毕业设计（论文）电动机保护控制器的开发与研制

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1、本科毕业设计论文 题 目 电动机保护控制器的开发与研制系 别 电气与信息工程专 业 自动化班 级 自动化学生姓名 指导老师 王 鹏 光 20111摘要摘 要 电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要，而电机保护器对电动机的正常运行无疑具有决定性的意义。电动机保护控制器的科技发展趋势是实现产品的微型化、数字化、智能化和网络化并在性能上向高精确度、高可靠性、高环境适应性方向发展。而在这个过程中，DSP(Digital Signal Processor)结构

2、上的突出特点无疑将会起到巨大的作用。DSP芯片已经广泛应用于自动控制、图象处理、通信技术、网络设备、仪器仪表和家电等领域；DSP为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。目前，应用最广泛的DSP芯片是TI(德州仪器)公司的产品，占到全球市场的60左右。本系统设计采用的是32位定点DSP芯片TMS320F2812。该芯片最高可在150MHz主频下工作，带有128 k16位片上FLASH。器件具有丰富的外设资源，主要包括28路12位ADC、2路SCI、1路SPI、1路JTAG，另外，该器件还有3个独立的32位定时器，以及多达56个独立编程的GPIO引脚。TMS320F2812强大的功能使其仅需要极

3、少量外设即可构成一个功能丰富的硬件系统，可兼顾控制和快速运算的双重功能。本系统设计的基本原理就是监测电机运行时的电流参数，通过对该参数的分析，获得电机的工作情况，为做到实时保护电机提供准确的参考信息。本论文的主要工作是底层硬件设备，它包括前端的数据采集、参数计算，从而可以确保电机保护器的实时性和精确性。关键词：电动机 DSP 电流检测I摘要Study On Motor Protector Based on TMS320F2812 The electromotor which is now an important part of Electrical Towage Systems holds

4、the balance in National EconomicIt Call be used in every walk of life and is the important guarantee of industry，agriculture，construct of national defence and the peoples livelihoodSo it is very important to assure the electromotor run naturalAnd the motor protector is crucialThe motor protector wil

5、l be micromation：numerical，intelligentize and networking，at the same time it will be high precision，high reliability and be used in all conditionsThe advantage in structure of DSP will play a11 important holeDSP has been used in autocontrol，image manipulation，telecom，network，instrument and video abr

6、oad and it plays a great hole for support to digital signal processingAt present，the products of TI(Texas Instruments)are 60 percents ofthe worldS market The keystone ofthe system is to gather and analyse the voltage and the current of the electromotor then the status of the motor can be got and the

7、n it can help to protect electromotor TMS320F2812 is used in this system to insure the real time and accuracyThe study on the motor protector based on the chip. TMS320F2812 is presented in hardware and software development.After application in actual running motor of several factory,this protector c

8、an monitor various fault and protector the motor from damage timely,therefore,the motor can run reliably with protector.目 录引言-1第一章 电动机保护控制器概况1.1 电机保护控制器的发展概况及现状-21.1.1 电机保护控制器的结构和发展趋势-3 本论文（设计）的选题和研究内容-31第二章 关于电机保护控制器的基本原理-322.2 系统基本原理和设计思想-352.3 理论分析-382.1.2 结构-382.2 机理-392.2.1 -402.2.1.1 -41第三章 硬件

9、设计3.1 TMS320F2812特点及性能-4 -42第四章 软件设计4.1.1 -404.1.2-41 -45第五章 结论和展望5.1论文（设计）研究总结-455.2景展望-46致 谢- 参考文献-48引言近年来，随着社会科技工业的不断兴起，电动机的保护控制器越来越受到各企业商家对其发展与研究的重视。电动机保护控制器是针对低压电动机在各种应用场合故障诊断而开发的智能电动机保护器。具有体积小，重量轻，功能强大，可靠性高，配置灵活，外形美观，安装方便等特点。它采用高集成制的高速处理器进行数据采集，处理，在实现传统的低压电动机保护的基础上，融入测控、计量、运算、运行记录和通讯功能，真正实现数字化

10、，智能化，网络化，做到保护和控制与一体。电动机作为拖动系统中的重要组成部分，在国民经济中占有重要地位，它的应用渗透到各个行业，而在使用过程中造成电动机烧毁的事故屡见不鲜，因此设计性能优越的保护装置，对于提高生产效率、节能和保证安全生产具有重要意义，而且为工业生产过程控制的管理带来了很大的便利！第一章 电动机保护控制器概况1.1 电机保护控制器的发展概况及现状我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等几个阶段。值得一提的是由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台，使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。(1)热继电器、熔断器

