【正文】 通過 GPIO 口與通用的 12864 液晶顯示屏相連，再編寫一定的軟件驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)傳遞和顯示程序即可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能。硬件復(fù)位方式有兩種：上電復(fù)位和按鈕復(fù)位。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁 系統(tǒng)總體框圖 T M W 3 2 0 F 2 8 1 2A / DG P I O電 源 時(shí) 鐘 復(fù) 位S C I A 或S C I BE C A NJ T A G外 部 R A MR S 2 3 2 P C 機(jī)檢 測(cè) 電 路信 號(hào) 采 樣 處 理 圖 系統(tǒng)總體框圖 如圖所示為本設(shè)計(jì)的總體硬件圖，各部分圍繞著 TMS320F2812 組建成了一個(gè)能夠采集信號(hào)、處理信號(hào)、顯示信號(hào)、與 PC 機(jī)通信的功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上再為各部分設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)、工作程序，就能實(shí)現(xiàn)本文所要求的防爆開關(guān)的采集電路的功能。需要注意的是，當(dāng)外設(shè)級(jí)向 PIE 控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求后，其對(duì)應(yīng)的外設(shè)中斷標(biāo)志寄存器位不會(huì)自動(dòng)清 0，必須采用軟件進(jìn)行清除。二是使用外部時(shí)鐘源，將輸入的時(shí)鐘信號(hào)直接接到 Xl/XCLKIN 腳上， XZ懸空，此種情況，不使用內(nèi)部的振蕩器。并將這些中斷分成 8 組，每一組有 12 個(gè)中斷源，根據(jù)中斷向量表來確定產(chǎn)生中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁 的中斷類型。實(shí)際上， GPIO 作為與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道，也是非常有用的。每個(gè)事件管理器模塊包括 :定時(shí)器、比較器、捕捉單元、 PWM 邏輯電路、正交編碼脈沖電路以及中斷邏輯電路等。例如，完成一個(gè)算術(shù)運(yùn)算，用戶只需要寫命令和相應(yīng)的操作數(shù)據(jù)，讀取相應(yīng)的結(jié)果寄存器的數(shù)據(jù)就可以了。 單 /連續(xù)通道轉(zhuǎn)換 。 防止系統(tǒng)固件被盜取。 IKxl6 位的 OTPROM。它具有數(shù)據(jù)信號(hào)處理 能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合。用方程表示為 : ? ? ? ? ? ? ? ?knNNnnkNNn WnxWnxkX1212/0212/0 122????? ?? ??? （ 218） 因?yàn)?1N/22N WW ? 所以 ? ? ? ? ? ? nkNN nkNnkNN n WnxWWnxkX 2/12/ 02 2/12/ 0 122 ?? ???? ??? （ 219） 令 ? ? ? ? nkNNn WnxkY 2/12/ 0 2???? 和 ? ? ? ? nkNNn Wnxk 2/12/ 0 12Z ??? ?? （ 220） 得 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 ? ? ? ? ? ?kZWkYkX kN?? （ 221） 由于 Y(k)和 Z(k)的周期為 N/2，利用蝶形因子的對(duì)稱性 N/2kNkN WW ??? 得出： ? ? ? ? ? ?kZWkYN /2kX kN?? （ 222） 將以上兩式分別用來計(jì)算 0kN/2—1 和 N/2kN—1 的 X(k)。該算法已經(jīng)考慮諧波分量在有效值中的成分，計(jì)算公式如下： 21)]([1 ??? NkkuNU （ 23） 21)]([1 ??? NkkiNI （ 24） 式中 U、 I 分別為電壓、電流的有效值， U(k)、 I(k)分別為 輸入電壓、電流的等間隔采樣值， N 為采樣點(diǎn)數(shù)。采樣信號(hào)僅對(duì)時(shí)間是離散的，其幅值依然連續(xù)，因此這里的采樣信號(hào) x*(t)是離散時(shí)間的模擬量，它在各采樣點(diǎn)的幅值與輸入的連續(xù)信號(hào) x(t)的幅值是相同的，其大小見下式。直流變送器的硬件電路往往比較復(fù)雜，分立元件過多，其性能 與可靠性極易受到外部環(huán)境的影響，因此在溫度、濕度和電磁千擾較為嚴(yán)重的煤礦井下不宜采用。 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)行采集。 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 。 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)。這種保護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，操作簡單，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)。 