CPLD在连采机保护系统中的应用

石博

（中国煤炭科工集团 太原研究院，山西 太原 030006)

CPLD在连采机保护系统中的应用

石博

（中国煤炭科工集团 太原研究院，山西 太原 030006)

介绍了一种连采机控制与保护系统的设计方法，利用DSP外部扩展高性能CPLD模块代替DSP控制A/D转换，实现多个模拟信号采集、处理以及多种复杂逻辑关系，提高了控制系统集成度、处理速度和可靠性，从根本上解决了由单一DSP控制器控制导致的低可靠性和程序易飞等缺点。

连采机；电气系统；交流采样；CPLD

0 引言

随着我国煤矿生产能力的提高和安全高效生产的需要，连采机在煤矿巷道施工中的应用越来越广泛，已经成为煤矿井下不可缺少的大型采掘设备。电气控制系统是连采机最重要的组成部分之一，其与液压系统配合，可方便实现整机的各种生产作业，及对电动机、预警、照明、急停等辅助设备的控制与保护。我国连采机电气控制技术经过几十年的发展，连采机控制技术和可靠性不断提高，除完成常规的控制、保护外，还具有遥控、故障诊断等功能。本文以连采机电气控制系统为对象，在控制系统中设计了一种在DSP外部扩展高性能CPLD模块用于数据采集和逻辑控制，将复杂的DSP片外逻辑组合和一些需要耗用大量等待时间的工作如A/D采样环节交给CPLD模块，DSP可以通过CPLD构成的数据采集和逻辑控制接口将多个外围模拟和开关通道映射到其I/O地址空间进行访问，大大增强了DSP访问外设的能力，提高了整个控制系统数据采集的速度。以DSP和CPLD组合设计的控制系统不仅实现了对连采机逻辑控制、保护和组网通讯，而且预留了掘进断面自动控制和掘进定向功能的硬件接口。现场应用结果表明：设计的控制系统不仅实现了多种控制功能，而且任务分工明确、实时性好、控制系统集成度强。

1 保护系统硬件设计

基于连采机生产工艺和自动控制的要求，以TI公司生产的32位微处理器TMS320F2812和CPLD为核心设计了一套连采机控制系统，不仅实现了连采机控制、保护功能，而且满足了连采机生产的智能化、网络化。

（1）TMS320F2812除具有数字信号处理能力外，还有强大的事件管理能力、嵌入式控制能力和多种标准串行通信外设，为连采机的控制提供了良好平台。

（2）CPLD。利用基于EDA技术的CPLD时序和编程功能，将CPLD和DSP有效结合，实现了CPLD在微机控制系统中对器件的片选、读写和逻辑控制功能。

（3）微机控制单元。微机控制单元是控制系统的核心部分，承担着数据采集、计算、逻辑判断、定时、存储等工作。主要包括：中央处理单元（CPU）、电源时钟、复位电路、外部接口电路、存储器及总线等。

（4）串行通信。串行通信包括两个SCI口和一个SPI口，采用MAXIM公司生产的MAX485收发器，完成RS-485标准接口通信，以Modbus协议与操作箱和其它设备进行数据通信。

（5）CAN总线通信。TMS320F2812内部集成eCAN模块，兼容CAN2.0B协议，不需要外加CAN控制器就能实现CAN总线底层协议。控制器eCAN端口连接CAN总线驱动器SN65HVD230实现CAN接口，并很方便接入到CAN总线系统中，与显示箱、遥控系统、电磁阀控制箱组成CAN总线系统。

（6）PWM信号输入给IRF540，增大PWM的驱动能力，以给连采机液压系统中比例电磁阀提供足够的电流。

（7）开关量输入、输出。开关量输入、输出单元连接控制系统和外围设备，接受来自外部设备的开关量输入和向外部设备发送开关量信号，并采用光电隔离和继电器对信号进行隔离和电平转换。

