参考基于dsp（数字信号处理器）的磁电检测电路设计

清华大学2012届毕业设计说明书目 录1 绪论111 选题背景和意义112 DSP简介及发展213 传感与检测技术介绍21.3.1 传感检测技术的组成及应用21.3.2 传感检测技术的发展314 本课题研究的主要内容41.4.1 本课题要研究的问题41.4.2 拟采用的手段42 磁电检测原理及信号调理521 磁电检测系统构成52.1.1 磁电检测系统流程图52.1.2 霍尔元件非接触电量检测电路结构522 霍尔效应和霍尔元件62.2.1 霍尔效应62.2.2 霍尔元件723 电压信号检测原理72.3.1 霍尔电压传感器简介72.3.2 芯片MAX603介绍92.3.3 电压检测电路92.3.3 电压检测电路仿真结果1024 电流信号检测原理112.4.1 霍尔电流传感器简介112.4.2 电流检测电路132.4.3 电流检测电路仿真结果1425 模块实物效果153 系统硬件设计1731 系统理论分析173.1.1 系统需求与功能173.1.2 电压/电流信号调理电路的应用173.1.3 交流采样频率的确定1832 硬件系统构成193.2.1 硬件系统结构193.2.2 系统实施方案2033 DSPTMS320LF2407芯片概述203.3.1 TMS320LF2407特性简介203.3.2 CPU内核结构2234 DSP最小工作系统的建立243.4.1 电源电路设计253.4.2 时钟电路设计253.4.3 复位电路设计263.4.4 JTAG接口电路2735 检测系统的硬件连接273.5.1 A/D转换模块273.5.2 按键输入电路283.5.3 液晶显示电路2936 电路分析与数据处理304 检测系统软件设计与实现3241 DSP开发环境简介3242 系统主程序设计3343 A/D采样程序3444 具体实现步骤355 总结36附录1 源程序清单37附录2 相关头文件53参考文献57致谢59第 87 页 共 II 页1 绪论11 选题背景和意义强电具有电压高、电流大、功率大、频率低等特点，随着电技术对国民经济的影响逐渐加大和人们对电能研究的逐渐深入，磁电检测技术不仅仅要考虑电压、频率和谐波等各种稳态指标，还包括影响电能质量的实时信息，如瞬时扰动和暂态谐波等，同时也要求电能质量监测系统提供更为直观的分析结果，以利于对电能质量问题做出决策，比如要求系统能够进行故障识别、干扰源识别、故障预测和信息共享等1，对强电电压和电流的检测需要考虑很多因素，直接接触检测非常不方便，而且存在安全隐患。基于DSP的磁电检测，是利用数字信号处理技术研究霍尔磁电信号检测处理的系统，以霍尔元件作为检测传感器，可获得准确、可靠的强电检测信息2。 传感与检测室应用传感器将被测量信息转换成便于传输的和处理的物理量，进而进行变换、传输、显示、记录和分析数据处理的技术。近年来,数字信号处理器件在处理速度、处理能力诸方面均取得了划时代进步,并且价格迅速降低，不但能够满足快速实时处理、处理数据量大、处理精度高的要求，而且由于价格适中，可以投入到工业生产中，这就使得我们研制高性能便携式的电力参数监测设备有了更好的选。霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好、寿命长、耐高低温和耐冲击等的优点，采用霍尔元件作为测量传感器是居于霍尔效应的非接触检测原理，其电压、电流检测在传感器线性传输范围内具有较高的测量精确度、良好的线性度以及较低温漂的优点，且反应时间快、频率宽，非常适用于高电压、大电流等强电电量的检测3、4。本课题通过应用DSP技术，选用霍尔电压传感器LV28-P与霍尔电流传感器LTS6-NP设计电路，实现非接触测量强电的电压和电流。在硬件上，采用霍尔元件进行检测信号端与检测端的电路隔离，实现强电信号的采集和调理，将检测到的信号送入LF2407芯片进行数据处理，最后通过LCD显示检测结果；在软件上，实行模块化编程，设计不同的调用程序实现不同的功能。设计电路不仅可以定量检测强电的电压电流值，而且可以实时分析所测电量的变化规律，构成多功能的非接触强电检测系统。12 DSP简介及发展数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、交换、综合、估值和识别等加工处理，以达到提取信息和便于应用的目的，具有灵活性高、稳定性好、抗干扰能力强、易于大规模集成等优点。数字信号处理器（digital signal processor，DSP）是针对数字信号处理的需求而设计的一种可编程的处理器，是现代电子技术，计算机技术和信号处理技术相结合的产物，运算速度快，编程方便，善于完成数字信号处理。DSP在电子信息、通信、软件无线电、自动控制、仪器仪表等高科技领域获得了越来越广泛的应用3。TMS320C2000系列DSP芯片由美国德州仪器（TI）公司推出，是针对工业应用提供的高性能和高代码效率控制器。在提供通用处理器性能的同时，将丰富的微控制器集成与TI领先的DSP技术融合在一起，具有处理能力强、功耗低、资源配置灵和等优点，并广泛应用于工业自动化、电动机控制、家用电器和消费电子等领域5。在实际的控制工程应用领域，TI公司的TMS320XX20 x系列DSP芯片应用最为广泛，一起功能强大、价格低廉呗广泛应用，同时也推动了其自身的发展。TMS320LF2407是TI公司所有24x系列中最新、功能最强且价格相当低廉的一种MCU，比一般单片机更具强大的乘法运算可处理DSP操作，其应用极为广泛，遍布普通的电子系统和高档的航天、军事领域。目前，我国DSP芯片主要来自海外，相对于国外DSP的应用开发的情况，我国的差距相当大。