本文為防爆開關(guān)采集電路硬件設(shè)計(jì)提供了軟件驅(qū)動(dòng)，也為防爆開關(guān)采集電路的功能實(shí)現(xiàn)提供了軟件的技術(shù)支持。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。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。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。 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。總之，直流采樣的主要特征是 A/D轉(zhuǎn)換器所采集轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)已轉(zhuǎn)換成變化緩慢的直流信號(hào)。由于在數(shù)據(jù)采集過程中等間隔采集交流量的瞬時(shí)值，因此，借助于各種交流采樣算法，可以 很方便地獲得每個(gè)瞬時(shí)值的大小和相位，以及交流值的幅值、相位，那么，其它有關(guān)電參量也可順利求得。采樣定理是選擇采樣頻率的理論依據(jù)。如 果這個(gè)函數(shù)滿足 “狄里赫利 ”條件 (即給定的周期性函數(shù)在有限的區(qū)間內(nèi)，只有有限個(gè)第一類間斷點(diǎn)和有限個(gè)極大值和極小值 )，就可以將其分解為從直流分量到各次諧波分量所組成的傅里葉級(jí)數(shù)。相對(duì)于均方根算法，傅里葉算法具有很強(qiáng)的濾波能力，因此不需要增加硬件濾波裝置，這樣減少了前向通道誤差，降級(jí)了系統(tǒng)成本，而且適用于各種周期量采集，基波或高次諧波，尤其適用于電氣參數(shù)計(jì)算時(shí)的數(shù)據(jù)采集 [10]。 支持 Jl’AG邊界掃描接口。 (5)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口 (F2812): 最多 IMB 的尋址空間 。 外部可屏蔽功率或驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷 。 (11)低功耗模式和省電模式 : 支持 IDLE， STANDBY， HALT 模式 。 尋址運(yùn)算單元 (ARAU)： 主要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址運(yùn)算以及地址的產(chǎn)生。 SCI 屬于異步串行接口，支持標(biāo)準(zhǔn)的 UART 異步通信模式，并采用 NRZ(No 一Return 一 Zero)數(shù)據(jù)格式，可以通過 SCI 串行接口與 CPU或其他的異步外設(shè)進(jìn)行通信。 全雙工通信模式 。 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。 INT13 來自 CPU 定時(shí)器 1 或者外部中斷 3。除此之外，對(duì)應(yīng)每組 PIE 中斷 (INTI 一 INT12)有一個(gè)響應(yīng)標(biāo)志位 (PIEACKx)。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。 （ 4）外擴(kuò) RAM F2812 內(nèi)部已經(jīng)集成了 16K 的字 節(jié)的 RAM，對(duì)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。 2812 除具有串口的基本特點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)： （ 1） 波特率可通過編程達(dá)到 64K 不通的速率。有關(guān)于它的介紹將在第五章闡述，這里就不多做介紹了。其特點(diǎn)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(jì)（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。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(shí)才會(huì)響應(yīng)中斷申請(qǐng)。 PIE 將 12 個(gè) CPU中斷擴(kuò)展為 96 個(gè)PIE 中斷。而對(duì)于現(xiàn)在微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器集成的片上鎖相環(huán)，主要功能是通過軟件實(shí)時(shí)地配置片上外設(shè)時(shí)鐘，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。 支持 Abis 模式 。為了避免產(chǎn)生不必要的復(fù)位，要求用戶定期對(duì)看門狗定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位。為此 ,處理器將所有的外設(shè)都映射到了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。 CPU單元完成數(shù)據(jù) /程序存儲(chǔ)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(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌? 兩個(gè) UART 接口模塊 (SCI)。 看門狗定時(shí)模塊。 4MB 的程序 /數(shù)據(jù)尋址空間 。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的性能。 