【正文】 二次 CT 有效值 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁 交流電壓 xU? 030V 40 直流成分 /基波 /三次諧波 表 21 采集量的要求表 2．其它 1）外部 5V電源供給； 2）按模塊化設(shè)計 ； 3）可擴(kuò)展顯示等 系統(tǒng)設(shè)計總體方案 硬件 通過對 2812 的功能模塊的學(xué)習(xí)與研究，在充分掌握其設(shè)計原理上搭建基于 DSP2812的采集電路的硬件電路，按照功能性質(zhì)分，主要有以 下幾個部分 :最小系統(tǒng)包括電源、時鐘、復(fù)位、外擴(kuò) RAM， A/D 采樣模塊，液晶顯示模塊，與 PC 機(jī)的通信模塊等 軟件 編寫主程序、硬件各部分的接口驅(qū)動程序、各部分功能的實現(xiàn)程序等。 TMS320F2812 不僅具有以前 C2xxx 系列的特點，而且還增加了一些特性。 快速中斷響應(yīng)和處理能力 。 L0 和 L1:兩塊 4K 又 16 位的單周期訪問 RAM(SARAM）； HO:一塊 SK 漢 16 位的單周期訪問 RAM(SARAM)。 (6)時鐘和系統(tǒng)控制 : 支持動態(tài)改變鎖相環(huán)的倍頻系數(shù) 。 電機(jī)控制外設(shè)，兩個與 F240xA 兼容的事件管理器模塊 兩個 16 位的通用目的定時器 。 同步模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。 流水線最快轉(zhuǎn)換周期為 60ns，單通道最快轉(zhuǎn)換周期為 200ns； 可以使用兩個事件管理器順序觸發(fā) 8 對模數(shù)轉(zhuǎn)換。 一 40℃ 一 +85℃ 或一 40℃ ~+125℃ 工作溫度。 乘法器 :乘法器完成 32x32 位的 2 的補碼的乘法 運算，產(chǎn)生 64 位的乘法結(jié)果。 帶保護(hù)流水線 :帶保護(hù)的流水線能夠防止同時對一個地址空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀 /寫。 （ 2） 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 2812 數(shù)字信號處理器上的 ADC 模塊將外部的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， ADC 模塊可以將一個控制信號進(jìn)行濾波或者 實現(xiàn)運動系統(tǒng)的閉環(huán)控制?？梢允褂迷摻涌跇?gòu)建高可靠的 CAN 總線控制或檢測網(wǎng)絡(luò)。 GPIOMux 寄存器選擇這些引腳的功能 (特殊功能引腳或數(shù)字量 1/0)如果配置成通用的數(shù)字 I/O 引腳，則還需要通過 PxDATDIR 數(shù)據(jù)和方向控制寄存器來控制 。 支持 1 1 24 或 32 位的數(shù)據(jù)格式 。 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 )。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。 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)。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。 (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。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。 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]。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。 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。所以本設(shè)計要外擴(kuò) RAM。 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。 （ 3） 2 個喚醒多處理器。數(shù)據(jù)顯示功能主要利用了 GPIOA和 GPIOB 端口。 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。 (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。 （ 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。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。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。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。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。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)。看門狗監(jiān)控程序的運行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性。 （ 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。 收發(fā)的幀和時鐘相互獨立 。 （ 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。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。 （ 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。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。通常，中央處理單元對于用戶是透明的。 179 引腳 BGA 封裝或 176 引腳 LQFP 封裝 (F2812)。 兩個采樣保持電路 。 三個捕捉單元，捕捉外部事件 。 (7)128 位保護(hù)密碼 : 保護(hù) Flash/OTP/ROM 和 LO/LISARAM 中的代碼 。 可編程讀 /寫選擇時序 。 最多達(dá) 128KK16 位的 ROM。 16xl6 位的雙乘法累加器 。 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。 