基于TMS320F2812的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊.doc

0 基于 TMS320F2812 的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊 摘要 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng) 其定義為收集數(shù)據(jù)上的電壓和電流 并發(fā)送到某處有用的數(shù)據(jù) 并且要將這些數(shù)據(jù)變換成決策信息 數(shù)據(jù)采集模塊使用外部 16 位 A D 轉(zhuǎn)換芯片來完成模 擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換 針對電壓和電流信號 對這些信號進(jìn)行分析 由于傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測系 統(tǒng)的不足之處 本文提出了一種基于 TMS320F2812 的電能質(zhì)量監(jiān)測的新方法 該系統(tǒng)的 DSP 芯片強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和系統(tǒng)資源被得以運(yùn)用 來將同步采樣信號進(jìn)行處理 并且 電能質(zhì)量的 5 項(xiàng)指標(biāo)也繼而被分析和存儲 實(shí)驗(yàn)結(jié)果告訴我們 TMS320F2812 是滿足實(shí)時(shí) 性要求的 可以快速 準(zhǔn)確地反映電力系統(tǒng)電能質(zhì)量指標(biāo)的變化 因此 該系統(tǒng)很好地適 應(yīng)了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測的要求 ADS8364 芯片的功能和原理也在本設(shè)計(jì)中給出介紹 此外 還給出了 ADS8364 同 TMS320F2812 的接口電路和 TMS320F2812 的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 最后 給出了采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 其中重點(diǎn)設(shè)計(jì)了初始化和中斷程序 關(guān)鍵詞 電能質(zhì)量監(jiān)測 數(shù)據(jù)采集模塊 TMS320F2812 ADS8364 模數(shù)轉(zhuǎn)換 1 DESIGN ON DATA ACQUISITION MODULE OF SYSTEM FOR POWER QUALITY MONITORING BASED ON DSP TMS320F2812 ABSTRACT System for Power quality monitoring is a process which collects data about voltage and electric current sends it to somewhere in need of it and transforms those data into information decision making Its data acquisition module using external 16 bit analog digital converter accomplishes analog digital conversion of voltage and electric current signals and at the same time analyses these signals Because of the shortcoming of the traditional monitoring systems of power quality this article advances a new monitoring method of power quality which is based on TMS320F2812 The system makes use of the powerful data processing capability and the wealth of system resources of DSP to process the sampled signals Thereby the system can analyze and display the five targets of the power quality The results of the experiment show that the speed of TMS320F2812 processing data can satisfy the requirement of the online monitoring The system can reflect the changes of each power quality target quickly and accurately Therefore the system can be well adapted to the power quality monitoring requirements This design introduces the trait and principle of the ADS8364 and shows interface circuit between ADS8364 and TMS320F2812 and besides it displays the minimum system of TMS320F2812 In the end this design provides software design of acquisition system which emphasizes initialization and interrupt programs Key words power quality monitoring data acquisition module TMS320F2812 ADS8364 analog digital conversion 2 目 錄 1 緒論 4 1 1 基于 TMS320F2812 的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的背景 目的與意義 4 1 2 1 電壓偏差 5 1 2 2 電壓波動(dòng)與閃變 5 1 2 3 頻率偏差 5 1 2 5 三相電壓不平衡 5 1 2 6 電網(wǎng)頻率 5 1 2 7 公用電網(wǎng)諧波 6 1 3 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊 6 2 采樣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 8 2 1 ADS8364 芯片的特性 8 2 2 TMS320F2812 的介紹 9 2 2 1 TMs320F2812 的結(jié)構(gòu) 9 2 2 2 TMS320F2812 的性能 9 2 3 ADS8364 與 TMS320F2812 的接口電路 10 2 3 1 TMS320F2812 的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 2 3 2 ADS8364 的接口設(shè)計(jì) 12 2 3 3 ADC 的初始化操作 13 3 采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 13 3 1 采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程 13 3 2 采樣系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì) 14 3 2 1 PWM 波形原理 14 3 2 2 初始化及控制程序 16 3 2 3 主程序及中斷程序 18 4 結(jié)論 19 謝辭 21 參考文獻(xiàn) 22 3 1 緒論 電力能源是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)用 易于清潔 容易轉(zhuǎn)移 管理和轉(zhuǎn)換的能源 供用雙方均對 電力產(chǎn)品的質(zhì)量加以保證 由電力部門向電力用戶提供 現(xiàn)今 作為一個(gè)進(jìn)入市場的商品 和其他商品相差無幾 毫無疑問也對質(zhì)量有相關(guān)的重視 影響正常工作的電氣設(shè)備的電源 問題 電能質(zhì)量的下降 早在一開始的電力供應(yīng)時(shí)就造成的電力供應(yīng)雙方的關(guān)注 在儀器 儀表 工業(yè)監(jiān)測和測量分析領(lǐng)域 借助于新型的數(shù)字信號處理技術(shù) 數(shù)字信號處理器得到 迅速發(fā)展并且廣泛應(yīng)用 作為人工智能監(jiān)控測量和控制分析過程的必須的環(huán)節(jié) 數(shù)字信號 的采樣 分析和處理成為了 DSP 最為廣泛的應(yīng)用 在圖像處理 暫態(tài)信號監(jiān)測 無線電 雷達(dá)信號分析 醫(yī)療成像儀器和工業(yè)現(xiàn)場控制等領(lǐng)域 有對高速連續(xù)變化的模擬信號進(jìn)行 同步數(shù)據(jù)采集處理的要求 因此 系統(tǒng)的電路上的交流信號的高速 AD 的收集是非常重要 的 一整個(gè)系統(tǒng)體系的優(yōu)良與否 精度性能和可靠性能 都取決于設(shè)計(jì)的好壞 所以 對 電能質(zhì)量信號的采集的工作原理的研究和優(yōu)化其設(shè)計(jì)思路成為了重要的課題 文章中給出 了基于 TI 公司的 F2812 芯片與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片所構(gòu)成的具有實(shí)時(shí)性 同步性 精密性的數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng) 1 1 基于 TMS320F2812 的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的背景 目的與意 義 電網(wǎng)的發(fā)展與時(shí)俱進(jìn) 確保良好的電能質(zhì)量已然變成了一項(xiàng)重要的工作 電能質(zhì)量 監(jiān)測系統(tǒng) 實(shí)時(shí)跟蹤網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化 電網(wǎng)參數(shù)在這個(gè)過程中被記錄與處理 它可以提供 給電能質(zhì)量一些重要的實(shí)時(shí)依據(jù) 這是基于 TMS320F2812 的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的背景 然而 常規(guī)監(jiān)測設(shè)備的高頻瞬態(tài)復(fù)雜的采集和處理是比較困難的 這樣的高速處理能力的 有許多特性的 強(qiáng)勁的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)對我們有重大的意義 為此 TMS320F2812 型的 DSP 成為了本課程設(shè)計(jì)的核心 來服務(wù)于電能質(zhì)量檢測系統(tǒng) 并對它的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行 重點(diǎn)設(shè)計(jì) 其中 利用了外部的 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換 達(dá)到對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 的目的 1 2 電能質(zhì)量及其指標(biāo) 4 電壓 頻率和波形是嚴(yán)格意義上的用以衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo) 而從較為一般地意 義上而言 其含義包括幾方面的優(yōu)質(zhì)供電 如電壓的質(zhì)量 電流的質(zhì)量 供電的質(zhì)量和用 電的質(zhì)量 準(zhǔn)確來講能夠把它定義為 由于電壓 電流或頻率的偏差從而致使用電設(shè)備故 障或不能正常工作的 它所涵蓋的內(nèi)容包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容 電壓偏差 頻率偏差 諧波及 其引起的波形畸變 三相平衡度 電網(wǎng)頻率 公用電網(wǎng)諧波 等 2 1 2 1 電壓偏差 電力系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)作產(chǎn)生的電壓偏移被稱為電壓偏差 通過實(shí)測電壓同標(biāo)稱系統(tǒng)電壓之 差或其百分值來表示 造成電壓偏差有諸多原因 例如 供電距離超過合理的供電半徑 供電導(dǎo)線截面選擇不當(dāng) 電壓損失過大 線路過負(fù)荷運(yùn)行 用電功率因數(shù)過低 無功 電流大 加大了電壓損失 以及沖擊性負(fù)荷 非對稱性負(fù)荷的影響 1 2 2 電壓波動(dòng)與閃變 電壓波動(dòng)是指工頻電壓包絡(luò)線發(fā)生了一連串改動(dòng)或者周期性的變動(dòng) 