（8）标准模拟量信号。 标准模拟量信号为2～10V或者4～20mA，是各种传感器经电气控制箱内的本安隔离栅转换后的信号，输入到多路转换开关后依次进行A/D转换。

（9）周期性交流电量。周期性交流电量采集是直接对交流电量进行离散采样，并经A/D转换成微机可处理的数字量，通过算法计算出各个回路的电压、电流、功率因数。

2 CPLD在保护系统中的应用

周期性交流电量和各种标准的直流模拟量信号都要通过A/D转换，以完成连采机的自动控制和保护功能。DSP虽然在算法处理上功能强大，但其控制功能比较薄弱，若采用传统的DSP控制A/D转换，尽管编程简单，但控制周期长，速度慢。利用CPLD编程的灵活性实现数据采样接口，使得DSP可以通过这个接口将多个模拟通道映射到其I/O设备空间进行访问。其次，通过对CPLD的编程，在一个芯片上实现控制系统所需的各种逻辑功能，以代替传统的多个标准逻辑器件。通过CPLD在控制系统中的应用，增强了DSP访问外设的能力，简化了整个硬件电路的设计，提高了整个系统数据采集的速率，同时为外围设备的扩展提供了可能。

2.1 CPLD特点

CPLD是20世纪80年代后期迅速发展的新一代可编程逻辑器件，用户只要对它编程就可实现所需的电路功能。随着可编程逻辑器件的发展，规模越来越大，功能越来越强，价格越来越便宜，相配套的开发软件越来越完善[1]。使用CPLD器件主要有以下特点：①编程方式简单先进。采用ISP编程技术，通过一根编程电缆和PC机就可完成编程过程；②速度快。CPLD器件具有较高的运行速度，时钟延迟可达纳秒级；③可靠性高。通过编程在芯片内部实现各种功能，但物理机制是硬件电路，因此，可有效防止控制程序的死机[2]；④保密性强。CPLD器件一般都有一个可编程的保密位，通过一个可编程的保密位控制是否允许读出器件内的数据。在连采机控制系统中使用CPLD器件，不仅增加系统设计的灵活性、提高系统的可靠性，而且缩小系统体积、降低系统成本。

2.2 基于CPLD数据采集

将多个A/D转换单元通过CPLD映射到DSP的I/O地址空间，利用CPLD实现A/D转换初始化和读写操作，使得DSP可以透过CPLD这个 “黑匣子”快速、准确地获取数据。连采机控制系统要处理的25路模拟量信号分为周期性交流电量信号和标准电压信号，将CPLD和DSP技术相结合，利用CPLD的时序控制25路A/D转换启动和停止，达到动态地选择采样通道的目的。

根据连采机电机保护要求和交流电量信号特点，本文利用CPLD高精度、高速度的优点设计成有限状态机，通过CPLD程序实现整个采样过程，以最大限度的减小DSP的工作量，采样硬件框图如图1所示。

图中，信号变换是对电压、电流互感器输出的电量信号经高精密电量互感器，并由放大电路形成可调电压信号。双四选一多路开关保证电压和电流采样同步进行，消除由电压和电流非同步采样带来的角度差，从而提高控制系统各回路功率因数的精度[3]。低通滤波器降低信号输入频率，使其最高频率不超过采样频率1/2。采样保持器保证在A/D转换期间，输入的模拟信号保持不变。多路转换开关是使多个模拟量信号共用一个A/D转换模块。

DSP外部中断 0启动 CPLD，在 CPLD程序中由CPLD的可编程性实现整个采样控制。CPLD判断到A/D转换结束，就在DSP外部中断1引脚上置高电平，启动DSP外部中断1，通过外部中断1读取A/D转换结果。

转换开关的选通由CPLD完成，采样保持器与A/D之间通过多路转换开关控制转换顺序，A/D转换器的控制由CPLD实现的状态机完成，即将A/D转换过程分为ST0、ST1、ST2、ST3四个状态，如图2所示。