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。 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。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。均方根算法中已考慮了諧波分量在有效值中的成分。 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。把 x(t)變成采樣信號 x*(t)的過程稱為采樣或離散化。 （ 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。 （ 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。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。因而在進(jìn)行軟件設(shè)計之前必須將算法弄明白，搞清楚。 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。 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 。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。 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。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。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)，但其過載延時采用 R， C 器件 ，延時不準(zhǔn)確。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)實意義和重大的經(jīng)濟(jì)價值。在充分掌握這些原理后，搭建了簡單的硬件連接圖，并主要進(jìn)行了軟件程序的設(shè)計：給出了主程序流程圖，對初始化主程序進(jìn)行了設(shè)計；對 A/D 模塊進(jìn)行了配置，并給出了流程圖；給出了 FFT 算法的實現(xiàn)，并據(jù)此進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理計算；外擴(kuò)了液晶顯示功能，給出了初始化程序；完成了數(shù)據(jù)發(fā)送的程序設(shè)計。論文首先給出了設(shè)計的總體要求，并對信號采樣算法進(jìn)行了分析和討論，然后主 DSP2812 進(jìn)行 了研究和學(xué)習(xí)，包括各個功能模塊的特點概述，最后詳細(xì)介紹了 DSP 開發(fā)工具和程序設(shè)計語言。單相接地、相間短路故障發(fā)生時產(chǎn)生的電弧能量會引起瓦斯、煤塵爆炸，直接危及人身安全和礦井生產(chǎn)。 目前國內(nèi)現(xiàn)場所使用的高壓開關(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。但在煤礦井下，微機(jī)保護(hù)尚沒有成功地推廣。這種采集電路既要處理速 度快，還要采集信號準(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)計一種基于 DSP 技術(shù)的采集電路。 （ 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。 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、糾錯編碼、可視電話 等 。 隨著 DSP 芯片性能價格比的不斷提高， DSP 芯片將會在更多的領(lǐng)域內(nèi)到更為廣泛的應(yīng)用。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，只有通過算法計算出所要采集的數(shù)據(jù)量，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)與控制器的通信，才能使防爆開關(guān)在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時開啟保護(hù)功能。直流采樣的主要特點是： （ 1）直流采樣對 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率要求不高，軟件算 法簡單。另外，直流變送器造價高、功耗大，從經(jīng)濟(jì)效益上考慮也不適于推廣使用。交流采樣與其他采樣方式比較有以下優(yōu)點： （ 1）加快了對被測量突變的跟蹤和反應(yīng)速度。下面以理想采樣作為例子來介紹交流采樣的原理 理想采樣是抽取模擬信號的瞬時函數(shù)值，抽取的時間間隔由采樣控制脈沖 s(t)來控制，下圖表明了理想采樣過程。實際應(yīng)用中，采樣頻率總是要選擇比被采樣信號的最高頻率高兩倍以上的頻率。下面對非正弦模型算法進(jìn)行介紹： （ 1） 均方根法 均方根算法是根據(jù)連續(xù)周期交流信號的有效值及平均功率的定義，將連續(xù)信號離散化，用數(shù)值積分代替連續(xù)積分， 以離散點數(shù)據(jù)擬合連續(xù)周期性變化的信號，從而導(dǎo)出有效值（或平均值）與采樣值之間的關(guān)系式。一般所遇到的周期性函數(shù)通常都能滿足這個條件，則對于一個周期信號 u(0)=U(t+kT)，其中 k=(l， 2， 3.......)，在滿足一定條件下可展開為傅氏級數(shù)，其各諧波為 : ? ??? ??? Nn bnana wtUn w tUUtu 10 s i nc o s2)( （ 25） ? ? ? ? ? ????? ? 2,1,0c o s20ndtn w ttuTU Tan （ 26） ? ? ? ? ? ????? ? 2,1,0s i n20bndtn w ttuTU Tn （ 27） 因為計算時要將模擬信號離散化，即在一個周期等間隔采樣 N 點， k 為采樣點序號，數(shù)字角頻率為 Nw ?2? 則在進(jìn)行數(shù)字采集的系統(tǒng)中，可以將連續(xù)時間域中的積分式轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散時間域中的數(shù)字累加式為： NnkuNU Nk kan ?2c o s2 10???? （ 28） NnkuNU Nk kbn ?2s in2 10???? （ 29） 計算基波時，即當(dāng) n=1 時，有： NkuNU Nk ka ?2c o s2 101 ???? （ 210） NkuNU Nk kb ?2s in2 101 ????