今年来，在国内一些专业DSP用户的推动下，我国DSP的应用日渐普及，除了专业公司外，一些高校在DSP应用技术的发展上也起了关键的作用，培训了大批DSP应用方面的人才。新的互联网时代，DSP面临的要求是处理速度更高、性能更多更全、功耗更低、存储器更少。DSP技术将会有以下一些发展趋势：DSP的内核结构进一步改善，DSP和微处理器相融合，DSP和FPGA相结合，采用并行处理结构，功耗越来越低等等3。DSP应用领域日渐宽广，随着DSP的新兴市场发展，DSP技术将更加广泛地应用于数字消费产品、数字监控产品、生物识别技术等领域7。13 传感与检测技术介绍1.3.1 传感检测技术的组成及应用传感检测技术是研究自动检测系统中的信息提取、信息转换及信息处理的理论和技术，是自动化技术四个支柱之一。从信息科学角度考察，检测技术任务有：寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，以及确定二者间的定性|定量关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、显示等的方法和相应的设备。一个检测系统一般由激励装置、被测对象、敏感元件、调理电路与输出单元所组成。尽管现代检测系统所用的仪器种类繁多，用途、性能千差万别，但它们的作用都是用于各种物理或化学成分等参量的检测。通常由各种传感器将非电被测参量转换成电信号，然后经信号调理（信号转换、信号检波、信号滤波、信号放大等）、数据采集、信号处理后显示并输出。由以上设备以及系统所需的交、直流稳压电源和必要的输入设备便组成了一个完整的检测系统，其各部分关系如图1.1所示。被测对象传感器信号调理电路数据采集信号处理信号记录信号传输信号显示输入设备稳压电源控制及功率放大执行器图1.1 现代检测系统一般构成现代检测技术在当今社会的各个行业中,起着举足轻重的作用。无论科学研究、产品质量及自动控制都需要检测。例如现代检测技术的一个主要发展方向光电检测技术，它由于具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高以及自动化程度高等突出特点而广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。1.3.2 传感检测技术的发展各国传感检测技术的发展与电子技术发展密切相关，目前，日、美处于领先地位，欧盟的德、英、法、荷兰等国水平也较高，在智能化机器人用传感器的研制上取得一定的成果。我国的传感检测技术研发工作起步晚品种和质量都落后于国外10-15年，与各种因素有关，目前我国已研制出发展规划，并将传感检测技术的研究列入国家重点发展项目。国内外传感技术将采用新技术、新工艺、新材料，探索新理论，以达到高质量的转换效能，向着高精度、小型化、集成化、数字化、智能化方向发展6、8。我国已经顺利加人WT0，国外许多如芯片制造、精密加工等高新企业纷纷落户，这些企业的所在地如上海浦东开发区、苏州新加坡工业园等已经对供电电压中断、闪变和谐波含量等电能质量提出了严格的要求，但是现在我国电力系统中使用的大多数测量装置的设计往往采用模拟电路，在用于电能质量监测时，精度和可靠性难以达到要求9。为满足电力系统网络化、自动化的发展需要，新型电参数检测系统正在采用DSP技术，朝着高准确度、低误差、体积小、高安全性、多功能、智能化与便携式方向发展10。14 本课题研究的主要内容1.4.1 本课题要研究的问题本课题基于DSP的TMS320LF2407芯片，利用霍尔传感器，设计准确的电路实现对强电的电压和电流进行非接触检测。通过设计硬件电路及软件编程实现对检测到的电信号进行处理分析，从而获得可靠的检测信息。1.4.2 拟采用的手段(1).确立方案，建立硬件系统流程图，准确地设计出并绘制电路原理图；(2).通过模拟仿真软件验证电路的准确性和可实施性；(3).绘制软件流程图，用DSP集成开发工具CCS编写相关控制程序，实现键盘控制操作，并在LCD上显示运行结果；(4).连接实物模块，调制电路及控制程序，多次改装和调试。2 磁电检测原理及信号调理21 磁电检测系统构成2.1.1 磁电检测系统流程图磁电检测系统流程结构图如图2.1所示，它由霍尔磁电检测模块、LF2407DSP模块、LCD、键盘输入模块组成。用霍尔传感器检测到的电流或电压信号，由放大器进行放大处理，通过采样和保持调理，获得可靠的模拟电信号，该信号经A/D转换器转换成便于数字电路处理的数字信号。DSP芯片完成对数字信号的数据处理，包括观察电量的变化规律、显示电压、电流变化曲线、设定数据处理模式等，根据键盘输入选择信息，最终将处理结果通过LCD显示。强电电压或电流霍尔电压/电流传感器信号放大调理A/D转换LCD显示键盘输入DSP图2.1 霍尔磁电检测系统流程图实验时，输入电压由自偶调压变压器提供（交流），也可以由稳压电源提供（直流）；输入电流由以自藕调压变压器或稳压电源为电源的电路提供。通过调节自偶调压变压器或稳压电源，可以得到变化的电压和电流。实际应用中可以选择需要测量电压电流的设备作为信号源进行检测。2.1.2 霍尔元件非接触电量检测电路结构磁电检测采用霍尔元件作为磁电转换器件，分为电压检测和电流检测两部分。采用霍尔元件作为测量传感器是基于霍尔效应的非接触检测原理，其电压、电流检测在传感器线性传输范围内具有较高的测量精度和良好的线性度，以及较低温漂的优点，且反应时间快，非常适合于高电压、大电流等强电电量的检测。其非接触检测电路结构如图2.2所示。