通常 將兩個(gè)電 壓波形極值電壓均方根值之差相對于額定電壓 U 的百分?jǐn)?shù)作為其指標(biāo) 電壓波動(dòng)和閃變的 負(fù)面影響表現(xiàn)在 照明燈光閃爍 引起人的視覺不適和疲勞 影響工效 電視機(jī)畫面亮度變 化 垂直和水平幅度搖動(dòng) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻 影響產(chǎn)品質(zhì)量 使電子儀器 電子計(jì)算機(jī) 自動(dòng)控制設(shè)備等工作不正常 影響對電壓波動(dòng)較敏感的工藝或試驗(yàn)結(jié)果 1 2 3 頻率偏差 電力系統(tǒng)負(fù)荷在不斷地變動(dòng) 電源出力及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)追隨負(fù)荷變化又有一定的慣性 致使系統(tǒng)頻率總是一直處于變動(dòng)的狀態(tài)中 頻率偏差是指電力系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和標(biāo)稱值 50Hz 之差或其差值 f 與標(biāo)稱值之比的百分?jǐn)?shù) f 表示 1 2 4 諧波分析 諧波源造成實(shí)際的電壓波形偏離正弦波 這種現(xiàn)象被稱為電壓正弦波形畸變 通常以 諧波來表示 利用快速傅立葉變換 FFT Fast Fourier Transform 信號中各次諧波分量從頻 域中分離出來 從而將各次諧波的幅值和相角求出來 諧波研究具有含義 這主要是因 為諧波的傷害相當(dāng)嚴(yán)重 諧波導(dǎo)致電能的生產(chǎn) 輸送和使用的效率降低 使電氣設(shè) 備發(fā)熱 形成振動(dòng)和噪聲 同時(shí)讓絕緣老化 使得使用壽命縮短 以至于發(fā)生故障或 燒毀 1 2 5 三相電壓不平衡 電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度用三相電壓不平衡來進(jìn)行表示 通常用電壓或者電流負(fù) 序分量同正序分量的方均根值百分比表征 嚴(yán)重的三相不平衡會(huì)造成對變壓器的危害 對 5 用電設(shè)備的影響 以及對線損的影響 1 2 6 電網(wǎng)頻率 我國電力系統(tǒng)的標(biāo)稱頻率為 50Hz 依照 GB T15945 2008 電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏 差 中所具體的規(guī)定 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值為 0 2Hz 在系統(tǒng)容量處于 較小范圍的時(shí)候 偏差限值可放寬至 0 5Hz 與此同時(shí) 關(guān)于系統(tǒng)容量大小的界限的標(biāo)準(zhǔn) 被沒有確切說明 在 全國供用電規(guī)則 中做出了說明 供電局供電頻率的所能夠允許的范 圍差距 其電網(wǎng)容量于 300 萬千瓦及以上者為 0 2HZ 電網(wǎng)容量于 300 萬千瓦以下者 為 0 5HZ 從現(xiàn)實(shí)來看 全國各大電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行都停留在不大于 0 1HZ 范圍之內(nèi) 1 2 7 公用電網(wǎng)諧波 依照 GB T14549 93 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波 中規(guī)定 6 220kV 各級公用電網(wǎng)電壓 相電壓 總諧波畸變率是 0 38kV 為 5 0 6 10kV 為 4 0 35 66kV 為 3 0 110kV 為 2 0 對諧波電流的用戶注入有相關(guān)要求 即其允許值需要確保所有級別電網(wǎng)諧波電壓 在限值的范圍之內(nèi) 所以各級電網(wǎng)諧波源形成的電壓總諧波畸變率的國家標(biāo)準(zhǔn)為 0 38kV 為 2 6 6 10kV 為 2 2 35 66kV 為 1 9 110kV 為 1 5 另外 220kV 電力網(wǎng)絡(luò)以 及及其供電的電力用戶要依據(jù)本標(biāo)準(zhǔn) 110kV 來運(yùn)營 1 3 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊 電能質(zhì)量監(jiān)測就是收集關(guān)于電壓和電流的數(shù)據(jù) 發(fā)送對某處有用的數(shù)據(jù) 并將那些數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換成決策信息的過程 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊主要包括輸入信號調(diào)理模塊 和 AD 轉(zhuǎn)換模塊 1 3 1 輸入信號調(diào)理模塊 輸入信號調(diào)理模塊的關(guān)鍵技術(shù)在于對電壓信號的精確采集 傳統(tǒng)的電壓傳感器采用電 磁型互感器 在設(shè)計(jì)時(shí)僅僅考慮精確傳遞 50Hz 的標(biāo)準(zhǔn)正玄波 因此電磁型互感器二次側(cè) 很難真實(shí)反映一次側(cè)待測電壓電能質(zhì)量指標(biāo) 基于霍爾原理的霍爾電壓傳感器克服了電磁 型互感器只適用于 50Hz 工頻測量的缺點(diǎn) 只需外接正負(fù)直流電源 被測電壓母線只需接 于原邊端子 然后在副邊端再做一些簡單的連接即可完成主電路與控制電路的隔離檢測 電路設(shè)計(jì)非常簡單 它具有如下的特點(diǎn) 1 可以測量任意波形的電流和電壓 如直流 交 流 脈沖波形等 甚至對瞬態(tài)峰值的測量 副邊電流忠實(shí)地反映原邊電流的波形 而普通 互感器則是無法與其比擬的 它一般只適用于測量 50Hz 正玄波 2 原邊電路與副邊電路 之間完全電絕緣 絕緣電壓一般為 2 12kV 特殊要求可達(dá) 20kv 3 精度高 在工作溫度 6 區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于 1 該精度適合于任何波形的測量 而普通互感器一般精度為 3 且適合 50Hz 正玄波形 4 線性度好 優(yōu)于 0 1 5 動(dòng)態(tài)性能好 響應(yīng)時(shí)間 50A us 6 工作頻帶寬 在 0 100kHz 頻率范圍內(nèi)精度為 1 在 0 5kHz 頻率范圍內(nèi)精度 為 0 5 7 測量范圍 霍爾傳感器模塊為系統(tǒng)產(chǎn)品 電流測量可達(dá) 50kA 電壓測量可達(dá) 6400V 8 過載能力強(qiáng) 