 位定點 DSP 芯片。 低功耗設(shè)計 。 16xl6 位的雙乘法累加器 。 4MB 的程序 /數(shù)據(jù)尋址空間 。 最多達(dá) 128KK16 位的 ROM。 (4)引導(dǎo) (BOOT)ROM: 帶有軟件啟動模式 。 可編程讀 /寫選擇時序 。 看門狗定時模塊。 (7)128 位保護(hù)密碼 : 保護(hù) Flash/OTP/ROM 和 LO/LISARAM 中的代碼 。 不對稱、對稱或四個空間矢量 PWM 波形發(fā)生器 。 三個捕捉單元，捕捉外部事件 。 兩個 UART 接口模塊 (SCI)。 兩個采樣保持電路 。 (10)先進(jìn)的仿真調(diào)試功能 : 分析和斷點功能 。 179 引腳 BGA 封裝或 176 引腳 LQFP 封裝 (F2812)。 CPU單元完成數(shù)據(jù) /程序存儲器的訪問地址的產(chǎn)生、譯碼和執(zhí)行指令、算術(shù)、邏輯和移位 操作、控制， CPU寄存器以及數(shù)據(jù) /程序存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?。通常，中央處理單元對于用戶是透明的? 移位器 :完成數(shù)據(jù)的左移或右移操作，最大可以移 16 位。寄存器主要包括系統(tǒng)控制寄存器、算術(shù)寄存器和數(shù)據(jù)指針。為此 ,處理器將所有的外設(shè)都映射到了數(shù)據(jù)存儲器空間。 （ 1）事件管理器 在 2812 數(shù)字信號處理器上有兩個事件管理器， EVA 和 EVB，是數(shù)字電機(jī)控制應(yīng)用使用的非常重要的外設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電設(shè)備控制的多種必要的功能。 （ 3） SPI 和 SCI 通信接口 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 SPI 是一個高速同步串行通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn) DSP 與外部設(shè)備或另一個 DSP 之間的高速串行通信。它有 32 個可配置的接收 /發(fā)送郵箱，支持消息的定時郵遞功能。為了避免產(chǎn)生不必要的復(fù)位，要求用戶定期對看門狗定時器進(jìn)行復(fù)位。 （ 6） 通用目的數(shù)字量 I/O 在 2812 處理器有限的引腳當(dāng)中，相當(dāng)一部分都是特殊功能引腳和 GP10 引腳公用的。 2812 數(shù)字信號處理器能夠?qū)崿F(xiàn) 一 10 倍的倍頻。 收發(fā)的幀和時鐘相互獨立 。 支持 Abis 模式 。 （ 9） 外部中斷接口 TMS320F28l2 數(shù)字信號處理器支持多種外設(shè)中斷，外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊最多支持 96 個獨立的中斷。芯片內(nèi)部提供 18KB的 SARAM和 128KB 的 Flash 存儲器?？撮T狗監(jiān)控程序的運行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性。而對于現(xiàn)在微處理器或數(shù)字信號處理器集成的片上鎖相環(huán)，主要功能是通過軟件實時地配置片上外設(shè)時鐘，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。一是采用內(nèi)部振蕩器，必須在 Xl 漢 CLKIN 和 XZ 兩個引腳之間連接一個石英晶體，一般選 30MHz，為芯片提供時鐘基準(zhǔn)。其中， INT14 來自于 F2812 中的 32 位 CPU定時器 2。所有 16 個中斷線都連接到 “中斷向量表 ”上，中斷向量表中每個中斷都對應(yīng)一個 32 位的中斷入口地址，應(yīng)用程序利用這些入口地址可以跳轉(zhuǎn)到刁側(cè)應(yīng)的中斷服務(wù)程序。 PIE 將 12 個 CPU中斷擴(kuò)展為 96 個PIE 中斷。如果中斷產(chǎn)生后刁 ’被使能，且中 斷標(biāo)志位沒有清除，同樣會向 PIE 申請中斷。例如， PIE 第 1 組復(fù)用 CPU的中斷 l(INTl)， PIE 第 12 組復(fù)用 CPU 的中斷 12(INT12)，對于不復(fù)用的中斷， PIE直接將這些中斷連接到 CPU。如果相應(yīng)的 PIE 中斷使能位也被置 1， PIE 將檢查相應(yīng)的 PIEACKx，從而確定 CPU是否準(zhǔn)備響應(yīng)該組中的中斷。中斷標(biāo)志位鎖存到標(biāo)志寄存器后，只有 CPU中斷使能寄存器 (IER)或中斷調(diào)試使能寄存器 (DBGIER)相應(yīng)的使能位和全局中斷屏蔽位 (INTM)被使能時才會響應(yīng)中斷申請。如果 F28lx 使用實時調(diào)試而 CPU 正在運行，仍會采用標(biāo)準(zhǔn)的過程中斷處理。 (1) 電源部分 TMS320F2812 芯片要給 CPU、 Flash、 ADC 及 I/O 等提供雙電源（ 和 ），在上電期間，應(yīng)該為所有模塊賦予正確的復(fù)位狀態(tài)，器件的上電、掉電需要滿足一些要求。 （ 2） 時鐘 時鐘電路有兩種方案可選擇，一種是使用外部時鐘源，即有源晶振。其特點是使用芯片內(nèi)部振蕩電路，輸出的波中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁 形為正弦波，波形幅度由控制器決定，不存在電壓匹配的問題。 (3)復(fù)位 F2812 芯片有兩種復(fù)位方式：一個是芯片的復(fù)位引腳，另一個是看門狗 定時器溢出。