图2.2霍尔元件非接触电量检测电路结构22 霍尔效应和霍尔元件2.2.1 霍尔效应当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会产生电势差（霍尔电势差），这一现象称为霍尔效应。如图2.3所示，在一块通电电流I的金属或半导体薄片上，加上和薄片表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个霍尔电势差VH。这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。图2.3 霍尔效应霍尔电压计算公式如下： (2.1) (2.2)式中，K为乘积灵敏度(m2C-1)；I为控制电流(A)；B为磁感应强度(T)；RH为霍尔系数(m3C-1)，由半导体的材料性质决定；d为半导体材料的厚度(m)。2.2.2 霍尔元件根据霍尔效应，如图2.3，在薄片上作四个电极C1、C2、C3、C4。其中C1、C2称为电流电极，电极间通以工作电流I；C3、C4称为敏感电极，电极间取出霍尔电压VH，将各个电极焊上引线，并将薄片用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件。霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等得污染或腐蚀。如果式(2.1)中电流I为常数，磁感应强度B与被测电流成正比，即为霍尔电流传感器；如果电流I为常数，磁感应强度B与被测电压成正比，即为霍尔电压传感器。但此时的霍尔传感器电压信号都非常小，还需要经过一些运算放大电路的处理才能输出较强的信号。23 电压信号检测原理2.3.1 霍尔电压传感器简介霍尔元件电压检测电路采用霍尔电压传感器LV28-P进行电压转换。LV28-P具有出色的精度、良好的线性度、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制比强、反应时间快和频带宽等优点，利用霍尔效应的闭环(补偿)电流进行霍尔电压计算，其原边与副边之间是绝缘的，主要用于测量直流、交流和脉冲电压。其引脚及电压检测连接图如图2.4所示。霍尔电压传感器的电压测量范围为10500V，被测电压由原边的正端+HT与负端-HT两端引入，在传感器内部通过电感转换成电流进行测量。电压检测副边电流与被测电压的比一定要通过一个由用户选择的外部电阻R1确定，串联在传感器原边回路中。如果传感器原边电阻R1的阻值较小，将会导致原边电阻与电感的阻值可比，从而造成测量精度达不到正常标准。因此霍尔传感器LV28-P适于测量幅值较大的电压。图2.4 霍尔电压传感器的引脚图及其连接传感器副边输出一个电流量，电流通过测量电阻RM转换为输出电压。其电参数如表2.1所示。表2.1 霍尔电压传感器电参数电参数说明量值单位IPN原边额定有效值电流10mAIP原边电流测量范围014mARM测量电阻with 15 V 10 mA max 14 mA maxRM min RM max100 350100 190ISN副边额定有效值电流25mAKN转换率2500:1000VC电源电压( 5 %)15VIC电流消耗10+ ISmAVd有效值电压用于交流绝缘检测2.5kVXG总精度 IPN (TA = 25C %) 0.6线性度 0.2由表2.1可知，在额定状态下，副边输出电流值为原边电流值的2.5倍(注：在测量过程中应保证原边输入电流值小于或等于原边额定有效电流IPN，而且原边在额定电流时传感器具有最佳的精度)。例如：被测电压VPN=100V时，(1)R1=10K/10W，IP=10mA，精度=0.8%VPN (TA=+25)；(2)R1=20K/10W，IP=5mA，精度=1.6%VPN (TA=+25)。测量时电压，应尽量调节原边电阻R1，使原边电流尽量接近10mA，以保证测量精度较高。2.3.2 芯片MAX603介绍MAX603是由凌特公司制造的线性稳压器，低静态电流，输出提供5V稳定电压或提供可调节输出高达500mA的电流。静电流在15uA35uA，当输入电压低于输出电压时，特殊的保护模式将限制反向电流，其他功能包括反馈电流限制和热过载保护。MAX603输出电压预设为5V,采用双模式操作，根据需要可以使用外部电阻输出电压在1.25V12V之间，输入供电电压范围为2.7V11.5V。其管脚结构和电路连接图如图2.5所示。图2.5 MAX603芯片的结构及其连接2.3.3 电压检测电路设计电压检测电路时，为了降低副边测量电阻对输出电压的影响，接入射极跟随器作为输出缓冲，以提高输入阻抗和降低输出阻抗。电压跟随器中采用的芯片为MAX430。为了减小波纹鸡干涉，其工作电压(+5V)由电源管理芯片MAX603提供其。电压检测电路原理图如图2.6所示。图2.6 电压检测电路原理图计算公式如下： (2.3) (2.4) (2.5) (2.6)则可推导出： (2.7)式中，N为传感器的转换率，当测量大电压、原边电阻Rin足够大时N=2.5。在测量小电压时，应先标定传感器的转换率。带入原理图已知数据，Uin=25.0980Uout1，利用此时可间接得到被测电压的值。2.3.3 电压检测电路仿真结果仿真部分分为直流仿真和交流仿真，3V电源模拟传感器输出信号，用multisim仿真结果分别如图2.7和图2.8所示。图2.7 电压检测电路直流仿真输出图2.8 电压检测电路交流仿真输出24 电流信号检测原理2.4.1 霍尔电流传感器简介电流检测电路由电流传感器LTS6-NP和检测电路构成，它是应用霍尔效应的多级闭环电流传感器，具有精度高、线性度好、温漂低，反应时间快、频带宽度宽、无插入损耗，以及电流过载能力和抗干扰能力强等优点。