當(dāng)原邊電流超負(fù)荷 模塊達(dá)到飽和 可自動(dòng)保護(hù) 即使過載電流 是額定值的 20 倍時(shí) 模塊也不會(huì)損壞 9 模塊尺寸小 重量輕 易于安裝 它在系統(tǒng)中 不會(huì)帶來任何損失 10 模塊的高靈敏度 使之能夠區(qū)分在 高分量 上的弱信號 可靠 性高 1 3 2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)的核心部分是數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 DSP 通過 2 3 個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道對傳感 器電流進(jìn)行采集 獲得三個(gè)相電流 霍爾電流傳感器采集的是模擬量信號 并采用雙重保 護(hù) 防止相電流過高造成對 DSP 的沖擊損壞 即信號經(jīng)過 RC 濾波后連接至一個(gè)運(yùn)算放大 比較器 比較器有一個(gè)參考電壓 當(dāng)信號低于這個(gè)參考電壓時(shí) 信號經(jīng)過運(yùn)算放大后輸出 當(dāng)信號超過這個(gè)參考電壓時(shí) 說明逆變器發(fā)生過流情況 比較器輸出低電平將其所連接的 引腳電平拉低 從而把監(jiān)測到的信號偏置到模數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)核正常的輸入范圍 實(shí)現(xiàn)對芯片的 保護(hù) 電力系統(tǒng)中高次諧波以及暫態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)測量對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的要求非常高 如果 采用 12 位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 對 15 次諧波而言至少會(huì)引起 1 67 的誤差 而在實(shí)際 諧波測量中一般需要測量 30 次以上諧波 這樣產(chǎn)生的誤差影響會(huì)更大 高次諧波測量數(shù)據(jù) 將沒有可信性 因此 電能質(zhì)量檢測儀中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率至少應(yīng)保證為 14 位以上 F2812 芯片內(nèi)置的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊無法滿足電能質(zhì)量分析的需要 要測量 30 次諧波并 得到精確的分析結(jié)果 必須外接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 這里選用 16 位并行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADS8364 此數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 模數(shù)轉(zhuǎn)換接受控制芯片 F2812 的指 令 設(shè)定 A D 轉(zhuǎn)換部分的采樣率 控制 A D 轉(zhuǎn)換 進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理 數(shù)據(jù)就緒后 通過 ADS8364 的 EOC 信號通知 DSP2812 由 F2812 將數(shù)據(jù)讀出并且進(jìn)行計(jì)算處理 數(shù)據(jù)采集 模塊結(jié)構(gòu)如圖 1 3 所示 7 圖 1 3 數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2 采樣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)木?速度有一定的要求 故裝置的信號采樣和模數(shù)轉(zhuǎn) 換選取 ADS8364 和 TMS320F2812 芯片來完成 ADS8363 芯片是 16 位并行輸出的芯片 能大大減少測量誤差 滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)木纫?ADS8363 芯片的高速并行接口也能滿足 速度的要求 待測線路上的信號先分別經(jīng)過變壓和信號調(diào)理 以使其變?yōu)檫m合采樣的信號 再進(jìn)入采樣模塊 采樣模塊要對高速交變模擬信號進(jìn)行采集 4 2 1 ADS8364 芯片的特性 ADS8364 是美國 TI 公司生產(chǎn)的一種具有高速性 低能耗性 6 通道同步采樣轉(zhuǎn)換的 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 它采用了單 5 V 供電的 16 位高速并行接口的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 芯片 之上帶有 2 5 V 的基準(zhǔn)電壓源 作為 ADS8364 的參考電壓 3 個(gè)轉(zhuǎn)換速率為 250 KB s 當(dāng)外 部時(shí)鐘為 5 MHz 的 ADC 構(gòu)成了 ADS8364 主要部分 ADC 的結(jié)構(gòu)為 每個(gè) ADC 具有 2 個(gè) 模擬的輸入信道 采樣保持器置于每個(gè)通道中 3 個(gè) ADC 對應(yīng) 3 對模擬輸入端 我們可以對這 之中的 1 或 2 對輸入信號同時(shí)進(jìn)行采樣保持 接著一個(gè)一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 6 個(gè)通道能夠同時(shí)采 樣 所以很適用于同時(shí)采集多種信號的環(huán)境下 此六個(gè)通道對應(yīng)的三個(gè)保持信號 分別為 HOLDA HOLDB HOLDC 通過這三個(gè)保持信號 能夠觸發(fā)所規(guī)定通道的轉(zhuǎn)換 當(dāng)三個(gè)保 持信號在同一時(shí)間被選通時(shí) 6 個(gè)寄存器將儲存轉(zhuǎn)換的結(jié)果 相對于每一個(gè)讀操作 ADS8364 都會(huì)輸出十六位數(shù)據(jù) 另外 地址 模式信號 A0 A1 A2 決定了選擇如何從 8 ADS8364 讀取數(shù)據(jù) 其中 地址 模式信號有三個(gè)模式可以加以選取 單通道 單周期或 FIFO 模式 只要使 ADS8364 的 HOLDX 保有不少于 20ns 的低電平 轉(zhuǎn)換就開始 經(jīng)過 這個(gè)低電平 各個(gè)通道的采樣保持放大器將在同一時(shí)間處于保持狀態(tài) 