11、和电磁式电流继电器在建国初期，我们引进了苏联的JR系列热继电器，从而开始了其在中国电机保护行业中长达半个世纪的生涯，直到1996年国家八部委联合发文强制将其淘汰。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，它是利用双金属片热效应工作的，双金属片是由不同膨胀系数的两片金属铆合而成，当电流通过时它将产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，电流的大小和弯曲的程度成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定倍数时就会扁动其中的脱扣装置从而切断主回路达到保护的目的。但热继毫器存在致命的缺陷，包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等，已无法满足越来越高的要求，因而也就无法避免被淘汰的

12、命运。很多人把熔断器作为电机的过载保护，其实这是一种不科学的做法。因为首先受其规格限制无法按电机额定电流进行准确设定，况且如果熔断器规格选得太小容易造成断路，使电机单相运行，如果熔断器规格选得太大，则达不到过载保护的效果。电磁式电流继电器具有过载、堵转保护功能，有的还有缺相保护，其过载保护具有反时限特性，但其结构复杂，机械制造精度高，价格高且体积庞大，因而目前已被基本淘汰。（2)模拟电子式电机保护器在上个世纪七八十年代，随着半导体模拟器件的兴起及普及，涌现出了一批性能比较可靠、功能多样化的电子式电机保护器，为电机的可靠运行提供了较可靠的保障，其中得到公众认可且具有自己品牌特色的以韩国三和技研株

13、式会社的产品为代表，在国内市场具有一定影响，他们的产品品种多样，规格齐全，主要功能包括：缺相，过载，欠流，相失衡，相序，接地，短路，过欠压，电流显示，声光报警及变送输出等，但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷，包括如下几个方面：1整定精度不高，模拟电子式电机保护器均采用电位器进行额定电流的整定，然而要使电位器滑动臂的旋转角度与其阻值成较好的线形关系比较困难，特别是在大批量生产中更是难以做到，另外，操作者的整定误差也是难以避免的，特别是对于那些没有设定值显示的产品。2采样精度不高，模拟线路对电流互感器的非线性问题束手无策，即使可以校正也会使线路变得非常复杂，甚至无法实际使用，因而大部分厂家只好将非

14、线性问题依赖于提高电流互感器的线性，而实际上要想由矽钢片做成的电流互感器在很宽的范围内保持线性是非常困难的，行内人士知道用于电机保护器采样的电流互感器需考虑的最大使用范围至少为被保护电机额定电流的7倍，因为电机在堵转情况下会达到57倍的额定电流；另外，采样线路本身也存在非线性问题。基于这些技术难题，要实现高精度的采样自然就成了一句空话。3无法实现具有多种保护功能于一体的全保护，随着社会的发展，人们对电机保护的要求也越来越高，希望保护器的功能多样化，性能可靠，接线简单，界面直观且体积要小，这些都是纯粹的模拟线路根本无法实现的。鉴于以上原因，纯棒模拟线路的保护器正逐渐被其它一些更先进的技术产晶所代

15、替。(3）数字电子式电机保护器这类电机保护器主要以单片机作为控制器，可实现电机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，可在PC机上实现对多达256台联网的电机实现在线综合监视与控制，在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响，真正实现了高精度采样，在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设定，不存在误差，还可为过载保护设置多条更科学的反时限曲线。因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能与一体的综合保护器的出现成为可能，例如，上海万谱最近研制成功的SWJ2系列保护器就具有远程通讯、声光报警、过载、堵

16、转、短路、漏电、故障记忆等多种功能，它采用交流采样技术、多点线性校正技术、量程自动切换技术，使其在1A100A或10A1000A的测量范围内都能保持很高的采样糟度，在国内外同类产品中处于领先地位。同所有的产品一样，电机保护器经历了由低级到高级、由简单到复杂逐渐科学完善的发展过程，在这个过程中一批批技术人员倾注了大量的热情与心血。仪器仪表的科技发展趋势是实现产品的微型化、数字化、智能化和网络化。并在性能上向高精确度、高可靠性、高环境适应性方向发展。现在市场上有非常多的电机保护器，而且一般价格也不是很高，像成都普达电器有限公司3DBl2型号的电机保护器针对不同功率的电机价格一般在200-900元左

17、右，但是因为这些产品在功能上都有很大的提高余地，所以这次课题就是希望能在电机保护器的微型化、智能化、网络化和完全实时性方面做一点尝试。第二章 关于电机保护的基本原理2.1 系统基本原理和设计思想电机运行中常常会出现不正常的运行状态。这些不正常的运行状态包括：过载、堵转、短路、轻载、不平衡、断相、过压、欠压和漏电。本次电机保护是在检测三相电流IA、IB、IC的基础上做出的。具体过程如下：设置各个参数,由PC机发出控制信号;(2) 采样三相电流，得到实时值;(3)对数据进行处理和计算,得到电流的有效值、有功功率、无功功率以及功率因数;(4) 判断电机是否处于不正常的运行状态;(5) 通过SPI接口