图1 采样硬件框图

图中，ST0为A/D转换初始化，ST1为选通A/D转换，ST2为 A/D转换完成，ST3为读转换数据。此外，在连采机控制系统中，控制器还要处理多个0－10V直流电压信号，此信号输入到多路转换开关，由CPLD的状态机实现数据的循环采集和转换。

数据采集中的CPLD采用了ALTERA公司MAX7000系列中的MAX7128E，其内部集成5000个门，128个宏单元，104个I/O引脚，由I/O输入、输出模块和LAB逻辑阵列模块组成，这些模块由可编程互连矩阵相互连接。

图2 CPLD状态机

2.3 基于CPLD逻辑控制

采用一片 CPLD代替若干传统的标准逻辑器件74HC04、74HC32、74HC138等，以实现控制系统的各种逻辑功能，CPLD内部的逻辑电路如图3所示。

图3 实现的逻辑电路使用了Altera公司生产的型号为EPM7128SLC84－15的CPLD芯片，该芯片内部集成了 2500个基本逻辑门，有 84个引脚，其中20个引脚为电源或编程引脚，其余的 64个引脚为可编程，当增加新的逻辑功能时，不需要对硬件电路改动，就可通过CPLD的片内程序实现。

图3 CPLD实现的逻辑电路

2.4 CPLD程序设计

编写CPLD程序前，按照DSP地址分配原则对整个控制系统进行合理地址分配，以免在CPLD程序编写过程中造成地址混叠。

整个设计首先根据控制系统的需要，确定要实现的逻辑功能、A/D转换工作时序以及具体输入输出关系，对器件内部逻辑和引脚功能进行设置，在配套软件MAX PLUSⅡ环境下用VHDL语言进行编程与编译，生成相应的目标文件，并将目标文件通过JTAG电缆下载到CPLD芯片中，实现符合设计要求的逻辑功能和采样控制。MAXPLUSⅡ软件对生成的逻辑电路进行相应的功能仿真，以及时地发现编程时存在的问题。

VHDL为CPLD的硬件描述语言，用于编写CPLD功能程序。一个完整的VHDL语言程序包含实体、构造体、配置、包集合和库5个部分。以逻辑功能为例，设计的CPLD程序中与非门的代码如下所示：

3 结束语

连采机DSP控制系统中采用CPLD代替DSP控制A/ D器件的采样工作和取代多个标准逻辑器件，减轻了数据采集装置中DSP的工作量、简化了控制板中PCB布线，增加了系统I/O的利用率和设计灵活性、缩短了开发周期，同时为外围设备的扩展提供了有效途径。在数据采集中采用CPLD，A/D采样环节节省 DSP的等待时间12μs，对于25路模拟信号，每个采样周期节省等待时间300μs。为适应连采机自动化系统对通信功能的要求，采用多种通信总线，如RS－485串行通信总线、CAN现场总线，并确保控制系统通信的实时性和可靠性。实践表明：用DSP和CPLD设计的控制与保护系统不仅实现了连采机的自动控制，而且具有较强的实时性和抗干扰能力。

[1]张原．可编程逻辑器件设计及应用[M]．北京：机械工业出版社，2003.

[2]赵曙光，郭万有，杨颂华．可编程逻辑器件原理、开发与应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[3]呼守信．基于Intel 80C196KB控制的矿用高压配电装置测控系统的研究[D].太原理工大学，2005.

[4]丁恩杰，谭得健，等．微机监控系统抗干扰方法的研究及设计[J]．煤矿自动化，1995，3.

本刊加入 “CNKI中国期刊全文数据库”的声明

为适应我国信息化建设，扩大本刊及作者知识信息交流渠道，本刊已被CNKI中国期刊全文数据库收录。如作者不同意文章被收录，请来稿时向本刊声明另作处理，同意收录者不再另付稿费。

《机电产品开发与创新》杂志社

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，在中国煤炭科工集团太原研究院从事煤矿井下电气产品的设计和开发工作。