并且 各路通道將 進(jìn)行轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換的結(jié)果會(huì)被存入輸出寄存器 在那之后 引腳 EOC 的輸出便會(huì)維持半個(gè)時(shí) 鐘周期的低電平 要使數(shù)據(jù)能夠讀出到并行輸出總線 可以置 RD 和 CS 為低電平 即使 以最大吞吐率工作 ADS8364 的取樣 保持模塊的輸入帶寬仍然大于 ADC 的奈奎斯特頻 率 典型的帶寬是 300MHz 當(dāng)常規(guī)執(zhí)行時(shí) REFOUT 與 REFIN 連接可以為 ADS8364 提 供 2 5V 的參考電壓 ADS8364 本身產(chǎn)生的噪聲是很小的 但是為了得到更好的性能 輸 入信號的噪聲峰值必須小于 50uV 當(dāng)外設(shè)時(shí)鐘使用 5MHz 的頻率時(shí) ADS8364 的轉(zhuǎn)換時(shí) 間是 3 2us 相關(guān)的采樣時(shí)間是 0 8us 讀取數(shù)據(jù)通過在下一個(gè)轉(zhuǎn)換期間執(zhí)行以期得到最大 的輸出數(shù)據(jù)率 表 2 1 是 ADS8364 的關(guān)于本設(shè)計(jì)的重要管腳及其功能 表 2 1 ADS8364 的重要管腳及其功能 管腳功能 EOC CLK RD CS DB0 DB15 A0 A2 HOLDA HOLDB HOLDC RESET 標(biāo)志著轉(zhuǎn)換的結(jié)束 可接入外部的時(shí)鐘源并與其同步 讀信號 低電平有效 片選信號 低電平有效 16 位數(shù)據(jù)位 地址線 保持命令 A 保持命令 B 保持命令 C 復(fù)位信號 低電平有效 2 2 TMS320F2812 的介紹 TMS320F2812 是 TI 公司推出的32位定點(diǎn) DSP 芯片 隨著制造工藝的成熟 生產(chǎn)規(guī) 模的擴(kuò)大 生產(chǎn)成本的下降 TMS320F2812 成為目前性價(jià)比最高的 DSP 芯片之一 它不 但具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力 而且還具有較為完善的事件管理能力和嵌入式控制能力 因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制 特別是應(yīng)用在處理速度 處理精度方面要求較高的領(lǐng)域 或 者是應(yīng)用于需要大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合 例如工業(yè)自動(dòng)化控制 電力電子技術(shù)應(yīng)用 9 智能化儀器儀表 電機(jī)伺服控制系統(tǒng)等 2 2 1 TMs320F2812 的結(jié)構(gòu) TI 公司推出的 DSP 一改傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu) 采用了先進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu) 哈佛總線 的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)放在不同的存儲空間內(nèi) 每個(gè)存儲空間都可以獨(dú)立訪問 而且 程序總線和數(shù)據(jù)總線分開 從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍 而單片機(jī)一般采用的馮諾依 曼結(jié)構(gòu)將程序 數(shù)據(jù)和地址存儲在同一空間中 統(tǒng)一進(jìn)行編碼 根據(jù)指令計(jì)數(shù)器提供的地 址的不同來區(qū)分程序 數(shù)據(jù)和地址 這樣 程序和數(shù)據(jù)的讀取不能同時(shí)進(jìn)行 從而影響了 系統(tǒng)的整體工作效率 2 2 2 TMS320F2812 的性能 1 F2812 芯片采用了高性能的 CMOS 技術(shù) 其 CPU 主頻高達(dá) 150M 時(shí)鐘周期為 6 67ns 另外 它采用低功耗設(shè)計(jì) 當(dāng)內(nèi)核電壓為 1 8v 時(shí) 主頻為 135MHz 當(dāng)內(nèi)核電壓 為 1 9v 時(shí) 主頻為 150MHz I O 口引腳電壓為 3 3V 2 F2812 具有高性能的 32 位中央處理器 一個(gè)周期內(nèi)能夠完成 32 位 32 位的乘法累 加運(yùn)算 并且 具有快速的中斷響應(yīng)和中斷處理能力和統(tǒng)一的寄存器編程模式 2 3 ADS8364 與 TMS320F2812 的接口電路 本采集系統(tǒng)需要針對高速且交替變換的模擬信號完成采集任務(wù) 從而要選擇 TI 公司的 高精密性的 ADS8364 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 三種方式構(gòu)成了 ADS8364 的數(shù)據(jù)讀出 有直接 地址讀方式 FIFO 讀方式 循環(huán)讀方式 2 3 1 TMS320F2812 的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) DSP 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)含有硬件設(shè)計(jì)同調(diào)試部分這兩個(gè)部分 硬件設(shè)計(jì)部分通常情況 下包含電源和復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 JTAG 電路以及外接電路的相關(guān)設(shè)計(jì) 最小系統(tǒng)芯片 是 DSP 控制系統(tǒng)的核心部件 通過在其外部環(huán)節(jié)加入擴(kuò)展板 可以使系統(tǒng)具有相應(yīng)的功能 系統(tǒng)模塊如圖 2 3 1 所示 圖 2 3 1 TMS320F2812 的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊圖 1 電源電路的設(shè)計(jì) 10 本設(shè)計(jì)采用外部 5V 直流電壓供電 通過 DC DC 器件產(chǎn)生 3 3V 的內(nèi)核電壓 VDD 和 1 8V 的 I O 電壓 電源芯片 TPS767D318 為雙電源輸出 一路為 3 3V 一路為 1 8V 每路 電源的最大輸出電流為 1A TI 公司的 TPS767D318 電源芯片屬于線性降壓型 DC DC 變換 芯片 能夠通過 5v 的電源形成兩類不一樣的電壓 