18、把数据发送到显示部分,显示在LCD上。系统的硬件框图如图1所示。CPU选用TI公司的TMS320F2812,其丰富的硬件资源在系统中得到了充分的应用,加上少量的外围器件,就构成了一个功能完善、简便适用的系统。图1 硬件框图 2.1.1 理论分析 电机保护器是指采集电机工作时的三相电压、电流瞬时值，并对电压、电流有效值、有功、无功、功率因数以及电量等进行计算显示，同时进行保护(即通过采集数据来判断电机是否正常工作，如果出现欠压、过压、断相等情况，立刻报警同时切断电源保护电机)的设备。因此在设计中，如何通过AD采集所得到的电压、电流瞬时值来计算上述这些参数就成为了本课题的关键。在工程实践中多采用下

19、面的离散化公式。线路电流有效值： (21)式中N为每个周波采样点个数，正常采样64点周期，用于谐波分析128点，周期；“为j个离散采样点。在本次项目中，为了使采样更精确，采用了128点，周波的采样方式。线路电压有效值： (2 2)线路有功功率： (2 3)无功功率： (24-)功率因数采用的公式是： (25)式中P为系统的总功率，U.I为一相的电压和电流值。21公式的推导周期电流、电压的瞬时值都随时间而变化，为了确切地衡量其作功本领的大小，在工程实际中，采用了一个能反映正弦量作功效果的量值，称为有效值。以周期电流为例，一个周期电流的有效值是这样确定的：如果这个周期电流i通过电阻R，在一个周期的

20、时间内所产生的热能，恰好等于某I直流电流，通过同一个电阻R，在同样时间内所产生的热能，则把这个直流电流的值，定义为该周期电流i的有效值。当一个周期电流i通过电阻R时，该电阻在一个周期内所吸收的电能量为 (2 7)而产生的热量为 (28)假定一个量值为，的直流也通过同一电阻R，它在时间T内产生的热量为 (2 9)如果周期电流i与此直流，在一个周期内所产生的热量相等，则有 (210) 则有 (211) 因为采用的都是数字离散量，所以对上面的公式(211)进行离散化，假设采样点数为H个，则T=nat，dt=At，则上述公式变为 (212) 这个公式不仅仅只适用于正弦交流电，即使有定的干扰和谐波的。同

21、样的道理可以得到 1，2因为平均功率P是瞬时功率在一个周期内的平均值，即同样的道理将其离散化，就可以得到上述的这些公式就是本课题中所最终采用的计算各种参数的公式，后经过实验室仿真通过，在现场的环境中又通过了各项测试。实践表明，本论文所采用的公式完全可以满足本课题的工艺要求，在应用于工业现场的各种离散化公式中，本课题的公式为比较简单、可靠的一个。视在功率的定义是电压的有效值和电流的有效值的乘积，用大写字母S表示，单位称为伏安(VA)，或千伏安(kVA)。即： (218)无功功率表征的是电源与负载问能量交换的最大速率，单位是无功伏安，简称乏(v神或千乏(kv呻。考虑到本论文的实际情况，决定利用S、

22、P、Q之间的关系来求解Q.同时利用；可以求出各相的功率因数。第三章 硬件设计 目前，DSP(Digital Signal Processor)芯片已经广泛应用于自动控制、图象处理、通信技术、网络设备、仪器仪表和家电等领域：DSP为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。目前，应用最广泛的DSP芯片是TI(德州仪器)公司的产品。本论文中所涉及的课题就是使用TI生产的TMS320F2812来完成电机保护的功能。TMS320F2812系列DSP是TMS320数字信号处理器家族中的一员，该系列DSP是为满足大范围的数字电动机控制(DMC)应用而设计的。本章针对系统的具体要求明确了系统的任务和目标，同时

23、提出了系统关键技术和应解决的主要问题，由此设计了系统的技术方案，并将系统划分为不同的功能模块，制定了相应模块整合的原则.31 系统简介本课题采用的CPU结构是DSP芯片。DSP主要是针对保护对象电动机采集运行数据、分析处理数据。系统要求实现不同功能的硬件配套，因此本系统的主要功能为：构建一个面向电动机的采集检测系统模块，实现采集、信号处理及传输功能。本系统有下列的一些特点：a)对电动机的运行进行实时性监测，准确、稳定的采集特征信号。b)采集的特征信号为电动机的电流等信号。3。3系统的单元电路设计尽管硬件选型与单元电路设计的内容是基于TMS320F2812的系统，但由于DSP体系结构的一致性和常