LTS6-NP只需单级电源电压(+5V)供电，原边与副边之间绝缘，主要用于测量直流、交流、混合和脉冲电流，需要统一的测量电阻，多测量范围(IPM=2，3，6A)。其构成原理及内部结构示意图如图2.9所示，实物引脚图如图2.10所示。图2.9 霍尔电流传感器的构成原理(a)及内部电路结构(b)图2.10 霍尔电流传感器LTS6-NP结构三视图引脚连接不同，霍尔电流传感器LTS6-NP测量的范围也不一样，其三种测量不同的连接方案如表2.2所示，其中匝数为1时，可实现非接触测量。表2.2 LTS6-NP测量范围不同的连接方案原边匝数原边额定电流IPN/A额定输出电压VOUT/V原边电阻RP/m原边插入电感系数lp/uH推荐连接引脚162.50.6250.180.013232.50.6250.810.05322.50.6251.620.12LTS6-NP输出电压与输入电流的关系图如图2.11所示。由图2.11可得霍尔电流传感器输出电压与输入电流的关系如下： (2.8)图2.11 LTS6-NP输出电压与输入电流的关系2.4.2 电流检测电路系统采用LEM公司所生产的闭环霍尔效应电流传感器LTS6-NP检测电流。它的工作电压为5V，根据不同的管脚连接方式可以改变其输入电流的测量范围。额定电流内，LTS6-NP输出电压为2.50.625V，此输出电压范围与TMS320LF2407的A/D模块的范围不符合(A/D要求最大2.5V)。需添加一个电压转换电路来将电流传感器的输出电压转换为与TMS320LF2407的A/D模块相符合的电压，然后将此电压转换电路的输出端与DSP LF2407的A/D输入端相连。运放采用高精度运放MAX492，以提高采样电流的精度。为防止电压偏离正常范围损害TMS320LF2407，还需要增加限幅电路。电流检测电路原理图如图2.12所示。图2.12电流检测电路原理图 (2.9) (2.10) (2.11)2.4.3 电流检测电路仿真结果和电压检测电路仿真一样，电流检测仿真也包括直流仿真和交流仿真，用3V电源模拟Vout信号，multisim输出仿真结果分别如图2.13和图2.14所示。图2.13 电流检测电路直流仿真输出图2.14 电流检测电路交流仿真输出25 模块实物效果实物包括电压检测模块和电流检测模块两部分，分别如图2.15和2.16所示。图2.15 电压检测模块图2.16 电流检测模块3 系统硬件设计31 系统理论分析3.1.1 系统需求与功能此设计是利用数字信号处理技术研究霍尔磁电信号检测处理的系统，开发LF2407控制下的自动检测强电电压电流的系统软件，用键盘控制系统操作，通过LCD显示运行结果。本系统具有如下功能特点：电压测量范围为10500V交直流；电流测量范围为0-6A交流电流；可测量电压、电流有效值；采用LCD液晶显示技术，可实时显示电压、电流曲线。系统完备的功能可以基本满足对强电检测的一般需求，为了达到实用的程度，系统从硬件和软件两方面着重考虑了系统的可靠性设计，使整个系统具有测量精度高、性能可靠、操作简单方便的特点。3.1.2 电压/电流信号调理电路的应用信号调理是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。通常，传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数据之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换模块的输入。A/D 输入信号调理电路主要由隔离、滤波、衰减/放大和限幅电路构成。由于传感器输出信号中存在高频干扰,因此为了消除高频干扰，需在信号输入调理通道中设计抗混叠低通滤波器。抗混叠低通滤波器一般为有源低通滤波器,按通带滤波特性可分为最大平坦型滤波器、等纹波型滤波器、线性相移型滤波器等。通常在实际设计中对应采用的有巴特沃兹(Butterworth)型低通滤波器、切比雪夫(Chebyshev)型低通滤波器和贝塞尔(Bessel)型低通滤波器三种形式。根据本设计中的要求，所需滤波器应该在通带内具有平坦的低通滤波器特性且过渡带较陡,因此可以选用3阶切比雪夫低通滤波器作为抗混叠滤波器。由于调理电路的最终目的是为了使输入信号的幅值符合A/D转换器的要求，本设计中所使用的DSP芯片TMS320LF2407，其A/D模块的输入电压为0-3.3V，然而电流传感器输出的是电流信号，因此必须将电流信号转化为可用的电压信号。电流调理电路图如图3.1所示，一个同相跟随电路进行幅值变换和隔离；两个稳压管将输出值限定在0-3.3V之间。图3.1 电流信号调理电路电压调理电路如图3.2所示，用MAX430做电压跟随器实现输出缓冲，提高输入阻抗和降低输出阻抗。图3.2 电压信号调理电路3.1.3 交流采样频率的确定根据香农定理，采样频率必须大于原信号最高角频率的2倍，即s2max。所以，本系统需加滤波环节，来滤掉高频干扰。在满足了香农定理的要求后，还需根据设计需要来确定采样次数。由于离散傅里叶变换式中复系数的共扼对称性，当采样点数为N时，仅能求出个频谱分量的数值。即要计算l63次谐波至少需要每周期采样128次。本系统要求分析到31次谐波，为了保证精度，每周期采样128次。电网中电力信号的周期大约是20ms，若每周期采样128次，则采样周期为20ms/l280.156ms=156us，即要完成128次采样，所采用的A/D转换的转换时间不应超过156us。本设计使用TMSLF2407内部的A/D转换模块，下面给出其转换时序图，如图3.3所示。