石博

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006)

CPLD在連采機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

石博

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006)

介紹了一種連采機(jī)控制與保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，利用DSP外部擴(kuò)展高性能CPLD模塊代替DSP控制A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)多個(gè)模擬信號采集、處理以及多種復(fù)雜邏輯關(guān)系，提高了控制系統(tǒng)集成度、處理速度和可靠性，從根本上解決了由單一DSP控制器控制導(dǎo)致的低可靠性和程序易飛等缺點(diǎn)。

連采機(jī)；電氣系統(tǒng)；交流采樣；CPLD

0 引言

隨著我國煤礦生產(chǎn)能力的提高和安全高效生產(chǎn)的需要，連采機(jī)在煤礦巷道施工中的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)成為煤礦井下不可缺少的大型采掘設(shè)備。電氣控制系統(tǒng)是連采機(jī)最重要的組成部分之一，其與液壓系統(tǒng)配合，可方便實(shí)現(xiàn)整機(jī)的各種生產(chǎn)作業(yè)，及對電動(dòng)機(jī)、預(yù)警、照明、急停等輔助設(shè)備的控制與保護(hù)。我國連采機(jī)電氣控制技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，連采機(jī)控制技術(shù)和可靠性不斷提高，除完成常規(guī)的控制、保護(hù)外，還具有遙控、故障診斷等功能。本文以連采機(jī)電氣控制系統(tǒng)為對象，在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種在DSP外部擴(kuò)展高性能CPLD模塊用于數(shù)據(jù)采集和邏輯控制，將復(fù)雜的DSP片外邏輯組合和一些需要耗用大量等待時(shí)間的工作如A/D采樣環(huán)節(jié)交給CPLD模塊，DSP可以通過CPLD構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集和邏輯控制接口將多個(gè)外圍模擬和開關(guān)通道映射到其I/O地址空間進(jìn)行訪問，大大增強(qiáng)了DSP訪問外設(shè)的能力，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的速度。以DSP和CPLD組合設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對連采機(jī)邏輯控制、保護(hù)和組網(wǎng)通訊，而且預(yù)留了掘進(jìn)斷面自動(dòng)控制和掘進(jìn)定向功能的硬件接口?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了多種控制功能，而且任務(wù)分工明確、實(shí)時(shí)性好、控制系統(tǒng)集成度強(qiáng)。

1 保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于連采機(jī)生產(chǎn)工藝和自動(dòng)控制的要求，以TI公司生產(chǎn)的32位微處理器TMS320F2812和CPLD為核心設(shè)計(jì)了一套連采機(jī)控制系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了連采機(jī)控制、保護(hù)功能，而且滿足了連采機(jī)生產(chǎn)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

（1）TMS320F2812除具有數(shù)字信號處理能力外，還有強(qiáng)大的事件管理能力、嵌入式控制能力和多種標(biāo)準(zhǔn)串行通信外設(shè)，為連采機(jī)的控制提供了良好平臺。

（2）CPLD。利用基于EDA技術(shù)的CPLD時(shí)序和編程功能，將CPLD和DSP有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了CPLD在微機(jī)控制系統(tǒng)中對器件的片選、讀寫和邏輯控制功能。

（3）微機(jī)控制單元。微機(jī)控制單元是控制系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、邏輯判斷、定時(shí)、存儲(chǔ)等工作。主要包括：中央處理單元（CPU）、電源時(shí)鐘、復(fù)位電路、外部接口電路、存儲(chǔ)器及總線等。

（4）串行通信。串行通信包括兩個(gè)SCI口和一個(gè)SPI口，采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX485收發(fā)器，完成RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口通信，以Modbus協(xié)議與操作箱和其它設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

（5）CAN總線通信。TMS320F2812內(nèi)部集成eCAN模塊，兼容CAN2.0B協(xié)議，不需要外加CAN控制器就能實(shí)現(xiàn)CAN總線底層協(xié)議?？刂破鱡CAN端口連接CAN總線驅(qū)動(dòng)器SN65HVD230實(shí)現(xiàn)CAN接口，并很方便接入到CAN總線系統(tǒng)中，與顯示箱、遙控系統(tǒng)、電磁閥控制箱組成CAN總線系統(tǒng)。

（6）PWM信號輸入給IRF540，增大PWM的驅(qū)動(dòng)能力，以給連采機(jī)液壓系統(tǒng)中比例電磁閥提供足夠的電流。

（7）開關(guān)量輸入、輸出。開關(guān)量輸入、輸出單元連接控制系統(tǒng)和外圍設(shè)備，接受來自外部設(shè)備的開關(guān)量輸入和向外部設(shè)備發(fā)送開關(guān)量信號，并采用光電隔離和繼電器對信號進(jìn)行隔離和電平轉(zhuǎn)換。

（8）標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號。 標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號為2～10V或者4～20mA，是各種傳感器經(jīng)電氣控制箱內(nèi)的本安隔離柵轉(zhuǎn)換后的信號，輸入到多路轉(zhuǎn)換開關(guān)后依次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