24、见外围电路的通用性，只要真正理解本部分的设计方法，设计出基于其他DSP微处理器的系统，应该也是比较容易的。3.2TMS320F2812 简介简介：德州仪器所生产的TMS320F2812 数字讯号处理器是针对数字控制所设计的DSP，整合了DSP 及微控制器的最佳特性，主要使用在嵌入式控制应用，如数字电机控制(digital motor control, DMC)、资料撷取及I/O 控制(data acquisition and control, DAQ)等领域。针对应用最佳化，并有效缩短产品开发周期，F28x 核心支持全新CCS环境的C compiler，提供C 语言中直接嵌入汇编语言的程序开发

25、介面，可在C 语言的环境中搭配汇编语言来撰写程序。值得一提的是，F28x DSP 核心支持特殊的IQ-math 函式库，系统开发人员可以使用便宜的定点数DSP 来发展所需的浮点运算算法。F28x 系列DSP预计发展至400MHz，目前已发展至150MHz 的Flash 型式。1.高性能静态CMOS制成技术(1)150MHz(6.67ns周期时间)(2)省电设计(1.8VCore，3.3VI/O)(3)3.3V快取可程序电压2.JTAG扫描支持3.高效能32BitCPU(1)16x16和32x32MAC Operations(2)16x16Dual MAC(3)哈佛总线结构(4)快速中断响应(5

26、)4M线性程序寻址空间(LinearProgramAddressReach)(6)4M线性数据寻址空间(LinearDataAddressReach)(7)TMS320F24X/LF240X程序核心兼容4.芯片上(On-Chip)的内存(1)128Kx16 Flash(4个8Kx16，6个16Kx16)(2)1Kx16OTPROM(单次可程序只读存储器)(3)L0和L1：2组4Kx16 SARAM(4)H0：1组8Kx16SARAM(5)M0和M1：2组1Kx16 SARAM共128Kx16 Flash，18Kx16 SARAM5.外部内存接口(1)支持1M的外部内存(2)可程序的Wait S

27、tates(3)可程序的Read/Write StrobeTi最小g(4)三个独立的芯片选择(Chip Selects)6.频率与系统控制(1)支持动态的相位锁定模块(PLL)比率变更(2)On-Chip振荡器(3)看门狗定时器模块7.三个外部中断?8.外围中断扩展方块(PIE)，支持45个外围中断9.128位保护密码(1)保护Flash/ROM/OTP及L0/L1SARAM(2)防止韧体逆向工程10.三个32位CPU Timer11.电动机控制外围(1)两个事件管理模块(EVA，EVB)(2)与240xADSP相容12. (1)同步串行外围接口SPI模块(2)两个异步串行通讯接口SCI模块，

28、标准UART(3)eCAN(Enhanced Controller Area Network)(4)McBSP With SPI Mode13.16个信道12位模拟-数字转换模块(ADC)(1)2x8通道的输入多任务(2)两个独立的取样-保持(Sample-and-Hold)电路(3)可单一或同步转换(4)快速的转换率：80ns/12.5MSPS32系统的总体结构系统的总体要求是用TMS320F2812这款芯片来采集电机系统的电压和电流，并计算有功、无功、功率因数、频率以及电量等，然后将处理结果进行显示、控制、通信和保护。硬件的总体设计如下图31所示。TMS320F2812硬件原理图图1TMS

29、320F2812功能方块图。2.2TMS320F2812硬件结构介绍2.2.1OSC与PLL方块F2812芯片上设计了一个相位锁定模块(PLL)，这个模块将会提供整个芯片所需频率源。PLL模块方块图如图2所示。PLL提供了4 位(PLLCR3:0)的PLL倍率选择，共10种放大倍率，可动态改变CPU的频率频率。如表1所示为PLLCR 缓存器的格式，缓存器的位说明如表2所示。XCLKIN：外部频率源输入。OSCCLK：与XCLKIN的频率一样。CLKIN：CPU维持正常工作所需的频率源。这是整个芯片的最高频率。SYSCLKOUT：与CLKIN的频率一样，提供给外围电路使用。 图2 OSC与PLL

30、方块图。表1PLLCR缓存器位格式表：15-4 3 2 1 0 Reserved DIV R-0 R/W-0 R:读取;R/W:可读可写;-0=重置后的值NOTE:EALLOW-protected register表2 PLLCR缓存器位说明表：位 名称 功能描述 15-4 Reserved 保留 3-0DIV DIV 可以控制(不论PLL是否在旁路状态皆可控制)及设定(仅在PLL 为非旁路状态时才可设定)PLL的频率比： =0000，CLKIN =OSCCLK/2(PLL bypass) =0001，CLKIN =(OSCCLK*1.0)/2 =0010，CLKIN =(OSCCLK*2.0