图3.3 A/D转换书序图PS是预定的CPU时钟，它可以通过改变ADCTRl寄存器中的ACQ PS3ACQ PS0位段域和CPS位来实现。当ACQ PS3ACQ PS0位段域的值全为0即预定标器的值为1，且CPS为0时，PS时钟将和CPU时钟一样。对于预定标器的任何其它值，PS都会被放大(即增加了采样/保持窗口的时问)。TMS320LF2407芯片一个完整的A/D转换周期约为500ns，远远小于采样周期156us，完全可以满足交流采样的频率要求。32 硬件系统构成3.2.1 硬件系统结构系统使用TMS320LF2407作为核心处理器，强电电压、电流经信号调理后送往DSP模块进行信号采样。系统采用键盘控制LCD液晶显示。其硬件结构框图如图3.4所示。电流霍尔电流传感器电流调理电路LCD显示A/DA/D电压霍尔电压传感器电压调理电路LF2407主控模板键盘图3.4 硬件结构框图3.2.2 系统实施方案系统实施方案如图3.5所示，主处理器模块采用TI公司的TMS320LF2407定点DSP数字信号处理器芯片做为核心处理器，其内置10位A/D采样保持处理模块，A/D转换模块进行一次转换的时问为500ns，转换结果与实际值间的误差在0.01之间，可以满足交流采样的转换精度和速度的需要。配有低电压监测电路，用于监测电源电压是否正常,以保证DSP可靠工作；同时还配有NVRAM存储器,用于保存设定数据及测量数据。J1端子J3端子J2端子输入模板(包括传感器、信号调理、限幅、测量等)输出模板(包括模拟、LCD、键盘、信号输出)开关电源模板(包括电源掉电检测、15V、5V、3.3V电源)主处理器模块图3.5系统实施方案图输入模块由电压传感器、电流传感器、信号变送及限幅和基准电路组成。电压传感器额定输入为100VAC、380VAC，电流传感器额定输入为6A，其二次侧输出经信号调理后变成峰一峰值为03.3VAC的电压信号送往DSP模块进行交流采样。输出模块具有DC420mA模拟输出、S-485两种输出方式，同时具有LCD显示及键盘操控功能，适用于不同功能的需要。开关电源模块为LV28-P提供15V直流电压，一组3.3V电源提供限幅及其他模块提供电源。33 DSPTMS320LF2407芯片概述3.3.1 TMS320LF2407特性简介TMS320XX240 x系列DSP使用一种先进的哈佛结构，它采用独立的数据总线和程序总线，能够在设备全速运行时将它的运算能力最大程度地发挥出来。这种多线路的结构允许取数据和取指令同时进行，它的指令也支持数据可以在程序存储器和数据存储器之间进行转移。另外，这种结构还可以将系数因子保存在程序存储器中，并且能通过RAM进行读取，因此省去了添加独立系数ROM的必要。在这种多路总线的结构上再加一个四级深度的管线，就能保证LF240 x系列DSP在一个单周期内执行多数指令的能力。作为系统控制器，TMS320LF2407具备强大的片内I/O和其它外设功能，这些外设包括定时器、串口、AD、看门狗电路、CAN模块等。TMS320LF2407采用亚微米CMOS制造工艺，使供电电压降为3.3V，功耗极低，更有进一步降低功耗的省电方式，这使得LF2407非常适合于嵌入式控制系统的设计。在TMS320系列DSP基础上， LF2407采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为33V，减小了控制器的功耗，30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns(30MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力。TMS320LF240 xDSP有以下一些特点：基于TMS320C2xx DSP的TMS320LF240 x系列DSP代码和TMS320系列代码兼容。片内高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据，程序RAM，544字双口RAM(DARAM)和2K字的单口RAM(SARAM)。两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制(PWM)通道。可扩展的外部存储器(LF2407)总共192K字；64K字程序存储器；64K字数据存储器：64K字I/O寻址空间。看门狗定时器模块(WDT)。10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发的两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。控制器局域网络(CAN) 2.0B模块。串行通信接口(SCI)。16位的串行外设接口模块(SPI)。基于锁相环的时钟发生器。高达40个可单独编程或复用的通用输入，输出引脚(GPIO)。5个外部中断(电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。4级流水线操作。16位宽度，8级深度硬件堆栈，16位宽度，1级深度的微堆栈。3.3.2 CPU内核结构TMS320LF2407主要建立在一个32位的累加器ACC的基础上，搭配AR0AR7共8个辅助寄存器及其8种寻址模式来操作。这8个辅助寄存器的指针ARP位于状态寄存器ST0的3个位指针，作为不必再重新寻址的运算指针。ALU的运算必须利用累加器ACC来进行，而乘法器则必须由ARx指针搭配T寄存器作乘法运算，积值存入一个32位的P寄存器内，然后乘积值P再进入CALU作加法加回累加器ACC内。TMS320LF2407没有双读取的操作指令，但内部有数据存储器的读DRDB和写DWEB总线以及程序存储器的PRDB程序总线。