（9）周期性交流電量。周期性交流電量采集是直接對交流電量進(jìn)行離散采樣，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成微機(jī)可處理的數(shù)字量，通過算法計(jì)算出各個(gè)回路的電壓、電流、功率因數(shù)。

2 CPLD在保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

周期性交流電量和各種標(biāo)準(zhǔn)的直流模擬量信號都要通過A/D轉(zhuǎn)換，以完成連采機(jī)的自動(dòng)控制和保護(hù)功能。DSP雖然在算法處理上功能強(qiáng)大，但其控制功能比較薄弱，若采用傳統(tǒng)的DSP控制A/D轉(zhuǎn)換，盡管編程簡單，但控制周期長，速度慢。利用CPLD編程的靈活性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣接口，使得DSP可以通過這個(gè)接口將多個(gè)模擬通道映射到其I/O設(shè)備空間進(jìn)行訪問。其次，通過對CPLD的編程，在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)所需的各種邏輯功能，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件。通過CPLD在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，增強(qiáng)了DSP訪問外設(shè)的能力，簡化了整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的速率，同時(shí)為外圍設(shè)備的擴(kuò)展提供了可能。

2.1 CPLD特點(diǎn)

CPLD是20世紀(jì)80年代后期迅速發(fā)展的新一代可編程邏輯器件，用戶只要對它編程就可實(shí)現(xiàn)所需的電路功能。隨著可編程邏輯器件的發(fā)展，規(guī)模越來越大，功能越來越強(qiáng)，價(jià)格越來越便宜，相配套的開發(fā)軟件越來越完善[1]。使用CPLD器件主要有以下特點(diǎn)：①編程方式簡單先進(jìn)。采用ISP編程技術(shù)，通過一根編程電纜和PC機(jī)就可完成編程過程；②速度快。CPLD器件具有較高的運(yùn)行速度，時(shí)鐘延遲可達(dá)納秒級；③可靠性高。通過編程在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)各種功能，但物理機(jī)制是硬件電路，因此，可有效防止控制程序的死機(jī)[2]；④保密性強(qiáng)。CPLD器件一般都有一個(gè)可編程的保密位，通過一個(gè)可編程的保密位控制是否允許讀出器件內(nèi)的數(shù)據(jù)。在連采機(jī)控制系統(tǒng)中使用CPLD器件，不僅增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、提高系統(tǒng)的可靠性，而且縮小系統(tǒng)體積、降低系統(tǒng)成本。

2.2 基于CPLD數(shù)據(jù)采集

將多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元通過CPLD映射到DSP的I/O地址空間，利用CPLD實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換初始化和讀寫操作，使得DSP可以透過CPLD這個(gè) “黑匣子”快速、準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)。連采機(jī)控制系統(tǒng)要處理的25路模擬量信號分為周期性交流電量信號和標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，將CPLD和DSP技術(shù)相結(jié)合，利用CPLD的時(shí)序控制25路A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)和停止，達(dá)到動(dòng)態(tài)地選擇采樣通道的目的。

根據(jù)連采機(jī)電機(jī)保護(hù)要求和交流電量信號特點(diǎn)，本文利用CPLD高精度、高速度的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)成有限狀態(tài)機(jī)，通過CPLD程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)采樣過程，以最大限度的減小DSP的工作量，采樣硬件框圖如圖1所示。

圖中，信號變換是對電壓、電流互感器輸出的電量信號經(jīng)高精密電量互感器，并由放大電路形成可調(diào)電壓信號。雙四選一多路開關(guān)保證電壓和電流采樣同步進(jìn)行，消除由電壓和電流非同步采樣帶來的角度差，從而提高控制系統(tǒng)各回路功率因數(shù)的精度[3]。低通濾波器降低信號輸入頻率，使其最高頻率不超過采樣頻率1/2。采樣保持器保證在A/D轉(zhuǎn)換期間，輸入的模擬信號保持不變。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)是使多個(gè)模擬量信號共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊。

DSP外部中斷 0啟動(dòng) CPLD，在 CPLD程序中由CPLD的可編程性實(shí)現(xiàn)整個(gè)采樣控制。CPLD判斷到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，就在DSP外部中斷1引腳上置高電平，啟動(dòng)DSP外部中斷1，通過外部中斷1讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

轉(zhuǎn)換開關(guān)的選通由CPLD完成，采樣保持器與A/D之間通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)控制轉(zhuǎn)換順序，A/D轉(zhuǎn)換器的控制由CPLD實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)機(jī)完成，即將A/D轉(zhuǎn)換過程分為ST0、ST1、ST2、ST3四個(gè)狀態(tài)，如圖2所示。