需要注意的是，當(dāng)器件復(fù)位時，總是從向量表中獲取復(fù)位向量。 F2812 內(nèi)部集成了 128K字節(jié)的 FLASH 的程序存儲器，但 FLASH 的燒寫次數(shù)總是有限的，而且燒寫的速度慢，操作不便，在開發(fā)階段常將應(yīng)用程序通過仿真器存放在 RAM 中運行，在這種情況下，擴(kuò)展外部 RAM 來存放程序代碼和數(shù)據(jù)是非常必要。有關(guān)于它的介紹將在第五章闡述，這里就不多做介紹了。數(shù)據(jù)顯示功能主要利用了 GPIOA和 GPIOB 端口。 本設(shè)計使用 RS232 來實現(xiàn) DSP2812CPU 與 PC 機(jī)的通信，因為采用 RS232 串口總線 [16]實現(xiàn)點對點數(shù)據(jù)通信，適合現(xiàn)場的的數(shù)據(jù)觀察，它的成本也比較低，僅僅需要一臺筆記本電腦或 PC 機(jī)與采集電路相連就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，而且比較靈活方便。 （ 3） 2 個喚醒多處理器。 2812 除具有串口的基本特點外，還具有以下特點： （ 1） 波特率可通過編程達(dá)到 64K 不通的速率。 通信模塊 RS232 是由美國 EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會 )與 BELL 公司開發(fā)，于 1969 年公布，最初標(biāo)準(zhǔn)是為 DTE 設(shè)備和 DCE 設(shè)備之間的通信而設(shè)計，并未考慮計算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用要求，但目前中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 已被廣泛用于計算機(jī)外設(shè)接口。 在 F2812 數(shù)字信號處理器上提供了多個通用目的數(shù)字量 I/O 引腳，這些引腳絕大部分是多功能復(fù)用引腳，本系統(tǒng)就是利用數(shù)字量 I/0 模式來數(shù)據(jù)采集的顯示。所以本設(shè)計要外擴(kuò) RAM。 （ 4）外擴(kuò) RAM F2812 內(nèi)部已經(jīng)集成了 16K 的字 節(jié)的 RAM，對于一般的應(yīng)用來說，這部分 RAM 已經(jīng)夠用了，不需要再擴(kuò)展外部 RAM。 當(dāng)復(fù)位信號被確認(rèn)后， F2812 的處理器進(jìn)入了一個確定的狀態(tài)，作為硬件復(fù)位的一部分，所有當(dāng)前操作都被放棄，流水線被清除， CPU的寄存器都進(jìn)行復(fù)位，然后復(fù)位中斷向量被取回，從而執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。如果振蕩頻率較高，還要加上起振電阻。有源晶振適用于對輸入波形要求高的電路，以及沒有內(nèi)部振蕩電路的控制器。為保證上電過程中所有的模塊具有正確的復(fù)位狀態(tài)， 要求處理器上電 /掉電滿足一定的次序要求。 DSP 最小系統(tǒng) DSP 最小系統(tǒng)是能使 DSP 正常工作的最基本的 DSP 系統(tǒng) [27]。大多數(shù)情況下，使用標(biāo)準(zhǔn)的中斷處理模式，不使用中斷調(diào)試使能寄存器 (DBGIER)。如果 PIEACKx 被置 1，則 PIE 將進(jìn)入等待狀態(tài)，直到相應(yīng)的 PIEACKx 被清 O 才向 CPU申請中 斷。除此之外，對應(yīng)每組 PIE 中斷 (INTI 一 INT12)有一個響應(yīng)標(biāo)志位 (PIEACKx)。 (2)PIE 級中斷 PIE 單元可以使 8 個外設(shè)或外部引腳中斷共用一個 CPU 中斷信號，因此 PIE 單元將所有的中斷被分成 12 組。 (1)外設(shè)級中斷 一旦外設(shè)產(chǎn)生中斷時，對應(yīng)外設(shè)的中斷標(biāo)志寄存器 (IF)相應(yīng)的位將被置 1，如果中斷中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 使能寄存器 (IE)中相應(yīng)的使能位也被置 1，則外設(shè)產(chǎn)生的中斷將向 PIE 控制器發(fā)出中斷申請。由于 CPU 沒有能力處理所有 CPU 級的中斷請求，因此， C281xCPU 除了支持 16 個 CPU 級的中斷外，還有 一個中斷擴(kuò)展控制器來仲裁外設(shè)中斷。 INT13 來自 CPU 定時器 1 或者外部中斷 3。 C28xDSP 內(nèi)核 [30]總計有 16 個中斷線，其中包括 2 個不可屏蔽終端 (RESET 和 NMI)與 14 個可屏蔽中斷 (INTI 一 INT14)。 F2812 處理器的片上晶振和鎖相環(huán)模塊為內(nèi)核及外 設(shè)提供時鐘信號，并且控制器件的低功耗工作模式。處理器還將集成的外設(shè)分成高速和低速兩組，這樣可以方便地設(shè)置不同模塊的工作頻率，從而提高處理器 的靈活性和可靠性。 TMS320F2812 系統(tǒng)控制及中斷 TMS320F2812 處理器內(nèi)部集成了振蕩器、鎖相環(huán)、看門狗及工作模式選擇等控制電路。 CPU將自動獲取中斷向量，在響應(yīng)中斷時， CPU需要 9 個系統(tǒng)時鐘完成中斷向量的獲取和重要 CPU寄存器的保護(hù) (中斷響應(yīng)延時為 9 個系統(tǒng)時鐘 )。 兩個 16xl6 深度的發(fā)送通道 FIFO。 支持 1 1 24