TMS320LF2407内部结构如图3.6所示。图3.6 TMS320LF2407内部CPU结构图对应立即数的操作或立即程序分支，由于数据或程序寻址宽为16位，因此16位的立即数或寻址设置必须占用2个字指令，这2个字指令可加入4位的(015、16)移位指令加入操作。另一个直接寻址方式是采用页次寻址方式，由于程序存储器数据宽度为16位，出了指令码占用78位外，直接寻址仅可设置7位，另一个位I作为直接或间接寻址的设置码，因此7位直接寻址必须与状态寄存器ST0的D8D0搭配，这9位的A15A7作为高9位页次寻址组装成16位寻址，因此对应ALU的直接数据存储器寻址DMA与ACC操作指令就可组装相当多的指令群，但有些指令如ADD等可搭配4位的015或固定16位左移位操作。根据TMS320LF2407的特性及外设电路，针对各个功能模块结构，其组成模块及外部控制引脚如图3.7所示，实际TMS320LF2407的144引脚LQFP的PGE封装引脚如图3.8所示。图3.7 TMS320LF2407存储器总线及外设和其对外引脚方框结构图图3.8 TMS320LF2407对应144引脚LQFP的PGE封装34 DSP最小工作系统的建立TMS320LF2407的最小系统包括TMS320LF2407主芯片、电源电路、时钟电路、复位电路、8MHz晶振和JTAG接口电路，其最小系统原理图如图3.9所示。该原理图中，数字电源和模拟电源以及数字地和模拟地之间均以一个磁珠连接。图3.9 TMS320LF2407最小系统原理图3.4.1 电源电路设计TMS320LF2407的I/O电压和核心电压均为3.3V，采用一片SPX1117电源芯片将5V数字电源转换成3.3V数字电源。SPX1117是一款低压差电压调节芯片，能够提供800mA电流，足够TMS320LF2407及其外围器件的使用，而且价格低廉、使用广泛。TMS320LF2407的A/D应该采用模拟3.3V供电；Vccp引脚应采用5V电源上拉或者接地，但不能悬空。当用5V电源上拉时，不要用任何限流电阻接到Vccp上，因为该电源将为Flash编程提供电源；当该引脚接地时，表示TMS320LF2407不需要Flash编程。图3.10为系统的电源电路。图3.10 电源电路3.4.2 时钟电路设计TMS320LF2407A具有内部锁相环电路，可以从一个较低的外部时钟通过锁相环倍频电路实现内部倍频。TMS320LF2407A的PLL模块使用外用滤波器电路回路来抑制信号抖动和电磁干扰，使信号抖动和干扰最小，PLL电路由两个无极电容C1、C2和一个电阻R1组成环形滤波器，连接到TMS320LF2407的PLLF和PLLF2引脚上，如图3.11所示。晶振电路如图3.12所示，其电路简单、体积小、频率范围宽(1400Hz)、驱动能力强，可为多个器件提供使用。图3.11 PLL电路图3.12 晶振电路3.4.3 复位电路设计TMS320LF2407内部带有复位电路，因此可以直接RS复位引脚外面接一个上拉电阻即可，这对于简化外围电路，减少电路板尺寸很有用处。但是为了调试方便经常采用手动复位电路，通过一个复位开关，使LF2407的RS引脚为低电平，从而使DSP处于复位状态，其电路如图3.13所示。图3.13 按键复位电路3.4.4 JTAG接口电路JTAG是JOINT TEST ACTION GPOUP的简称，JTAG接口用于连接DSP系统板和仿真器，实现仿真器DSP访问，JTAG的接口必须和仿真器的接口一致，否则将无法连接上仿真器。其连接图如下：图3.14 JTAG接口电路35 检测系统的硬件连接3.5.1 A/D转换模块TMS320LF2407片内配置一个双十位的ADC模块，并且自带采样保持器,完成一次AD 转换最快的时间是375ns。它包括两个独立的带有内部采样的保持电路的模拟数字转换单元，每个AD转换单元提供8个输入通道，最大转换时间为6.6us。利用这两个模块，可以不必在片外扩展同类器件而方便地将电压、电流等模拟信号接入到片内ADC模块进行采样。DSP2407的A/D电路原理图如图3.15，磁电检测的AD连接如图3.16所示。图3.15 A/D电路原理电路图3.16 磁电检测模块A/D转换连接图3.5.2 按键输入电路采用常规的44键盘来实现液晶显示的菜单查询、翻屏等各种功能。键盘输入信息的主要过程为：(l) CPU判断是否有键按下；(2)确定按下的是哪一个键；(3)把此键代表的信息翻译成计算机所能识别的代码。以上第2、3步主要由软件完成的，称为非编码键盘，本设计采用的便是行列式键盘。行列式键盘与DSP的接口如图3.17所示，用DSP的PB口作键盘接口，PB0PB3作键盘的行扫描输出线，PB4PB7作列检测输入线。采用行列式键盘，键的识别功能，就是判断键盘中是否有键按下，若有键按下则确定其所在的行列位置。程序扫描法是一种常用的键识别方法，在这种方法中，只要CPU空闲，就调用键盘扫描程序，查询键盘并进行处理。图3.17 行列式44键盘输入接口电路3.5.3 液晶显示电路LCD价格便宜，可显示丰富的内容，被大量应用于控制领域。FYD12864是一种具有4位或8位并行、2线或3线串行多种接口方式的点阵图形液晶显示模块，其内部含有国标一级、二级简体中文字库；显示分辨率为12864，内置8192个1616点汉字，以及128个168点ASCII字符集。该模块含有灵活的接口、简单的操作指令，可以显示84行1616点阵的汉字，也可完成图像显示，完全可以用于人机交换界面。中文液晶显示模块可实现汉字、ASCII 码、点阵图形的同屏显示；广泛用于各种仪器、仪表家用电器和信息产品上作为显示器件。