【導讀】長期以來現(xiàn)場所使用的這種開關載流能力小、保護簡單、故障率高，直接影礦井。量、保障人身安全和完善電網保護不僅具有重要的現(xiàn)實意義而且具有較高的經濟價值。本文設計了一種基于DSP平臺的防爆開關的采集電路。論文首先給出了設計的總體。個功能模塊的特點概述，最后詳細介紹了DSP開發(fā)工具和程序設計語言。原理后，搭建了簡單的硬件連接圖，并主要進行了軟件程序的設計：給出了主程序流程圖，數(shù)據發(fā)送的程序設計?，F(xiàn)提供了軟件的技術支持。

　　

【正文】 C54x/TMS320C55x 數(shù)字信號處理器的 MeBSP 兼容 。 全雙工通信模式 。 雙緩沖數(shù)據寄存器，能夠實現(xiàn)連續(xù)的通信數(shù)據流 。 收發(fā)的幀和時鐘相互獨立 。 可以采用外部移位時鐘或內部的時鐘 。 支持 1 1 24 或 32 位的數(shù)據格式 。 幀同步和數(shù)據時鐘的極性都是可編程的 : 可編程的內部時鐘和同步幀 。 支持 Abis 模式 。 能同 CODEC、 AIC(AnalogInterfaceChips)等標準串行 A/D 和 D/A 器件接口 : 同 SPI 接口兼容，當系統(tǒng)工作在 100MHz 頻率時， SPI 接口模式可以工作在 75Mbps。 兩個 16xl6 深度的發(fā)送通道 FIFO。 兩個 16xl6 深度的接收通道 FIFO。 （ 9） 外部中斷接口 TMS320F28l2 數(shù)字信號處理器支持多種外設中斷，外設中斷擴展模塊最多支持 96 個獨立的中斷。并將這些中斷分成 8 組，每一組有 12 個中斷源，根據中斷向量表來確定產生中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁 的中斷類型。 CPU將自動獲取中斷向量，在響應中斷時， 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 (中斷響應延時為 9 個系統(tǒng)時鐘 )。因此， CPU能夠相當快地響應外設產生的中斷 . （ 10） 存儲器及其接口 2812 數(shù)字信號處理器與 F24xx系列數(shù)字信號處理器的存儲器編址有很大的區(qū)別， F24xx采用程序、數(shù)據和 I/O分開編址，而 2812采用同一編址方式。芯片內部提供 18KB的 SARAM和 128KB 的 Flash 存儲器。并提供了外部儲器擴展接口，外 部最高可達 IMB 的尋址空間。 TMS320F2812 系統(tǒng)控制及中斷 TMS320F2812 處理器內部集成了振蕩器、鎖相環(huán)、看門狗及工作模式選擇等控制電路。振蕩器、鎖相環(huán)主要為處理器 CPU及相關外設提供可編程的時鐘，每個外設的時鐘都可以通過相應的寄存器進行編程設置?？撮T狗監(jiān)控程序的運行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字信號處理器除了提供基本的鎖相環(huán)電路外，還可以根據處理器內部外設單元的工作要求配置需要的時鐘信號。處理器還將集成的外設分成高速和低速兩組，這樣可以方便地設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。鎖相環(huán)是一種控制晶振，使其相對于參考信號保持恒定相位的電路，在數(shù)字通信系統(tǒng)中使用相對廣泛。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時鐘，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。此外，由于采用軟件可編程鎖相環(huán)，所設計的系統(tǒng)處理器外部允許較低的工作頻率，而片內經過鎖相環(huán)微處理器提供較高的系統(tǒng)時鐘，這種設計可以有效地降低系統(tǒng)對外部時鐘的依賴和電磁干擾，提高系統(tǒng)啟動和運行的可靠性，降低系統(tǒng)對硬件設計的要求 [14]。 F2812 處理器的片上晶振和鎖相環(huán)模塊為內核及外 設提供時鐘信號，并且控制器件的低功耗工作模式。片上晶振允許使用兩種方式為器件提供時鐘。一是采用內部振蕩器，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。二是使用外部時鐘源，將輸入的時鐘信號直接接到 Xl/XCLKIN 腳上， XZ懸空，此種情況，不使用內部的振蕩器。 C28xDSP 內核 [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)?？善帘沃袛嗤ㄟ^相應的中斷使能寄存器使能或禁止產生的中斷。其中， INT14 來自于 F2812 中的 32 位 CPU定時器 2。這個定時器和 CPU定時器 1 都是用與實時操作系統(tǒng)的。 INT13 來自 CPU 定時器 1 或者外部中斷 3。其余的可屏蔽中斷都來自 PIE 管理器。