基于TMS320F2812的高压开关测试系统的设计

我们通常所说的高压开关是指高压断路器。对电力系统或电网中某一回电力线路、或某一电气设备而言，用它可以实现关合、开断、保护、控制、测量等作用，担负着保证电力系统安全、稳定运行的重要任务。当某一被控制的线路或电气设备发生故障，只要继电保护发出指令，就能可靠地开断，且能根据自动装置发出的指令去实现重合，或者将永久故障断开，与电网的无故障部分隔离；如果被断开的电气设备是电力系统中的主供电源，则根据自动装置发出的指令去实现联切、远切本电站或对方电站的断路器，甩掉部分负荷，来保证电网的无故障部分安全、稳定运行。电力系统在正常运行时，根据调度运行方式等排的指令对断路器等进行倒闸操作，来达到电网安全、经济运行的目的。

高压开关在电网中起着控制和保护的双重作用，是电力系统中至关重要的开关设备之一。它发生故障或事故时会引起电网事故或扩大电网事故范围，有时甚至会引起电网崩溃，造成相当大的经济及其他方面的损失。通过对高压开关操动机构的动作特征、电气特性进行信息捕捉，可以对高压开关的可靠性做出判断，及时采取相应的措施，以保证电网的安全运行。为此，我们设计了一套基于TM$320F2812的高压开关机械特性测试系统。

DSP简介

数字信号处理是利用专用或通用数字信号处理芯片，通过数字方法实现信号处理。DsP芯片已经在通信与电子系统、信号处理系统、自动控制、雷达、军事、航空航天、家用电器、电力系统等许多领域中得到广泛的应用。

1　DSP系统

①DSP系统的构成

通常，一个典型的DSP系统包括抗混叠滤波器、数据采集A／D转换器、数字信号处理器DSP，D／A转换器和低通滤波器，其组成框图如图1所示。

系统的输入信号x(t)有各种各样的形式，可以是语音信号、传真信号，也可以是视频信号等。需指出的是DSP系统可由一个DSP芯片和外围电路组成，也可以由多个DSP芯片及外围电路组成，这完全取决于对信号处理的要求。另外，并不是所有的DSP系统都必须包含框图中所有的部分。

②DSP系统的特点

数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点：接口方便、编程方便、具有高速性、稳定性好、精度高、可重复性好、集成方便。

数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用DSP则使成本增加。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。此外，DSP技术对数学知识要求非常高，开发和调试工具还有待完善。

虽然DSP系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音，图像、雷达、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。

③DSP系统的设计过程

对于一个DSP应用系统，其设计过程如图2所示。依据设计过程，其设计步骤可以分为如下几个阶段。图2DSP应用系统的设计流程(1)定义系统性能指标。根据应用系统的目标确定系统的性能指标、信号处理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列或自然语言来描述。(2)采用高级语言进行性能模拟。一股来说，为了实现系统的最终日标，需要对输入信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的系统性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即数字信号处理的算法。(3)设计实时DSP系统。实时DSP系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制以及体积。功耗等要求选择合适的DSP芯片，然后设计DSP芯片的外围电路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的DSP芯片用e语言、汇编语言或者两者语言混合编程。(4)借助开发工具进行硬件和软件的调试。软件的调试通常基于DSP开发工具，如软件模拟器、DSP：a发系统或仿真器等。调试DSP算法时一般采用比较实时结果与模拟结果的方法，如果实时程序和模拟程序的输入相同，则两者的输出应该一致。硬件调试一般采用硬件仿真器进行调试。(5)系统集成与独立系统运行。当系统的软件和硬件分别调试完后，就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行。当然，DSP系统的开发，特别是软件开发是一个需要反复进行的过程，虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但在实际的模拟环境下不可能做到与实时系统环境完全一样，而且将模拟算法移植到实时系统的时候还必须考虑算法是否能够实时运行。

2DSP芯片

④DSP芯片特点

数字信号处理强调运算的实时性。因此，DSP除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外，针对实时数字信号处理的特点，在处理器的结构、指令系统、指令流程上做了很大的改进，其主要特点如下：(1)DSP采用数据总线和程序总线分开的哈佛结构或改进的哈佛结构，分别有各自的数据总线和地址总线，可以同时完成获取指令和读取数据操作。(2)采用流水操作，每条指令的执行划分为取指令、译码、取数、执行等若干步骤，由片内多个功能单元分别完成，支持任务的并行处理。(3)在一个指令周期内实现一次或多次乘法累加(MAc)运算。(4)在DSP中集成了多个地址产生单元，支持循环寻址和位倒序等特殊指令，使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。(5)DSP有一组或多组独立的DMA控制逻辑，提高了数据的吞吐带宽，为高速数据交换和数字信号处理提供了保障。(6)DSP支持重复运算，避免循环操作消牦太多时间。(7)DSP提供多个串行或并行I／O接口以及特别I／O接口，来完成特殊的数据处理或者控制，从而提高了系统的性能并且降低了成本。