本系统要求完成强电电压和电流大小及图形显示，TMS320LF2407与FYD12864相连的电路原理图如图3.18所示。图3.18 LCD液晶显示接口电路原理图36 电路分析与数据处理电压电流功能电路如图3-15模拟电路部分，由公式(2-7)可知， (3.1)因此，只需要知道Uout1的值，通过DSP A/D转换及数据处理，就可以得到Uin的数值，即被测电压的大小。电源管理芯片MAX603输出+5V的电压，为MAX430提供供电电压，同时使U11限位在5V以下，通过电阻R11和R12的分压作用，控制输出电压Uout1在03.3V范围内，送到ADC模块进行转换。同样分析电流模块部分，采用差值放大输出。+2.5V是由LM385转换的基准电压，经MAX492A放大为U1=+5V作为MAX492B的基准参考输入电压。强电电流经电流传感器后的电压信号Vout作为MAX492B另一端的输入电压，Vout的范围2.50.625V，以+5V为正负变换电平，即电路以+5V为比较基准的过零比较器。输出端经过一个上拉电阻R7接到+3.3V电源上，将正向输出电压限制在3.3V之内；而过零时，与U1比较，VoutU1时电压比较器输出为0。这种接法将电压信号由于谐波影响导致的波形不稳定问题降到最低，输出电压波形是比较理想的方波由于输出端通过上拉电阻R10接到3.3V电源上，所以输出电压峰值小于3.3V。电流计算公式如下： (3.2) (3.3)由(3.1)、(3.2)可得: (3.4)结合公式(2.8)可求得被测电流I: (3.5)4 检测系统软件设计与实现41 DSP开发环境简介CCS(Code Composer Studio)是TI公司推出的用于开发其DSP芯片的集成开发环境，基于windows平台，具有编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试及实时跟踪等多种功能，极大地方便了DSP程序的设计与开发。CCS有两种工作模式，即软件仿真器模式和硬件在线编程模式。软件仿真器模式可脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试。硬件在线编程模式：可实时运行在DSP芯片上,与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。 CCS常用的功能包括以下几种：具有集成可视化代码编辑界面，可直接编写C、汇编器、头文件以及CMD和GEL文件等；提供集成代码生成工具，包括C编译器、汇编器和连接器等；基本调试工具，如向DSP下载可执行代码(.out)、查看寄存器、存储器、反汇编和变量窗口等，并且支持C源代码级调试；提供工程项目管理工具，可对用户程序实行项目管理；提供断电工具，可再调试程序的过程中完成硬件断电、软件断电和条件断电的设置；提供分析功能，包括模拟器和仿真器分析，具有数据的图形显示功能，可以将运行结果用图形表示出来。利用CCS集成开发软件，用户可以在一个开发环境下完成工程项目创建、程序编辑、编译、链接、调试和数据分析等工作环节。其基本操作步骤如下：(1)打开或创建一个工程项目文件，包括源程序、目标文件、库文件、链接命令文件和包含文件。 (2)编辑各类文件。使用CCS提供的集成编辑环境，对头文件、链接命令文件和源程序进行编辑。(3)对工程项目进行编译。如出现语法错误，将在构建窗口中显示错误信息，用户可以根据显示的信息定位错误位置，更改错误。编译功生成.out可执行文件，可加载程序到应用板。(4)对结果和数据进行分析和算法评估 。可以利用CCS提供的探测点、图形显示、性能评价等工具，对运行结果、输出数据进行分析，评估算法性能。可见，CCS因其具有强大的功能和实时、可视化的特点，已成为TI DSP开发员必不可少的工具。42 系统主程序设计程序包括头文件(.h)、C或源程序文件(.c或.ASM)、链接命令文件(.CMD)。其中头文件为各种结构体和变量、寄存器定义、宏的定义、函数的声明等，CMD文件是存储器分配文件，用来将存储器按用途划分成一个个的小区域。本系统的主要功能是通过TMS320LF2407芯片完成电压、电流信号的A/D转换、数据处理，包括电量的变化规律、显示电压、电流信息、设定数据处理模式；根据键值选择信息，将处理结果显示在液晶显示屏上，显示方式为实时数据滚屏或实时曲线显示。为实现全部功能，软件由主程序、测量控制程序、中断程序、键盘程序、数据处理程序和LCD显示程序6个部分组成。主程序流程图如图4.1所示。YYYNNN开始初始化有键按下？键值=10H?功能控制测量控制电压、电流数据分析电压、电流数据采集LCD显示键值=10H?图4.1 磁电检测系统主程序流程图主程序设置键值10H调用仪器功能例如存储格式、显示格式、分析方法等设置；键值20H调用检测过程控制，检测一定时间的数据，然后进行事后处理，通过LCD显示。详细程序清单见附录A。43 A/D采样程序以T1定时器启动ADC00及ADC01，由ADC00及ADC01输入的03.3V电压进行ADC中断转换，转换结果由RESULT0输出到12864液晶显示。基本采样程序如下：void Mcbsp_AD_Init() ADCTRL1=0 x4000； /复位ADC asm(nop); ADCTRL1=0 x0060; MAXCONV=0 x0001; /进行两个通道的转化 ADCTRL1=0 x4000; ADCTRL1=0 x2782; CHSELSEQ1=0 x0080; ADCTRL2=0 x6000;void Mcbsp_AD_sample () unsigned int I; SystemInit(); MCRA=MCRA&0 xECFE; EVA_Init(); Mcbsp_AD_Init(); asm(CLRC INTM); while(1) for(i=0;i=1000;i+) sample_datai=i; EVAIMRA=0 x0080; while(1); /等待中断 44 具体实现步骤(1)调试磁电检测模块，使输出符合A/D采样条件。