它的最大輸出電流為 1A 那么一片 DSP 芯片和少量外設(shè)電路的輸電需要將得到滿足 此芯片有自身攜帶的電源檢測及復(fù)位管理模 塊 對于電源和復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 能很方便的得以實(shí)現(xiàn) 芯片還提供兩個(gè)寬度為 200ms 的 低電平復(fù)位脈沖 本設(shè)計(jì)的復(fù)位信號分兩種 上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位 上電復(fù)位由芯片 TPS767D318 產(chǎn)生 手動(dòng)復(fù)位由電阻電容組成的電路產(chǎn)生 具體電路圖如 2 3 1 1 所示 圖 2 3 1 1 電源電路 2 時(shí)鐘部分 為 DSP 芯片提供時(shí)鐘一般有兩種方法 采用晶體和采用外部有源時(shí)鐘芯片 本設(shè)計(jì)采 用前者 它利用了 DSP 芯片內(nèi)部所提供的晶振電路 在 DSP 芯片的 X1 和 X2 之間連接一 晶體可啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器 本文利用外部有源時(shí)鐘方式 通過選取 3 3v 供電的晶振來實(shí)現(xiàn)時(shí) 鐘設(shè)計(jì) 晶振的頻率為 30MHz 通過設(shè)置 PLL 來將 F2812 調(diào)節(jié)至最高的工作頻率 為 150MHz 如圖 2 3 1 2 所示的晶振電路 圖 2 3 1 2 晶振電路 11 3 仿真部分 這一部分將作為程序的調(diào)試和燒錄所用 F2812 芯片提供了 5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 信號和 兩個(gè)仿真引腳 透過仿真引腳 來實(shí)現(xiàn)仿真 與傳統(tǒng)電路仿真相比 掃描仿真消除了由于 電纜過長而引起的信號失真和仿真插頭的可靠性差的問題 另一個(gè)掃描仿真的優(yōu)點(diǎn)就是 能夠進(jìn)行在線仿真使得調(diào)試過程極為方便 圖 2 3 1 3 顯示了 JTAG 接口電路 圖 2 3 1 3 JTAG 接口電路 2 3 2 ADS8364 的接口設(shè)計(jì) ADS8364 采用 5V 模擬電源和數(shù)字電源 而其內(nèi)部的緩沖器采用與 TMS320F2812 相 同的 3 3V 電壓 緩沖器電壓允許直接連接到 3V 或 5V 電壓系統(tǒng) TMS320F2812 的 I O 電 壓為 3 3V 因此 若使用該元件 ADS8364 的 BV 必須設(shè)置成 3 3V 在這個(gè)設(shè)計(jì)中 ADS8364 采用的是 4MHz 時(shí)鐘 每個(gè)通道的吞吐率最大可達(dá) 200kB s 將 ADS8364 的地址線 A 2 0 接到 TMS320F2812 的地址線 當(dāng) A0 接到數(shù)字地 A2 和 A1 接到電源上可迫使 ADS8364 進(jìn)入周期模式 在這個(gè)模式中 轉(zhuǎn)換器可自動(dòng)對六 個(gè)通道進(jìn)行采樣 并可將數(shù)據(jù)按從 A0 到 C1 的順序傳送到輸出端 將 ADS8364 的 BYTE 引腳接到電源上 可以使能字節(jié)模式 在這個(gè)模式中 要從 ADC 中正確地讀取數(shù)據(jù) 需要對每個(gè)通道進(jìn)行兩次連續(xù)的讀操作 第一次讀取的是轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)的高位字節(jié) 第二次讀取的是低位字節(jié) 假如通道信息要作為數(shù)據(jù)輸出的一部分 那么 應(yīng)將 ADS8364 的 Add 引腳也接到電源上 讀取數(shù)據(jù)時(shí) 需要對 ADS8364 的每個(gè)通道進(jìn)行 三次讀操作 第一次讀取通道和數(shù)據(jù)信息 后兩次分別讀取高位和低位數(shù)據(jù) 將 ADS8364 的 BYTE 接地 則轉(zhuǎn)換結(jié)果將從 D0 D15 并行輸出 由于 F2812 采用 16 位數(shù)據(jù)讀取的方式 所以本設(shè)計(jì)將 BYTE 接地 具體的連接電路如圖 2 2 2 所示 12 圖 2 2 ADS8364 與 DSP 的連接電路 在本系統(tǒng)中 PWM 電路的 PWM1 PWM2 PWM3 與 8364 的 HOLDA HOLDB HOLDC 信號相連 控制 6 個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的采樣與保持 EOC 連接 到 F2812 的 EXT INT1 2 3 3 ADC 的初始化操作 觸發(fā) ADS8364 的復(fù)位引腳 RST 可以確保讀指針指向第一個(gè)數(shù)據(jù)位置 作為 TMS320F2812 初始化的一部分 由 TMS320F2812 的通用輸入輸出口 GPIOF0 提供給 ADS8364 的引腳 RST 當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘穩(wěn)定后 被觸發(fā)為低電平 從而確保了從 ADC 輸出的 數(shù)據(jù)對應(yīng)于通道 A0 A1 B0 B1 C0 C1 的排列 對于每一個(gè)轉(zhuǎn)換通道 EOC 均是低電平信號 ADS8364 可為 TMS320F2812 提供三個(gè) 脈沖 每個(gè)脈沖信號表明一個(gè)轉(zhuǎn)換的結(jié)束 當(dāng) ADC 的這三個(gè)引腳同時(shí)置低時(shí) 三個(gè)通道 被認(rèn)為有效并同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 另外 EOC 引腳也可被連接到 TMS320F2812 的一個(gè)中斷引 腳 以觸發(fā)一個(gè)讀周期 ADS8364 的片選 CS 是一個(gè)有源低電平輸入信號 當(dāng) CS 為高時(shí) 并行輸出引腳處于 高阻態(tài) 當(dāng) CS 為低時(shí) 并行數(shù)據(jù)線反映了輸出緩沖器的當(dāng)前狀態(tài) 為了正確地從 ADS8364 的并行數(shù)據(jù)總線上讀取數(shù)據(jù) ADS8364 必須被片選 CS 選中后才能進(jìn)行讀操作 ADS8364 的讀信號端也是有源低電平信號 當(dāng) CS 為低時(shí) 在讀信號的下降沿 ADS8364 中寄存器的內(nèi)容將被更新 這意味著在每個(gè)讀序列之前 RD 信號必須被觸發(fā) 這樣才能更新輸出緩沖器 通過 TMS320F2812 