【導(dǎo)讀】長(zhǎng)期以來現(xiàn)場(chǎng)所使用的這種開關(guān)載流能力小、保護(hù)簡(jiǎn)單、故障率高，直接影礦井。量、保障人身安全和完善電網(wǎng)保護(hù)不僅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義而且具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP平臺(tái)的防爆開關(guān)的采集電路。論文首先給出了設(shè)計(jì)的總體。個(gè)功能模塊的特點(diǎn)概述，最后詳細(xì)介紹了DSP開發(fā)工具和程序設(shè)計(jì)語言。原理后，搭建了簡(jiǎn)單的硬件連接圖，并主要進(jìn)行了軟件程序的設(shè)計(jì)：給出了主程序流程圖，數(shù)據(jù)發(fā)送的程序設(shè)計(jì)。現(xiàn)提供了軟件的技術(shù)支持。

　　

【正文】 C54x/TMS320C55x 數(shù)字信號(hào)處理器的 MeBSP 兼容 。 全雙工通信模式 。 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 。 收發(fā)的幀和時(shí)鐘相互獨(dú)立 。 可以采用外部移位時(shí)鐘或內(nèi)部的時(shí)鐘 。 支持 1 1 24 或 32 位的數(shù)據(jù)格式 。 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 。 支持 Abis 模式 。 能同 CODEC、 AIC(AnalogInterfaceChips)等標(biāo)準(zhǔn)串行 A/D 和 D/A 器件接口 : 同 SPI 接口兼容，當(dāng)系統(tǒng)工作在 100MHz 頻率時(shí)， SPI 接口模式可以工作在 75Mbps。 兩個(gè) 16xl6 深度的發(fā)送通道 FIFO。 兩個(gè) 16xl6 深度的接收通道 FIFO。 （ 9） 外部中斷接口 TMS320F28l2 數(shù)字信號(hào)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(gè)獨(dú)立的中斷。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(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè) 的中斷類型。 CPU將自動(dòng)獲取中斷向量，在響應(yīng)中斷時(shí)， CPU需要 9 個(gè)系統(tǒng)時(shí)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(shí)為 9 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘 )。因此， CPU能夠相當(dāng)快地響應(yīng)外設(shè)產(chǎn)生的中斷 . （ 10） 存儲(chǔ)器及其接口 2812 數(shù)字信號(hào)處理器與 F24xx系列數(shù)字信號(hào)處理器的存儲(chǔ)器編址有很大的區(qū)別， F24xx采用程序、數(shù)據(jù)和 I/O分開編址，而 2812采用同一編址方式。芯片內(nèi)部提供 18KB的 SARAM和 128KB 的 Flash 存儲(chǔ)器。并提供了外部?jī)?chǔ)器擴(kuò)展接口，外 部最高可達(dá) IMB 的尋址空間。 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。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。看門狗監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字信號(hào)處理器除了提供基本的鎖相環(huán)電路外，還可以根據(jù)處理器內(nèi)部外設(shè)單元的工作要求配置需要的時(shí)鐘信號(hào)。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。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。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。此外，由于采用軟件可編程鎖相環(huán)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)處理器外部允許較低的工作頻率，而片內(nèi)經(jīng)過鎖相環(huán)微處理器提供較高的系統(tǒng)時(shí)鐘，這種設(shè)計(jì)可以有效地降低系統(tǒng)對(duì)外部時(shí)鐘的依賴和電磁干擾，提高系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行的可靠性，降低系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)計(jì)的要求 [14]。 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(shí)鐘信號(hào)，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(shí)鐘。一是采用內(nèi)部振蕩器，必須在 Xl 漢 CLKIN 和 XZ 兩個(gè)引腳之間連接一個(gè)石英晶體，一般選 30MHz，為芯片提供時(shí)鐘基準(zhǔn)。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。 C28xDSP 內(nèi)核 [30]總計(jì)有 16 個(gè)中斷線，其中包括 2 個(gè)不可屏蔽終端 (RESET 和 NMI)與 14 個(gè)可屏蔽中斷 (INTI 一 INT14)?？善帘沃袛嗤ㄟ^相應(yīng)的中斷使能寄存器使能或禁止產(chǎn)生的中斷。其中， INT14 來自于 F2812 中的 32 位 CPU定時(shí)器 2。這個(gè)定時(shí)器和 CPU定時(shí)器 1 都是用與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的。 INT13 來自 CPU 定時(shí)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(gè)中斷線都連接到 “中斷向量表 ”上，中斷向量表中每個(gè)中斷都對(duì)應(yīng)一個(gè) 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。 C28lx 處理器內(nèi)部集成了多種外設(shè)，每個(gè)外設(shè)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)或者多個(gè)外設(shè)級(jí)中斷。由于 CPU 沒有能力處理所有 CPU 級(jí)的中斷請(qǐng)求，因此， C281xCPU 除了支持 16 個(gè) CPU 級(jí)的中斷外，還有 一個(gè)中斷擴(kuò)展控制器來仲裁外設(shè)中斷。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。 PIE 將 12 個(gè) CPU中斷擴(kuò)展為 96 個(gè)PIE 中斷。目前， F2812 只使用 96PIE 中斷中的 45 個(gè) [15]。 (1)外設(shè)級(jí)中斷 一旦外設(shè)產(chǎn)生中斷時(shí)，對(duì)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(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁(yè) 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(qǐng)。如果外設(shè)級(jí)中斷沒有被使能，則中斷標(biāo)志寄存器的標(biāo)志位將保持 1，除非采用軟件清0。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(huì)向 PIE 申請(qǐng)中斷。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。 (2)PIE 級(jí)中斷 PIE 單元可以使 8 個(gè)外設(shè)或外部引腳中斷共用一個(gè) CPU 中斷信號(hào)，因此 PIE 單元將所有的中斷被分成 12 組。每一組有一個(gè)中斷信號(hào)向 CPU 申請(qǐng)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(duì)于不復(fù)用的中斷， PIE直接將這些中斷連接到 CPU。對(duì)于復(fù)用中斷， PIE 單元內(nèi)每組中斷有相應(yīng) 的中斷標(biāo)志位()和使能位 ()。