31、)/2 =0011，CLKIN =(OSCCLK*3.0)/2 =0100，CLKIN =(OSCCLK*4.0)/2 =0101，CLKIN =(OSCCLK*5.0)/2 =0110，CLKIN =(OSCCLK*6.0)/2 =0111，CLKIN =(OSCCLK*7.0)/2 =1000，CLKIN =(OSCCLK*8.0)/2 =1001，CLKIN =(OSCCLK*9.0)/2 =1010，CLKIN =(OSCCLK*10.0)/2 =1011-1111 ，保留 2.2.2系统频率控制如图3所示，所有外围电路的频率都是由SYSCLKOUT经过除频而来，F2812将所有外围分

32、成两类，分别是：1.高速外围：包括事件管理模块(EVA，EVB)及ADC。2.低速外围：包括SCI-A/B、SPI、McBSP。HSPCLK：高速外围的频率，可经由HISPCP缓存器改变其频率，如表2-3所示为HISPCP缓存器的格式，缓存器的位说明如表4所示。LSPCLK：低速外围的频率，可经由LOSPCP缓存器改变其频率，如表2-5所示为LOSPCP缓存器的格式，缓存器的位说明如表6所示。图3系统频率方块图。表3HISPCP缓存器位元格式表： 15-3 2 1 0 Reserved HSPCLK R-0 R/W-001 R:读取;R/W:可读可写;-0=重置后的值NOTE:EALLOW-p

33、rotected register表4 HISPCP 缓存器位元说明表：位元名称 功能描述 15-3 Reserved 保留 2-0HSPCLK这些位元设定高速外围频率比(HSPCLK)与SYSCLKOUT的关系： 如果HISPCP0，HSPCLK=SYSCLKOUT/(HISPCPx2) 如果HISPCP=0，HSPCLK =SYSCLKOUT =000，高速频率= SYSCLKOUT/1 =001，高速频率= SYSCLKOUT/2( 预设值) =010，高速频率= SYSCLKOUT/4 =011 ，高速频率= SYSCLKOUT/6 =100，高速频率= SYSCLKOUT/8 =10

34、1，高速频率= SYSCLKOUT/10 =110 ，高速频率= SYSCLKOUT/12 =111 ，高速频率= SYSCLKOUT/14 表5 LOSPCP缓存器位元格式图：15-3 2 1 0 Reserved LSPCLK R-0 R/W-010 图7 CPU-Timers 方块图2.5事件管理模块(EVA,EVB)如图8事件管理模块包括一般用途定时器(General-Purpose,GPTimers)、全比较(full-compare)/PWM 单元、补抓单元(capture)及四象限编码器(QEP)电路，如此丰富的功能足以用于动态控制(motion control)及电机控制(mo

35、tor control)的应用。如表9所示，这两个事件管理模块(EVA和EVB)有相同的外围，能够控制2个三相电动机，可以应用于多轴动态控制。 图8事件管理模块(EVA)之功能方块图。表9事件管理模块和信号名称：2.5.2QEP单元每个事件管理模块都有一个四象限编码计数电路(QEP电路)，使用者可以藉由这个电路将光编码器两个相差90度的信号送到EVA 的CAP1/QEP1及CAP2/QEP2或EVB的CAP4/QEP3及CAP5/QEP4，来取得位置与速度的信息。F2812能够透过EVA和EVB 撷取两个Encoder的信号。EVA的QEP电路以GPtimer2为频率基础，而EVB的QEP电路

36、以GPtimer4为频率基础，与F240 最大的差异在于无法合并两个16位的定时器来扩展成32位的定时器，只能以16位的定时器来使用。QEP 电路的定时器之计数模式必需操作于”方向性上数/下数计数模式”。EVA的QEP电路方块图如图12所示。EVB的QEP电路方块图如图13所示。 图12EVA的QEP电路方块图。图13EVB的QEP电路方块图。如图14所示为典型的Encoder输出信号，在图的左半部，看到QEP1领先QEP2为90 度，所以定时器使用上数型。在图的右半部，看到QEP2领先QEP1为90度，所以定时器使用下数型。 图14QEP的解碼时序及方向图。2.6通用输入/输出(GPIO)接

37、口图15为GPIO的方块图，F2812许多外围都与GPIO共享接脚，使用时需要设定GPxMUX、GPxDIR、GPxQUAL、GPxDAT 等缓存器来达到硬件上的运用。GPxMUX：每个I/O端口都有一个多任务缓存器(GPxMUX)，GPxMUX 缓存器是用来选择这些接脚被拿来当做数字I/O(GPxMUX.bit=0)还是外围I/O(GPxMUX.bit=1)。当DSP重置时，所有I/O 预设为数位I/O。GPxDIR：每个I/O端口都有一个方向控制缓存器(GPxDIR)，用来设定为数字I/O时，其接脚为输入(GPxDIR.bit= 0)或输出(GPxDIR.bit=1)。当DSP重置时，所有