②DSP芯片的选择

设计DSP应用系统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。一股来说，选择DSP芯片时应考虑：(1)系统特点。每种DSP都有自己比较适合的应用领域，在设计时必须根据系统的特点进行选择。(2)DSP芯片的运算速度。运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标。(3)DSP芯片的价格。在满足要求的情况下尽量使川低成本DSP。(4)DSP芯片的硬件资源。不同的DsP芯片所提供的硬件资源是不相同的。(5)DSP芯片的运算精度。一般的定点DSP芯片的字长为16位，如TMs320系列。(6)DSP芯片的开发工具。对于研究和样机的开发，一般要求系统工具能便于开发，因此选择DsP时需要考虑软件开发工具、硬件工具、高级工具以及相应的技术支持情况。(7)DsP芯片的功耗。在某些DSP应用场合，功耗也是

一个需要特别注意的问题。(8)其他。除了上述因素外，选择DSP芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。

一般而言，定点DSP芯片的价格较便宜、功耗较低，但运算精度稍低。而浮点DSP芯片的优点是运算精度高，且C语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗也较大。DSP应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的DSP芯片的基础。运算量小则可以选用处理能力不是很强的DSP芯片，从而可以降低系统成本。相反，运算量大的DSP系统则必须选用处理能力强的DSP芯片，如果DSP芯片的处理能力达不到系统要求，则必须用多个DSP芯片并行处理。

在DSP的选择上，考虑系统处理数据量大，对输出实时性要求高，且为方便系统后续软件升级和功能扩展等需求，选用TI公司一款性价比很高的基于32位的定点DSP芯片TMS320F2812。

系统概述

1　系统总体设计

根据高压开关测试系统的需要，系统采用TM$320F2812为底层处理器，采用模块化设计思想，极大地方便了程序的开发及维护。系统结构如图3所示，其中，串口Flash采用AT45DB04l保存采集后经过计算处理的数据，可以在掉电后不丢失数据。SRAM使用256k×16位的I$61LV25616作为存储变量和程序调试时使用。系统和上位机的通信使用R$232方式。数据采集时，首先通过A／D转换器件把16通道的模拟信号通过DSP的A／D转换进行处理，然后将处理后的数据存储于Flash中，通过LCD直接显示或发送至上位机进行后处理。

2　TMS320F2812资源介绍

TMS320F2812是TI推出的TM$32C2000系列中的高端DsP系列，具有运行速度快、外设集成度高、存储空间大。其主要特点如下：(1)高性能CPU。具有150Mbps的指令执行速度；单周期完成32×32位的乘法器或者5(2.16×16位；快速中断响应；单指令周期的读写操作；与TMS320F24x／TMS320LF240x源码兼容。(2)存储器访问子系统。无论是在RAM还是在Flash中程序都能以非常高的速度运行；100～120MIPS的FLASH访问技术；150MIPS的外部RAM访问速度。(3)控制端口。事件管理器A、B；高速12位的模数转换器；高达12.5MSPS的转换速度；双采样／保持实现两路同步采样；自动排序最多支持16个采样通道。(4)通信端口。具有多通道缓冲串口(McBSP)；具有CAN2.0B；具有SCI口；具有SPI口。

TMS320F28xx是TMS320LF24xx系列的升级产品，它兼容了TMS320LF24xx系列的所有功能，并对这些功能进行了强化。TM$320LF24xx系列的运行速度最高只有40MIPS百万条指令／秒，而TMS320F28xx系列提高到150MIPS的指令运行速度，模数转换速度、各个通信口的速度也比TM$320LF24xx系列有了非常大的提升。

系统硬件设计

1　模拟采集电路

交流电压信号的采集直接使用F2812内置12位A／D转换模块，由于该模块本身具有采样保持电路且要求输入电压范围为0～3V，因此设计时需将外部输入的220V电压信号在输入DSP之前转换成0～3V电压信号。考虑这方面因素，前端设计由电压互感器、电流电压转换电路、滤波电路和缓冲电路组成，最后输入DsP的信号满足系统要求。