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一個 32 位的中斷入口地址，應用程序利用這些入口地址可以跳轉到刁側應的中斷服務程序。 C28lx 處理器內部集成了多種外設，每個外設都會產生一個或者多個外設級中斷。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 一個中斷擴展控制器來仲裁外設中斷。中斷仲裁機制根據 PIE 向量表存放的每個中斷服務程序的地址確定中斷服務程序的位置。 PIE 將 12 個 CPU中斷擴展為 96 個PIE 中斷。目前， F2812 只使用 96PIE 中斷中的 45 個 [15]。 (1)外設級中斷 一旦外設產生中斷時，對應外設的中斷標志寄存器 (IF)相應的位將被置 1，如果中斷中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 16 頁 使能寄存器 (IE)中相應的使能位也被置 1，則外設產生的中斷將向 PIE 控制器發(fā)出中斷申請。如果外設級中斷沒有被使能，則中斷標志寄存器的標志位將保持 1，除非采用軟件清0。如果中斷產生后刁 ’被使能，且中 斷標志位沒有清除，同樣會向 PIE 申請中斷。需要注意的是，當外設級向 PIE 控制器發(fā)出中斷請求后，其對應的外設中斷標志寄存器位不會自動清 0，必須采用軟件進行清除。 (2)PIE 級中斷 PIE 單元可以使 8 個外設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。每一組有一個中斷信號向 CPU 申請中斷。例如， PIE 第 1 組復用 CPU的中斷 l(INTl)， PIE 第 12 組復用 CPU 的中斷 12(INT12)，對于不復用的中斷， PIE直接將這些中斷連接到 CPU。對于復用中斷， PIE 單元內每組中斷有相應 的中斷標志位()和使能位 ()。除此之外，對應每組 PIE 中斷 (INTI 一 INT12)有一個響應標志位 (PIEACKx)。一旦片內外設向 PIE 控制器發(fā)出中斷請求，相應的中斷標志位()將被置 1。如果相應的 PIE 中斷使能位也被置 1， PIE 將檢查相應的 PIEACKx，從而確定 CPU是否準備響應該組中的中斷。如果相應的 PIEACKx 位為 O，則 PIE 向 CPU級發(fā)出中斷請求 。如果 PIEACKx 被置 1，則 PIE 將進入等待狀態(tài)，直到相應的 PIEACKx 被清 O 才向 CPU申請中 斷。 (3)CPU級中斷 一旦向 CPU申請中斷， CPU級中斷標志位 (IFR)將被置 1。中斷標志位鎖存到標志寄存器后，只有 CPU中斷使能寄存器 (IER)或中斷調試使能寄存器 (DBGIER)相應的使能位和全局中斷屏蔽位 (INTM)被使能時才會響應中斷申請。 CPU 級使能可屏蔽中斷采用 CPU中斷使能寄存器 (IER)還是中斷調試使能寄存器 (DBGIER)，和中斷處理方式有關。大多數(shù)情況下，使用標準的中斷處理模式，不使用中斷調試使能寄存器 (DBGIER)。只有當 F28lx使用實時調試 (RealTime Debug)且 CPU 被停止 (Halt)時，刁一使用中斷調試使能寄存器(DBGIER)，此時 INTM 不起作用。如果 F28lx 使用實時調試而 CPU 正在運行，仍會采用標準的過程中斷處理。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（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 鐘 復 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 機檢 測 電 路信 號 采 樣 處 理 圖 系統(tǒng)總體框圖 如圖所示為本設計的總體硬件圖，各部分圍繞著 TMS320F2812 組建成了一個能夠采集信號、處理信號、顯示信號、與 PC 機通信的功能強大的系統(tǒng)，在此基礎上再為各部分設計驅動、工作程序，就能實現(xiàn)本文所要求的防爆開關的采集電路的功能。 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]。本設計中， DSP 最小系統(tǒng)以 TMS320F2812 為中心，在其外圍擴展程序和數(shù)據存儲器、系統(tǒng)電源、時鐘、復位以及 JTAG 仿真接口等。 (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，應該為所有模塊賦予正確的復位狀態(tài)，器件的上電、掉電需要滿足一些要求。對所有 供電引腳及斜線 供電引腳的電源使能，在 I/O 電源達到 ，這保證了使來自 I/O 引腳的復位信號通過 I/O 緩沖器的作用為芯片內部所有模塊提供上電 復位。為保證上電過程中所有的模塊具有正確的復位狀態(tài)， 要求處理器上電 /掉電滿足一定的次序要求。