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)。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。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。如果相應(yīng)的 PIEACKx 位為 O，則 PIE 向 CPU級(jí)發(fā)出中斷請(qǐng)求 。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(qǐng)中 斷。 (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。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)。 CPU 級(jí)使能可屏蔽中斷采用 CPU中斷使能寄存器 (IER)還是中斷調(diào)試使能寄存器 (DBGIER)，和中斷處理方式有關(guān)。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)。只有當(dāng) F28lx使用實(shí)時(shí)調(diào)試 (RealTime Debug)且 CPU 被停止 (Halt)時(shí)，刁一使用中斷調(diào)試使能寄存器(DBGIER)，此時(shí) INTM 不起作用。如果 F28lx 使用實(shí)時(shí)調(diào)試而 CPU 正在運(yùn)行，仍會(huì)采用標(biāo)準(zhǔn)的過程中斷處理。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè) 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。 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(shè)計(jì)中， DSP 最小系統(tǒng)以 TMS320F2812 為中心，在其外圍擴(kuò)展程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、系統(tǒng)電源、時(shí)鐘、復(fù)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(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。對(duì)所有 供電引腳及斜線 供電引腳的電源使能，在 I/O 電源達(dá)到 ，這保證了使來自 I/O 引腳的復(fù)位信號(hào)通過 I/O 緩沖器的作用為芯片內(nèi)部所有模塊提供上電 復(fù)位。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。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。 （ 2） 時(shí)鐘 時(shí)鐘電路有兩種方案可選擇，一種是使用外部時(shí)鐘源，即有源晶振。有源晶振的特點(diǎn)是不需要芯片內(nèi)部振蕩器，加上額定的電壓就能輸出規(guī)則的方波，缺點(diǎn)采用是輸出波形只能是固定的兩個(gè)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(duì)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。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。其特點(diǎn)是使用芯片內(nèi)部振蕩電路，輸出的波中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè) 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(yīng)注意，兩個(gè)電容應(yīng)選擇晶體生產(chǎn)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(shí)鐘輸入腳只能承受 或 的輸入電壓，而 市場(chǎng)上較少，故本設(shè)計(jì)中采用第二種方案，用 30MHz 外部晶體給 TMS320F2812 提供時(shí)鐘。 (3)復(fù)位 F2812 芯片有兩種復(fù)位方式：一個(gè)是芯片的復(fù)位引腳，另一個(gè)是看門狗 定時(shí)器溢出。硬件復(fù)位方式有兩種：上電復(fù)位和按鈕復(fù)位。 當(dāng)復(fù)位信號(hào)被確認(rèn)后， F2812 的處理器進(jìn)入了一個(gè)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。復(fù)位程序引導(dǎo)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(dāng)器件復(fù)位時(shí)，總是從向量表中獲取復(fù)位向量。復(fù)位完成后， PIE 向量表將被屏蔽。 （ 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。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。 F2812 內(nèi)部集成了 128K字節(jié)的 FLASH 的程序存儲(chǔ)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(yùn)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。 本設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)算速度的要求很高，因?yàn)槭欠辣_關(guān)的部分。所以本設(shè)計(jì)要外擴(kuò) RAM。 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。有關(guān)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了外擴(kuò)液晶顯示的功能，主要是在處理完采集到的數(shù)據(jù)以后進(jìn)行顯示。 在 F2812 數(shù)字信號(hào)處理器上提供了多個(gè)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。 TMS320F2812 共有 56 個(gè) GPIO，分為 A,B,D,E,F,G 五部分，每個(gè) GPIO 口通過功 能控制、方向、數(shù)據(jù)、設(shè)置、清除 和反轉(zhuǎn)觸發(fā)寄存器來控制。數(shù)據(jù)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(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。 通信模塊 RS232 是由美國(guó) EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會(huì) )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(jì)，并未考慮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用要求，但目前中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 已被廣泛用于計(jì)算機(jī)外設(shè)接口。該協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸速率在 0 一 20Kbps，并且規(guī)定了其信號(hào)功能、連接電纜、機(jī)械特性、電氣特性及傳送過程等各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn) 。 本設(shè)計(jì)使用 RS232 來實(shí)現(xiàn) DSP2812CPU 與 PC 機(jī)的通信，因?yàn)椴捎?RS232 串口總線 [16]實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，適合現(xiàn)場(chǎng)的的數(shù)據(jù)觀察，它的成本也比較低，僅僅需要一臺(tái)筆記本電腦或 PC 機(jī)與采集電路相連就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)采集電路與 PC 機(jī)的通信。 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。 （ 2） 極性、溢出、幀和中斷檢測(cè) 4 個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)標(biāo)志。 （ 3） 2 個(gè)喚醒多處理器