的中斷子程序?qū)?ADS8364 的 RD 引腳置低 可以保存輸入的數(shù)據(jù) 之后可再將 RD 引腳置高 13 3 采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) C 語言以及匯編語言混合編程組成了 DSP 的軟件設(shè)計(jì) 通過基于匯編語言的 FFT 算 法 能夠?qū)崿F(xiàn)提高程序代碼的效率 C 語言編程則運(yùn)用于其他部分 對于增強(qiáng)程序可讀性 便于程序調(diào)試很有幫助 這個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容包括這幾個(gè)部分 DSP 內(nèi)置外圍電路的 驅(qū)動(dòng) 模數(shù)轉(zhuǎn)換啟動(dòng) 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集 硬件的底層操作在這些驅(qū)動(dòng)程序中完成 一般要 求及時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 所以應(yīng)該在中斷處理模塊中操作 本軟件設(shè)計(jì)的著重點(diǎn)在于模數(shù) 轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)和利用中斷程序完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集 3 1 采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程 ADS8364 的軟件設(shè)計(jì)流程如下 首先 利用 TMS320F2812 芯片的事件管理器中的全 比較單元產(chǎn)生保持 hold 信號給 ADS8364 當(dāng) ADS8364 接收到此信號并且其 3 個(gè) ADC 通 道引腳保持了 20ns 的低電平時(shí) 模數(shù)轉(zhuǎn)換開始 其次 利用 TMS320F2812 芯片的外設(shè)中 斷引腳來接收 ADS8364 轉(zhuǎn)換完成時(shí)傳來的 EOC 低電平信號 進(jìn)而觸發(fā)中斷服務(wù)程序 最 后 在中斷服務(wù)程序中將引腳 RD 置低以使 ADS8364 轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中的數(shù)據(jù)從并行總線 上讀出 3 2 采樣系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分 系統(tǒng)初始化和主程序 其中初始化模塊只在系統(tǒng)上電時(shí) 執(zhí)行一次 主要是對系統(tǒng)狀態(tài)寄存器的設(shè)置 中斷標(biāo)志和允許的設(shè)置 看門狗的設(shè)置 定 時(shí)器初始化 通用 I O 口的設(shè)置和初始化 初始設(shè)置完成并得到開機(jī)信號后 系統(tǒng)進(jìn)入 循環(huán)等待狀態(tài) 主程序包括保持信號的開啟 中斷程序的開啟 3 2 1 PWM 波形原理 為了達(dá)到采樣系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求 本文設(shè)計(jì)了在 ADS8364 的每個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)對 6 路 ADC 同時(shí)采集一次 因?yàn)槔?F2812 的全比較單元來作為 ADS8364 的保持信號 所以要 對全比較單元產(chǎn)生 PWM 波形的原理加以介紹 首先 先介紹 F2812 的通用定時(shí)器的比較操作和 PWM 波形的原理 PWM 簡稱脈寬 調(diào)制 是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù) 簡單來 講 它是矩形脈沖波 以周期 頻率和占空比來描述 在事件管理器中 每個(gè)通用定時(shí)器 都有一個(gè)比較寄存器 TxCMPR 和一個(gè) PWM 輸出引腳 TXPWM 通過定時(shí)器計(jì)數(shù)器寄存器 14 TXCNT 的值不斷與比較寄存器比較 當(dāng) TXCNT 的值等于 TXCMPR 的值時(shí) 就發(fā)生了比 較匹配事件 如果中斷使能 則產(chǎn)生一個(gè)比較中斷的請求 當(dāng) T1CNT 工作于連續(xù)增計(jì)數(shù) 模式時(shí) T1PWM T1CMP 引腳輸出不對稱的 PWM 波形 此時(shí) T1 的控制寄存器 T1CON 的位 TMODE 值為 2 當(dāng)發(fā)生比較匹配時(shí) 如果 T1CON 的 TECMPR 位為 1 定時(shí)器比較 操作被使能 同時(shí) GTCONA 的 TCMPOE 位為 1 定時(shí)器比較輸出被使能 引腳 T1PWM T1CMP 的電平就會(huì)發(fā)生跳變 從而輸出不對稱的 PWM 波形 引腳的輸出極性由 GPTCONA 的位 T1PIN 的值來決定 如果 T1PIN 的值為 2 T1PWM T1CMP 的輸出極性 為高電平有效 即一個(gè)計(jì)數(shù)周期中 比較匹配后輸出高電平 其余時(shí)間輸出低電平 下面來推導(dǎo) PWM 波形的參數(shù) 當(dāng)定時(shí)器 T1 工作于連續(xù)增計(jì)數(shù)模式時(shí) 一個(gè)周期為 T1PR 1 個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘脈沖 假設(shè)定時(shí)器計(jì)一次數(shù)所需要的時(shí)間為 t 則定時(shí)器計(jì)數(shù)一個(gè)周 期所需的時(shí)間為 3 1 tPRTT 11 其中 定時(shí)器的時(shí)鐘頻率 TCLK 的倒數(shù)就是每一個(gè)時(shí)鐘脈沖的時(shí)間寬度 t 3 2 s TCLK t 1 T1 計(jì)數(shù)一個(gè)周期所花的時(shí)間 3 3 TCLK PRT tPRTT 11 11 當(dāng) T1PIN 為高電平有效時(shí) 占空比為 3 4 11 111 PRT CMPRTPRT D 當(dāng) F2812 的外部晶振頻率為 OSCCLK Hz 時(shí) 通過 F2812 內(nèi)部的鎖相環(huán) PLL 模塊得到 系統(tǒng)時(shí)鐘 SYSCLKOUT 假設(shè) PLL 寄存器的值為 m 則 3 5 0 2 mmOSCCLKSYSCLKOUT 取 OSCCLK 30MHz m 10 則 SYSCLKOUT 