38、I/O预设为数字I/O。GPxQUAL：输入取样控制缓存器，用来设定做为数字I/O输入(INPUT)时，其资料的取样率。GPxDAT：每个I/O端口都有一个数据缓存器(GPxDAT)，用来读写接脚的状态。图15 GPIO方块图。2.7模拟数字转换(Analog-to-DigitalConverter,ADC)模块图16为ADC模块。AD转换模块TMS320F2812电机控制芯片内部集成了16路12位AD转换模块，模拟量信号采样输入范围是0 30 A/D为两组，ADOAD7为一组，AD8AD15为一组。每组都有一个专门输入端。事件管理器可将ADC配置为两个独立的8通道模块，也可串接成一个16通道

39、模块。尽管有多个输入通道和两个序列发生器，转换器只有一个。8通道模块将8路输入信号自动排序，并按序选择一路输入信号进行转换，转换完成后的结果保存在对应的结果寄存器中。串接模式下，成为16通道的AD模块允许对同一个通道信号进行多次转换，主要用于过采样的算法中。与单采样AD转换模块相比是个进步。ADC模块包括内建于取样/ 保持(sample-and-hold,S/H)的12-bitADC，ADC模块功能包括：1.内建取样/保持(sample-and-hold,S/H)之12位ADC核心2.模拟输入范围：0.0V3.0V3.快速转换速率：80nsat25-MHz ADC clock,12.5 MSP

40、S4.共16通道(channels)的多任务输入取得输入模拟电压之数字电压值：12-bit的ADC模块有25-MHzADC频率于80ns之快速转换，ADC模块有16个信道，可以设定成两个独立的8 信道模块来服务事件管理(EVA,EVB)。 图16ADC模块方块图。如图17所示为TI建议之连接图，其中若ADC模块的频率操作于118.75MHz时ADCRESEXT 的电流偏压电阻使用24.9K，若操作于18.75MHz25MHz，ADCRESEXT的电流偏压电阻使用20K。本2812数位控制板之ADC模块希望操作于25MHz，所以需使用20K来做偏压电阻。图17ADC管脚之连接。2.8串行通讯接口

41、(SerialCommunicationsInterface,SCI)模块F2812如图18所示包含两个串行通讯接口(SCI)模块，SCI模块提供了DSP 与其它标准non-return-to-zero(NRZ)格式的异步外围之间的数字通讯。SCI 的接收者和传输者皆采用双总线模式(Double-Buffered)，每一个皆有自已独自的允许和中断位。为了保证数据的完整性，SCI有中断侦测、同位检测、过载和框架错误去检查接收进来的数据。SCI模块主要的功能如下所示：1.两个外部的引脚位SCITXD：SCI传送输出引脚位SCIRXD：SCI接收输入引脚位2.鲍率有64K种不同的速率，可藉由缓存器设

42、定改变传输速率3.数据字符(Data-word)格式一个开始位传输数据位长度格式，可从1到8之间作程序化选择奇同位检测/偶同位检测/不使用同位检测的选择可选用1或2个停止位4.四种错误侦测旗标：同位(Parity)、过载(Overrun)、框架(Framing)和中断(Break)错误侦测5.可选择使用半双工或是全双工操作模式6.接收和与传输皆采用双总线模式(Double-buffered)7.传输方法采用NRZ(non-returo-zero)格式 图18串行通讯接口(SCI)模块之方块图。增强型SCI的特色：自动鲍率侦测硬件逻辑16-level传输/接收FIFO2.9串行外围接口(Seri

43、alPeripheralInterface,SPI)模块F2812如图19所示包含四引脚位串行外围接口(SPI)模块。SPI 模块使用于DSP控制器和外部外围或另一个处理器两者之一的通讯。典型的应用包含外部I/O 或外围延伸装置，例如：移位缓存器、显示装置和ADCs。SPI之Master/Slave操作支持多重装置通讯。SPI模块装置主要功能共有如下所述：1.四个外部引脚位：SPISOMI：SPIslave-输出/master-输入引脚位SPISIMO：SPIslave-输入/master-输出引脚位SPISTE：SPIslave传送-允许引脚位SPICLK：SPI串行-频率引脚位2.两个操作