(2)编写采样处理程序、测量控制程序等程序模块，程序包含头文件、源文件和链接命令文件，用CCS调试。(3)将电源5V加到DSP模块，检测LF2407的供电情况。(4)将PC机与仿真器相连，仿真器的JTAG端与LF2407板相连，构成仿真系统，对程序进行编译连接，生成可执行的.out文件。将生成的.out文件装载到DSP核心板上，开CCS运行程序，输出模块检测结果。5 总结数字信号处理器(DSP)由于其在信号处理方面的优势，近年来得到了非常广泛的应用。市场的需求推动了DSP生产厂家做出功能更加强大，价格更加低廉的产品，这样就使得用户有了更多更好的选择。DSP特殊的指令、专用的硬件乘法器和极短的指令周期，使大量的乘加处理能迅速完成，可以达到实时信号快速处理的目的。将DSP应用于电力检测仪表已经成为对此类产品革命性的升级，使用DSP做为核心处理芯片后，解决了运算量的问题。本论文讨论的是基于DSP的磁电检测电路设计，在理论支持的基础上做出了简单的实物检测模块，通过稳压电压模拟强电信号，对强电信号进行采集和处理，通过DSP进行数据处理达到检测的目的。所做的具体工作如下：第一、根据系统的任务和要求以及工作原理，提出了磁电检测模块的总体工作和电路设计方案，完成简单的实物检测模块制作。第二、详细介绍了TMS320LF2407的结构、功能特点、工作系统和开发方法，掌握了整个DSP的操作和使用，主要完成信号采集处理和显示控制的硬件系统研究。第三、针对系统方案完成软件编程的设计，编写和调试详细的运行程序，对检测信号数据进行处理，通过键盘控制、LCD液晶显示磁电检测结果。由于条件和时间的限制，对数据精度的分析校正和结果可靠性等方面没有仔细推敲，还需要大量的完善细化工作，从而更直观更准确地观察到分析结果。另外，由于TMS320LF2407是内置10位的AD转换模块，为了提高精度，既可以单独使用一款12位或者24位的AD转换芯片，也可以使用内置12位的DSP芯片，对实验过程中得其他存在问题也需要实际的解决。附录I 源程序清单#include 2407c.h#include keyboard.h#include lcd.h#include AD.h#include rfft.h#include timer.h#pragma DATA_SECTION(fft_complex_result,.input);#pragma DATA_ALIGN(fft_complex_result,0 x800);DATA fft_complex_resultNX;LDATA fft_modulus_resultNX/2+1;void systemInit() asm( setc INTM); /禁止所有中断 asm( setc SXM); /抑制符号位扩展 asm( clrc OVM); /累加器中结果正常溢出 asm( clrc CNF ); / B0被配置为数据存储空间 * WDCR=0 x00E8; /禁止看门狗 * SCSR1=0 x0081; /配置时钟锁相为4倍频,CLKOUT=4*7.3728=29.4912M,使能ADC时钟 WSGR=0 x0600; /IO、ram、program都设为0等待读写 * IFR=0 xFFFF; /清除所有中断标志 * IMR=0 x0001; /使能中断1void lcd_draw_backgroud() lcd_clear(); lcd_clear_ptr_move(0,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_0,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_colon,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_S,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_a,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_m,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_p.0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_l,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_el,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_blank,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_blank,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_1,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_colon,0); lcd_write_Eng(lcd_EngCharCode_F,0); lc