N 點(diǎn)的 DFT 先分解為 兩個(gè) N/2 點(diǎn)的 DFT，每個(gè) N/2 點(diǎn)的 DFT 又分解為兩個(gè) N/4 點(diǎn)的 DFT,等等。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。 綜合直流采樣和交流采樣的優(yōu)缺點(diǎn)，由于交流采樣實(shí)時(shí)性好，直接對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行采樣，最大限度地保留了原信號(hào)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。 直流采樣即采集經(jīng)過變送器整流后的直流量。 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)。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。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)。 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。 基于 DSP 的煤礦防爆開關(guān)采集電路（軟件設(shè)計(jì)） 摘 要 煤礦電網(wǎng)防爆開關(guān)是礦井供電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它負(fù)責(zé)向工作面和掘進(jìn)面的工機(jī)械提供電能。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)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。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。 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。 （ 4）直流采樣需要變送器，故增加了設(shè)備投資。 （ 5）硬件變換的減少，可以提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比。各種算法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也各不相同。 FFT 算法將長序列的 DFT 分解為短序列。其中采集電路的子程序如下 :定時(shí)中斷采樣程序、數(shù)據(jù)處理程序、液晶顯示程序、通信程序等。 統(tǒng)一尋址模式 。 片上振蕩器 。 (8)串口通信外設(shè) : 串行外設(shè)接口 (SPI)。 TMS320F2812 的 CPU 內(nèi)核介紹 C281x 內(nèi)核主要包括中央處理單元 (CPU)[25]、測(cè)試單元和存儲(chǔ)器及外設(shè)的接口單元三個(gè)部分。 TMS320F2812 的外設(shè)介紹 由于 2812 數(shù)字信號(hào)處理器集成了很多內(nèi)核可以訪問和控制的外部設(shè)備， 2812 內(nèi)核需要通過某種方式來讀 /寫外設(shè)。 （ 5） 看門狗 看門狗主要用來檢測(cè)軟件和硬件的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。 幀同步和數(shù)據(jù)時(shí)鐘的極性都是可編程的 : 可編程的內(nèi)部時(shí)鐘和同步幀 。鎖相環(huán)是一種控制晶振，使其相對(duì)于參考信號(hào)保持恒定相位的電路，在數(shù)字通信系統(tǒng)中使用相對(duì)廣泛。中斷仲裁機(jī)制根據(jù) PIE 向量表存放的每個(gè)中斷服務(wù)程序的地址確定中斷服務(wù)程序的位置。 (3)CPU級(jí)中斷 一旦向 CPU申請(qǐng)中斷， CPU級(jí)中斷標(biāo)志位 (IFR)將被置 1。另一種 是使用 DSP 內(nèi)部的振蕩驅(qū)動(dòng)電路，外接一個(gè)晶體和兩個(gè)電容。 數(shù)據(jù)采集和 處理模塊 本模塊主要是完成 A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理的功能，用的是 2812 本身帶有的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。 （ 2） 極性、溢出、幀和中斷檢測(cè) 4 個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)標(biāo)志。在對(duì)運(yùn)算速度要求很高的處理程序中，通常將經(jīng)常訪問的程序段讀入內(nèi)部 RAM 再運(yùn)行，這樣能很大程度提高運(yùn)行速度。本設(shè)計(jì)采用 TPS75733 提供 電源，TPS76801 提供 ，這這兩塊芯片都能有效滿足本設(shè)計(jì)的需求。一旦片內(nèi)外設(shè)向 PIE 控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位()將被置 1。其余的可屏蔽中斷都來自 PIE 管理器。振蕩器、鎖相環(huán)主要為處理器 CPU及相關(guān)外設(shè)提供可編程的時(shí)鐘，每個(gè)外設(shè)的時(shí)鐘都可以通過相應(yīng)的寄存器進(jìn)行編程設(shè)置。 雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的通信數(shù)據(jù)流 。 （ 4） CA