44、模式：Master和Slave3.鲍率：125个不同可程序速率4.数据字符(Data-word)长度：1到16个数据位增强型SPI的特色：16-level传输/接收FIFO延迟传递控制 图19串行外围接口(SPI)模块之方块图。2.3内存结构介绍2.3.1TMS320F2812内存映如图4为TMS320F2812内存映像。“Low64K”之内存地址范围映像到240x的数据空间地址，”High 64K”之内存地址范围映像到24x/240x的程序空间地址，24x/240x兼容程序代码只能在“High64K”内存区域执行。图4TMS320F2812内存映像(MemoryMap)。172.3.2外部内

45、存接口(XINTF)TMS320F2812的外部内存接口(XINTF)是非多任务异步总线，映像到5个固定的内存映像区段，其定义如图5 所示.外部内存接口(XINTF)提供19条地址线及16条数据线，每个区段最大可以存取的内存范围为512Kx16，所支持的外部内存高达1Mx16以上。 图5外部内存接口(XINTF)方块图。2.4 32位元CPU Timers0/1/2TMS320F2812有3个32位元的CPUTimer，如图7为CPU-Timers之方块图。CPU-Timer0 可以让使用者来应用，而CPU-Timer1和CPU-Timer2则被保留做为实时(Real-Time)OS(例如：D

46、SP-BIOS)。这些CPU-Timers 不同于事件管理模块(EVA,EVB)内一般用途用(General-Purpose)Timers。CPU-Timer大致上的运作如下：32 位元的计数缓存器(TIMH：TIM)加载周期缓存器(PRDH：PRD)的值，计数缓存器是以TMS320F2812的SYSCLKOUT(150MHz)之速率递减，当计数到0时，Timer会产生一个中断信号。33，2系统的电源设计VccA为ADC模拟供电电压(33v)，VssA为ADC模拟地；VDD为内核电源电压+33V(数字逻辑电源电压)，vss为内核地，数字参考地。而且前端数据采集中的放大器LM248要求5V供电，

47、为了减少两路电压之间的互相干扰，所以在设计系统的电源时，就设计了模拟和数字两路电源，见下图34和图356前端的数据采集电路设计第四章系统软件设计在结合DSP编程规范和要求计算速度的前提下，本课题的程序采用了主程序使用C语言，其中嵌套汇编的格式，这对程序的设计有了比较高的要求。4.1程序书写规范要用TMS320F2812编译器开发一个DSP的C语言应用程序，需要以下4种类型的文件：C语言文件、汇编语言文件、头文件和命令文件。C语言文件是必须的：汇编语言文件则根据实际情况而定，一般程序的复位和中断向量需要用汇编语言编写；头文件定义DSP内部寄存器的地址分配，书写一次后可被其他程序反复使用；命令文件

48、主要定义堆栈、程序空间分配和数据空间分配等。这些文件可以用Windows操作系统中的“记事本”书写，也可以用其他一些常用的文本编辑器书写，只要存储成相应的格式即可。c语言文件为“c”格式，汇编语言文件为“ASM”格式，头文件为“H”格式，命令文件为“CMD”格式。注意，这4种类型的文件必须存储在同一个文件夹中。除此之外，还需要把一个“rts2xx1ib”的库文件复制到该目录中，在默认情况下，该文件可以在“C：tic2xxc2000cgtoolslib”目录中找到。在用C语言开发DSP应用程序时，整体上使用C语畜编写无疑有很大的优势，但是遇到一些对实时性要求较高或是需要对DSP的底层资源进行操作

49、的场合(如在本论文中，为了实现电机保护器的实时性，必须利用DSP本身所带的硬件乘法器，而硬件乘法器则只能使用汇编语言来搡作)用C语言编写相应的代码就会给开发带来一定的难度，甚至某些操作c语言根本就无法实现(如对OVM、CNF等位的操作)。这时，就需要在C语言中嵌入汇编语言。有两种方法可以实现这种功能。在C语言中嵌入革旬汇编语言在某些场合，只需要在C语言中嵌入一句或几句汇编语言，如在程序的初始化阶段对SXM、OVM、CNF等位的配置。用asm(即“需要嵌入的汇编语句”)的方式就可以实现单句的汇编语言的嵌入。在C语言中嵌入多旬汇编语言在C语言中嵌入单旬的汇编语言虽然操作简便，但这种方式破坏了C语言

50、的完整性，因此只提倡在程序开始的系统初始化部分少量采用。而在C语言中嵌入实现某一完整功能的多旬汇编语言时，就不提倡采用这种方法。这与在c语言中调用C语言子程序的规范是完全一致的，即对应的汇编语句在予程序的入口处需要保护一些特定的寄存器的值，类似于保护C语言在调用子程序前的运行现场；在子程序的出口处，又需要恢复前面保护的寄存器的值，以恢复现场。如果把需要嵌入的多句汇编语言编制成一个子程序，并在其入口和出口处遵循C语言的调用规范进行一些必要的操作，就可以方便的在C语言中调用汇编语言。C语言调用子程序时的规范如下。1)主程序需要进行的操作主程序调用另外一个子程序时需要进行如下的操作。特别注意ARP已