本設計采用 TPS75733 提供 電源，TPS76801 提供 ，這這兩塊芯片都能有效滿足本設計的需求。 （ 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。有源晶振的特點是不需要芯片內部振蕩器，加上額定的電壓就能輸出規(guī)則的方波，缺點采用是輸出波形只能是固定的兩個電壓值：低電平為 0，高電平為輸入電壓，另外器件成本高。有源晶振適用于對輸入波形要求高的電路，以及沒有內部振蕩電路的控制器。另一種 是使用 DSP 內部的振蕩驅動電路，外接一個晶體和兩個電容。其特點是使用芯片內部振蕩電路，輸出的波中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（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。但應注意，兩個電容應選擇晶體生產廠家推薦的容量值，且電容器誤差小。如果振蕩頻率較高，還要加上起振電阻。 由于 F2812 的時鐘輸入腳只能承受 或 的輸入電壓，而 市場上較少，故本設計中采用第二種方案，用 30MHz 外部晶體給 TMS320F2812 提供時鐘。 (3)復位 F2812 芯片有兩種復位方式：一個是芯片的復位引腳，另一個是看門狗 定時器溢出。硬件復位方式有兩種：上電復位和按鈕復位。 當復位信號被確認后， F2812 的處理器進入了一個確定的狀態(tài)，作為硬件復位的一部分，所有當前操作都被放棄，流水線被清除， CPU的寄存器都進行復位，然后復位中斷向量被取回，從而執(zhí)行相應的中斷服務程序。復位程序引導完成后，用戶需要重新初始化 PIE中斷向量表，英勇程序使能 PIE 中斷向量表，中斷將從 PIE 向量表中獲取向量。需要注意的是，當器件復位時，總是從向量表中獲取復位向量。復位完成后， PIE 向量表將被屏蔽。 （ 4）外擴 RAM F2812 內部已經集成了 16K 的字 節(jié)的 RAM，對于一般的應用來說，這部分 RAM 已經夠用了，不需要再擴展外部 RAM。在對運算速度要求很高的處理程序中，通常將經常訪問的程序段讀入內部 RAM 再運行，這樣能很大程度提高運行速度。 F2812 內部集成了 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)階段常將應用程序通過仿真器存放在 RAM 中運行，在這種情況下，擴展外部 RAM 來存放程序代碼和數(shù)據是非常必要。 本設計對運算速度的要求很高，因為是防爆開關的部分。所以本設計要外擴 RAM。 數(shù)據采集和 處理模塊 本模塊主要是完成 A/D 轉換和數(shù)據處理的功能，用的是 2812 本身帶有的 A/D 轉換模塊。有關于它的介紹將在第五章闡述，這里就不多做介紹了。 顯示模塊 本設計實現(xiàn)了外擴液晶顯示的功能，主要是在處理完采集到的數(shù)據以后進行顯示。 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用引腳，本系統(tǒng)就是利用數(shù)字量 I/0 模式來數(shù)據采集的顯示。 TMS320F2812 共有 56 個 GPIO，分為 A,B,D,E,F,G 五部分，每個 GPIO 口通過功 能控制、方向、數(shù)據、設置、清除 和反轉觸發(fā)寄存器來控制。數(shù)據顯示功能主要利用了 GPIOA和 GPIOB 端口。 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動、數(shù)據傳遞和顯示程序即可以實現(xiàn)數(shù)據的顯示功能。 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，最初標準是為 DTE 設備和 DCE 設備之間的通信而設計，并未考慮計算機系統(tǒng)的應用要求，但目前中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 19 頁 已被廣泛用于計算機外設接口。該協(xié)議數(shù)據傳輸速率在 0 一 20Kbps，并且規(guī)定了其信號功能、連接電纜、機械特性、電氣特性及傳送過程等各項標準 。 本設計使用 RS232 來實現(xiàn) DSP2812CPU 與 PC 機的通信，因為采用 RS232 串口總線 [16]實現(xiàn)點對點數(shù)據通信，適合現(xiàn)場的的數(shù)據觀察，它的成本也比較低，僅僅需要一臺筆記本電腦或 PC 機與采集電路相連就可以實現(xiàn)數(shù)據的監(jiān)測和分析，而且比較靈活方便。 （ 1） 2812 芯片上具有串口通信接口 (SCI),這樣，利用 RS232 接口就可以方便地實現(xiàn)采集電路與 PC 機的通信。 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到 64K 不通的速率。 （ 2） 極性、溢出、幀和中斷檢測 4 個錯誤檢測標志。 （ 3） 2 個喚醒多處理器