2　CPLD设计

系统采用ALTERA公司的EPM7128，实现外设地址译码、数据锁存、开关量信号的输出以及同步DSP指令等功能，内部通过原理图设计对具体功能进行实现。cPLD的输入时钟为TM$320F2812的输出信号XCI。KOUT。CPLD内部设计主要分成地址译码单元和控制单元2个模块。

地址译码单元主要完成对外设模块的地址分配，包括打印机、显示器、USB和模拟量的采样地址的分配。地址译码的实现是由CPLD内部3-8译码器实现的。开关量的采集地址为2000H～27FFH；液晶显示器地址为2C00H-2FFFH；打印机地址为3400H～37FFH；USB地址为3C00H～3FFFH。

控制单元为cPLD设计的核心部分，主要同步I)sP发出的分／合俐指令，并对外部断路器进行控制，使它按指令进行分、合闸操作，从而测量高压开关的机械参数；调节cPu与慢速外设读写速度，对数据进行缓冲、锁存；控制打印机打印数据和液晶显示器显示数据。

合／分闸的控制信号经cPLD的I／O管脚输出，输出信号经过三极管和稳压电路驱动外部断路器动作。由于断路器关合过程中会产生强电磁效应，若直接由DSP的I／O管脚驱动控制信号，可能会使DsP的程序跑飞，影响控制效率，所以系统中开关量的输入输出均由CPLD完成，加强r系统的可靠性。

3USB通信电路设计

系统采用UsB接口芯片cH375，工作在主机方式下，以串口方式与DSP进行通信。与DSP的接口连接如图4所示。／WR和／RD分别与DSP的WR和RD信号相连，DSP的地址线A0与cH375的A0端口相连，作为cH375的命令和数据端口的选择，片选信号经过CPLD进行地址译码产生。中断端口与DSP的外部中断1相接，下降沿有效。

软件设计

1　系统软件设计

系统软件设计采用占先式实时多任务操作系统UC／OS-Ⅱ，其大部分程序采用ANSIC语言编写，可读性强，且其可靠性符合RTCADO-178B标准。

要使用UC／OS-Ⅱ，首先要把这个内核成功移植到F2812上。uC／OS-Ⅱ移植叫，丰要进行以下工作：①在OS_CPu.H文件中用#define语句定义与处理器相关的常量、宏及数据类型。②调整和修改头文件0S—CFG.H，以裁剪或修改UC／OS-Ⅱ的系统服务，减少资源损牦。③任OS_CPU—C.C文件中用C语言编写10个简单的函数。。三要完成函数0STaskStkInit()的编写。④编写汇编语言，存OS_CPU_A.ASM文件中编写4个汇编语言闻数。

其中，OS_CPU—A.ASM文件是“C／OS—n移植巾的重点和难点，这4个汇编函数的灾现是保证uC／OS-II运行的幕础。这4个函数分别是：OSStartHighRdy()(运行就绪态的优先级最高的任务)；OSCtxSw()(任务级的任务切换)；OSIntCtxSw()(中断级的任务的切换)；OSTickIsR()(时钟节拍中断服务子程序)，小移植用定时器CPUTimerl来实现延时服务。

2应用程序设计

UC／OS-Ⅱ移植成功后，即可在操作系统上搭建所需的应用程序，应用程序可划分为中断程序和任务程序，如图5所示。中断程序包括(按中断优先级从高到低排列)用于A／D采集中断服务程序、测量高压开天分合速度的EVA捕获中断、SCI发送接收中断、USB读写中断、为系统提供时钟节拍的定时器2中断；任务程序包括(按任务优先级从高到低的顺序排列)系统复位任务、键盘扫描任务、交流电压采集任务、数据处理、cPLD状态读取和写入任务、数据保存任务、液晶显示任务和打印任务。

这里只对优先级最高的开始任务(TaskStart)和主程序流程做简单介绍。在TaskStart任务中首先完成系统和相关外设的初始化，并进行必要的自检测，然后创建应用任务，将开门狗复位后，TaskStart要删除自己，把系统资源让给其他的任务，整个系统开始正常运行。执行完TaskStart任务后，通过任务调度器调度优先级最高的键盘扫描任务，通过外部中断，判断优先级最高的任务，跳转到相应任务中，然后将DsP处理完的数据结果送到数据保存任务中，并通过显示器任务显示。

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