51、经由编译器自动设置为ARl。主程序把需要向子程序传递的参数按反序压入堆栈，即最右边的参数最先被压入堆栈，最左边的参数最后被压入堆栈。主程序调用子程序。在子程序返回前，ARP已经被设置为ARl。 当子程序调用完毕后，主程序要弹出先前压入堆栈的传递参数。2)予程序需要进行的操作一个子程序被调用时，需要进行下面的一些操作。在子程序的入口处，假设ARP已经被设置为ARl，这是由C编译器自动完成的。从硬件堆栈中弹出返回地址，然后把它压入软件堆栈。把主程序的数据结构指针FP压入堆栈。如果子程序改变了AR6或者AR7，也需要把它们压入堆栈。分配局部数据结构。执行子程序的实际任务代码。 如果子程序有返回值，则

52、把这个返回值放入累加器中。设置ARP为ARl。解除分配的局部数据结构。 如果AR6和AR7曾经被保存过，则从软件堆栈恢复它们的值。从软件堆栈恢复FP。把软件堆栈中存储的返回地址压入硬件堆栈。返回。如果是C语言主程序调用C语言子程序，则上面所述的调用规范是C编译器在生成汇编语言代码时自动完成的。如果是C语言主程序调用汇编语言编写的子程序，则子程序必须遵循前面所述“子程序需要进行的操作”规范进行编写，而“主函数需要进行的操作”则由C编译器自动完成。42程序的具体实现DSP上电启动后首先需要将保存在flash中的配置程序下载到DSP的程序存储器中，当程序下载完成后，DSP会立即从指定的存储器地址开始

53、执行程序，触发AD采样，然后对数据进行处理，在主程序工作过程中如果有中断产生则进入相应的予程序，本系统的中断源包括AD要求DSP读取转换结果和捕获要求DSP读取捕获结果两个内容。程序包括数据结构和算法两部分，首先及介绍一下数据结构的安排。因为DSP对三路电压、三路电流要进行128点周期的采样，计算过程又要求不影响采集的进行，所以需要多个数组来存储AD转换值。首先设置6个128单元的无符号整型数组来存储AD转换值，当判断得知128个点采集完之后，立刻进行转移，移到6个专门用来进行计算的128单元无符号整型数组中。简单解释一下程序流程。在初始化中，主要是系统初始化(即系统时钟频率的设置)、AD初始

54、化(因为设置由定时器1中断标志来启动AD转换，所以主要是设置定时嚣1，它的记时中断时间设置为20ms128)、SCI初始化(与ARM通信使用)、定时器4初始化(主要是为了记录时间的)以及捕获通道1初始化(用来捕获电压的频率，因为使用定时器2作为时基，所以主要是定时器2初始化)。在程序中有两个中断处理程序，一个是定时器1周期中断处理程序，负责把6个通道的AD转换值读进来，并保存在六个128单元的数组中。另一个是捕获中断处理程序，负责把中断发生时定时器2中的记数值(CAPlFIFO中)读入变量中。在计算中，计算电压电流有效值及功率时，使用了汇编语言，而在计算电量时，则使用定时器进行记时并与所求出的

55、有功功率进行乘积和累加运算，从而得出总的电量值。在SCI中，可以选择中断和查询两种方式来决定发送是否完毕，为了避免过多的中断嵌套，选择了查询，时间上浪费的可以说是微乎其微。1)AD采样程序的实现AD采样是中断服务子程序，具体的程序流稷见图42。因为要求采样128点周期，也就是在20ms内要求进行128次采样，所以DSP开始工作时，由定时器1计时启动AD转换，当采样完128个点之后触发DSP外部中断，主程序响应中断信号后进入读取AD转换结果的子程序，程序运行结束后返回。这里应该特别注意的问题是要转换的模拟通道和结果寄存器之间的对应关系，如果程序中是“+CHSELSEQI=0X2301：”的话，在进行AD转换后，RESULTO中存储的转换结果为ADCINl的转换值，RESULTl中存储的转换结果为ADCIN0的转换值。2)与ARM之间的数据传输程序的实现在把处理过的数据传输给ARM时，采用了SCI方式。协议中包括起始位、传输数据、结束位和校验位。传输数据时采用的是位一位传输ASCII码的方式。3)捕获程序的实现DSP的捕获单元在捕获引脚CAPl上出现正跳变时被触发，从而将所设定的定时器3的记数值捕获并存入到一个