就等于 150MHz 達(dá)到 F2812 所能支持 的最高時(shí)鐘頻率 SYSCLKOUT 信號需要通過高速預(yù)定標(biāo)因子才能得到提供給高速外設(shè)的 高速時(shí)鐘 HSPCLK 假設(shè)高速預(yù)定標(biāo)寄存器的值為 n 則 3 6 0 2 nnSYSCLKOUTHSPCLK 對于定時(shí)器 T1 的時(shí)鐘 取決于 T1 控制寄存器 T1CON 中的第 10 8 位 定時(shí)器輸入時(shí) 鐘預(yù)定標(biāo)因子 TPS 的值 假設(shè)其值為 P 則 3 7 PHSPCLKTCLK 2 15 在本設(shè)計(jì)中 P 取 0 n 取 1 則 TCLK 75MHz 由于本設(shè)計(jì)需要用到 3 個(gè) PWM 波形輸出來作為 HOLD 信號 而定時(shí)器比較功能只能 產(chǎn)生 2 路 PWM 波 所以選用全比較單元來生成 PWM 波 全比較單元生成 PWM 時(shí) 原 理與定時(shí)器比較功能相類似 只不過全比較的波形生成用的比較寄存器是 CMPR1 EVA 的比較單元所使用的時(shí)基是由 T1 來提供的 也就是在使用 CMPR1 產(chǎn)生 PWM 波形時(shí) 用 到的是 T1PR 和 T1CNT 和通用定時(shí)器產(chǎn)生的 PWM 波形一樣 當(dāng) T1 工作于連續(xù)增計(jì)數(shù) 模式時(shí) 比較單元 1 輸出不對稱的 PWM 波形 對于本設(shè)計(jì) 外部晶振為 4MHz 的 ADS8364 芯片的轉(zhuǎn)換周期為 5 s 所以要設(shè)置全比較 單元的 PWM 波形的周期為 5 s 于是就需要對周期寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置 將計(jì)數(shù)模式 設(shè)為連續(xù)增 依據(jù)公式 3 3 PWM 的周期 T T1PR 1 TCLK 其中 T 為 5 s TCLK 為 75MHz 則可得 T1PR 375 另外 ADS8364 的 3 個(gè)轉(zhuǎn)換通道只要保持 20ns 的低電平就會(huì) 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 那么只要使得 PWM 波形的低電平脈沖時(shí)間大于 20ns 即可 本設(shè)計(jì)將 PWM 引 腳極性設(shè)為高電平有效 且 T1CMPR 355 依據(jù)公式 3 4 占空比為百分之五 其中有 0 25 s 的低電平作為 hold 信號 在轉(zhuǎn)換完成之后 相應(yīng)的 EOC 引腳輸出低電平觸發(fā)中斷 程序 這時(shí)候需要讀取數(shù)據(jù) 所以要將 ADS8364 的 RD 引腳置低 這就可以將 GPIO 里的 引腳 XF 與 RD 相連 并將其初始化為通用的 I O 口 方向?yàn)檩敵?待中斷程序觸發(fā)時(shí) 置 XF 為低電平 3 2 2 初始化及控制程序 1 系統(tǒng)控制模塊的初始化 include DSP28 Device h struct SCSR BITS Uint16 WDOVERRIDE 1 union SCSR REG Uint16 all Struct SCSR BITS bit 系統(tǒng)控制與狀態(tài)寄存器的定義 void InitSysCtrl void Uint16 i EALLOW SysCtrlRegs WDCR 0 x0068 禁止看門狗 16 SysCtrlRegs PLLCR 0 xA 對于 30MHz 的晶振 系統(tǒng)時(shí)鐘 SYSCLKOUT 30MHz 10 2 150MHz for i 0 i PIE CTRL PAGE 1 3 初始化 GPIO 模塊 Void InitGpio void EALLOW GpioMuxRegs GPAMUX bit PWM1 GPIOA0 1 設(shè)置 PWM1 引腳 GpioMuxRegs GPAMUX bit PWM2 GPIOA1 1 設(shè)置 PWM2 引腳 GpioMuxRegs GPAMUX bit PWM3 GPIOA2 1 設(shè)置 PWM3 引腳 GpioMuxRegs GPFMUX bit XF GPIOF14 0 將 XF 引腳設(shè)置為 I O 口 GpioMuxRegs GPFDIR bit GPIOF14 1 引腳方向?yàn)檩敵?GpioMuxRegs GPFSET bit GPIOF14 1 引腳初始化為高電平 EDIS 4 初始化 EV 模塊 17 Void InitEv void EvaRegs T1CON bit TMODE 2 設(shè)置為連續(xù)增模式 EvaRegs T1CON bit TPS 0 T1CLK HSPCLK 75MHz EvaRegs T1CON bit TCLKS10 0 使用內(nèi)部時(shí)鐘 T1CLK EvaRegs T1CON bit TECMPR 1 使能定時(shí)器比較操作 EvaRegs T1PR 0 x177 周期為 5us 的 PWM 波形 EvaRegs T1CNT 0 EvaRegs COMCONA bit CENABLE 1 使能比較單元的比較操作 EvaRegs COMCONA bit FCOMPOE 1 全比較輸出 EvaRegs ACTR ALL 0 xA EvaRegs CMPR1 0 x166 EvaRegs CMPR2 0 x166 PWM1 PWM2 PWM3 占空比為 5 EvaRegs EVAIMRA bit T1PINT 1 EvaRegs EVAIMRA bit T2PINT 1 使能定時(shí)器中斷 EvaRegs EVAIFRA bit T1PINT 1 EvaRegs EVAIFRA bit T2PINT 1 清除定時(shí)器中斷的標(biāo)志位 3 2 3 主程序及中斷程序 F2812 的 CPU 按照如圖 3 3 2 所示的 4 個(gè)步驟來處理中斷 首先由外設(shè)向 CPU 提出中 斷請求 然后如果這個(gè)中斷是可屏蔽中斷 CPU 便會(huì)去檢查這個(gè)中斷的使能情況 再?zèng)Q定 是否響應(yīng)該中斷 如響應(yīng) 接著 CPU 會(huì)完整地執(zhí)行完當(dāng)前指令 為了記住當(dāng)前主程序的 大部分內(nèi)容 在準(zhǔn)備工作做完之后 CPU 就取回中斷向量 開始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序 當(dāng) 然 處理完相應(yīng)的中斷事件之后 CPU 就回到原來主程序暫停的地方 恢復(fù)各個(gè)寄存器的 內(nèi)容 繼續(xù)執(zhí)行主程序 18 圖 3 2 2 CPU 處理中斷