圖1 采樣硬件框圖

圖中，ST0為A/D轉(zhuǎn)換初始化，ST1為選通A/D轉(zhuǎn)換，ST2為 A/D轉(zhuǎn)換完成，ST3為讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。此外，在連采機(jī)控制系統(tǒng)中，控制器還要處理多個(gè)0－10V直流電壓信號，此信號輸入到多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，由CPLD的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)采集和轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)采集中的CPLD采用了ALTERA公司MAX7000系列中的MAX7128E，其內(nèi)部集成5000個(gè)門，128個(gè)宏單元，104個(gè)I/O引腳，由I/O輸入、輸出模塊和LAB邏輯陣列模塊組成，這些模塊由可編程互連矩陣相互連接。

圖2 CPLD狀態(tài)機(jī)

2.3 基于CPLD邏輯控制

采用一片 CPLD代替若干傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件74HC04、74HC32、74HC138等，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種邏輯功能，CPLD內(nèi)部的邏輯電路如圖3所示。

圖3 實(shí)現(xiàn)的邏輯電路使用了Altera公司生產(chǎn)的型號為EPM7128SLC84－15的CPLD芯片，該芯片內(nèi)部集成了 2500個(gè)基本邏輯門，有 84個(gè)引腳，其中20個(gè)引腳為電源或編程引腳，其余的 64個(gè)引腳為可編程，當(dāng)增加新的邏輯功能時(shí)，不需要對硬件電路改動(dòng)，就可通過CPLD的片內(nèi)程序?qū)崿F(xiàn)。

圖3 CPLD實(shí)現(xiàn)的邏輯電路

2.4 CPLD程序設(shè)計(jì)

編寫CPLD程序前，按照DSP地址分配原則對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行合理地址分配，以免在CPLD程序編寫過程中造成地址混疊。

整個(gè)設(shè)計(jì)首先根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，確定要實(shí)現(xiàn)的邏輯功能、A/D轉(zhuǎn)換工作時(shí)序以及具體輸入輸出關(guān)系，對器件內(nèi)部邏輯和引腳功能進(jìn)行設(shè)置，在配套軟件MAX PLUSⅡ環(huán)境下用VHDL語言進(jìn)行編程與編譯，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，并將目標(biāo)文件通過JTAG電纜下載到CPLD芯片中，實(shí)現(xiàn)符合設(shè)計(jì)要求的邏輯功能和采樣控制。MAXPLUSⅡ軟件對生成的邏輯電路進(jìn)行相應(yīng)的功能仿真，以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)編程時(shí)存在的問題。

VHDL為CPLD的硬件描述語言，用于編寫CPLD功能程序。一個(gè)完整的VHDL語言程序包含實(shí)體、構(gòu)造體、配置、包集合和庫5個(gè)部分。以邏輯功能為例，設(shè)計(jì)的CPLD程序中與非門的代碼如下所示：

3 結(jié)束語

連采機(jī)DSP控制系統(tǒng)中采用CPLD代替DSP控制A/ D器件的采樣工作和取代多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件，減輕了數(shù)據(jù)采集裝置中DSP的工作量、簡化了控制板中PCB布線，增加了系統(tǒng)I/O的利用率和設(shè)計(jì)靈活性、縮短了開發(fā)周期，同時(shí)為外圍設(shè)備的擴(kuò)展提供了有效途徑。在數(shù)據(jù)采集中采用CPLD，A/D采樣環(huán)節(jié)節(jié)省 DSP的等待時(shí)間12μs，對于25路模擬信號，每個(gè)采樣周期節(jié)省等待時(shí)間300μs。為適應(yīng)連采機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)對通信功能的要求，采用多種通信總線，如RS－485串行通信總線、CAN現(xiàn)場總線，并確?？刂葡到y(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。實(shí)踐表明：用DSP和CPLD設(shè)計(jì)的控制與保護(hù)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了連采機(jī)的自動(dòng)控制，而且具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和抗干擾能力。

[1]張?jiān)删幊踢壿嬈骷O(shè)計(jì)及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]趙曙光，郭萬有，楊頌華．可編程邏輯器件原理、開發(fā)與應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[3]呼守信．基于Intel 80C196KB控制的礦用高壓配電裝置測控系統(tǒng)的研究[D].太原理工大學(xué)，2005.

[4]丁恩杰，譚得健，等．微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾方法的研究及設(shè)計(jì)[J]．煤礦自動(dòng)化，1995，3.

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《機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新》雜志社

2014年5月

CPLD Application in Continuous Mining Machine in the Protection System

SHI Bo
（Taiyuan Research Institute of CCTEG，Taiyuan Shanxi 030006,China）

The way of the control and protection system for boring machine is introduced.External expansion of high-performance CPLD using DSP control module is instead of A/D conversion.The multiple analog signal acquisition,processing and a variety of complex logic are realized.The control system integration,processing speed and reliability are improved.A fundamental solution to the control by a single DSP controller is due to low reliability,and easy to fly and other shortcomings of the program.

continuous mining machine；electrical system；AC sampling；CPLD

TH-39

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.054

1002－6673（2014）03－142－03

2014－03－27

石博（1979-），男，在中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院從事煤礦井下電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。