【摘要】本文介绍了以TMS320F2812处理器为核心、基于收割机应用的多功能监测报警系统的设计与实现，文中给出了系统设计的整体方案，包括硬件和软件方案的设计，并对这两个部分的功能和实现做出了详细的分析和介绍。系统的硬件部分设计主要包括电机驱动电路，粮仓满报警器电路。经过软硬件的调试和结果分析表明系统性能稳定，能够实现收割机多功能监测报警系统的功能要求，对应用于农业机械的报警器组合仪表的设计有一定的参考价值。
【关键词】监测报警；TMS320F2812；AD转换；收割机应用
一、课题研究的背景和意义
课题提出了以TMS320F2812处理器为核心的基于收割机应用的多功能监测报警系统的设计方案，包括转速表、计价器，水温报警器，粮仓满报警器。图1-1所示为监测报警系统典型框图。
1.电机驱动模块介绍
本设计利用电机驱动芯片L298实现对直流电机的控制，利用TMS320F2812内部事件管理器EVB实现PWM驱动信号的产生，利用键盘实现PWM信号占空比的调制来实现电机的加速和减速，为了保证系统稳定性和可靠性，减少干扰，采用光电隔离芯片TLP521-4实现信号隔离。
2.液晶显示模块介绍
显示模塊利12864液晶屏实时显示测量结果。
3.转速表、计价器模块介绍
本设计利用红外线对管来检出车轮转速信号，经过555芯片进行波形整形。然后将整形后的波形送入处理器TMS320F2812的捕获单元CAP2，对波形的频率进行测量，进而计算出车轮的转速，根据给定的车轮周长可以得到收割机的行驶速度。再利用捕获单元对送入的波形脉冲个数进行计数，得到车轮转的圈数，进而得到收割机行驶距离，根据给定的单价，可以得到收割一定面积农作物的价格。
4.粮仓满报警器模块介绍
小麦粮仓满报警器利用检测红外线对管之间是否有物体（小麦），来得到粮仓是否已满的信息。玉米粮仓满报警器利用超声波测距来检测粮仓顶部距仓中玉米的距离来判断粮仓是否已满，当二者距离小于给定的临界值时，证明粮仓中不能存放更多的玉米，即粮仓已满。
二、系统硬件电路设计与实现
1.直流电机驱动电路设计
为了更好的模拟出收割机的运动状态，本课题设计了以L298为驱动芯片的直流电机驱动电路，来模拟收割机运行，加速，减速等状态。
直流电机是利用通过绕组上的电流大小来控制电机的转速的。其转动方向是由电流流向来控制。我们可以通过改变H桥臂的导通时间来实现流过电机电流的大小的调制。从而实现通过改变PWM控制信号的占空比来实现对电机速度的调节。
2.转速表、计价器模块硬件电路
转速表、计价器的硬件电路主要功能是实现车轮转动速度信号的检出。本设计利用红外线对管的接受管在接受和不接受红外线时电阻发生明显的变化的特性来检出车轮速度信号，通过外围电路可以得到明显的高低电平变化，利用555芯片进行波形整形后将波形送入DSP处理器的捕获单元[1]，即可得到车轮转速。图2-1为测速电路原理图。
3.粮仓满报警器模块硬件电路
粮仓满报警器模块包括小麦粮仓满报警器和玉米粮仓满报警器两个部分。小麦粮仓满报警器信号检出电路如图2-2所示。
本课题采用物位检测的原理来设计玉米粮仓满报警器，在粮仓顶部安装一个超声波测距模块，通过测量玉米和粮仓顶部的距离来判断粮仓是否已满。本设计测量时与被测物体无自接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，更加安全，实时性更好。
三、系统软件实现
本课题的软件实现采用C语言编程，开发环境为CCS3.0[2]。
1.转速表、计价器模块软件实现
转速表、计价去模块软件实现的核心是对信号检出电路输入DSP I/O口的波形频率进行测量。本课题利用F2812片内外设事件管理器的捕获功能，给出了一种简单的测频方法，实现了对车轮转速的测量[3]。该方法有效利用F2812的片内外设事件管理器（EV）的捕获单元，在被测信号的有效电平跳变沿捕获计数，电路实现多靠软件设置，运算简单，实时性好，精度较高，完全能够满足要求。
F2812片内外设事件管理器含有两个模块EVA和EVB，每个模块都包括2个通用目的（GP）定时器、3个全比较/PWM单元、3个捕捉单元和1个正交编码脉冲电路[4]。
捕获单元可以记录捕获单元引脚的变化，用户可以指定判断变化的方式（上升沿、下降沿或两个边沿）。当捕捉输入引脚CAPx检测到变化时，它将捕捉所选择的GP定时器的当前计数值，并把该计数值存储在两级深度的16位FIFO堆栈中。这里每个捕捉单元都有一个专用的2级深度FIFO堆栈，顶层堆栈由CAPFIFOx组成，底层由CAPxFBOT组成。
测频分两次捕捉，第一次捕捉到引脚发生的指定变化时，捕获单元将捕捉所选用计数器的计数值并把该值写入FIFO堆栈的上层寄存器（如果堆栈为空）。如果在第一次捕捉的值读取之前发生第二次捕捉，一个新的捕捉值会被送入底层寄存器。捕获单元捕捉到数值后，相应的中断标志位置1，如果没有屏蔽中断，就会产生外围设备中断请求。这里第一次捕捉屏蔽中断，第二次设置为和第一次捕捉相同的跳变沿捕捉，并开中断。响应中断，就可以通过中断服务程序读出一对捕捉的数值。这样的一对捕捉值正好是一个被测频率周期的两次计数。堆栈中的数值个数可以通过16位的FIFO状态寄存器CAPFIFOA（或CAPFIFOB）检测到。读出堆栈中两次存入的新旧捕获值，就能计算出一个周波内的标频脉冲数，进而得出被测周波的频率。
2.转速表、计价器功能实现
测得车轮转速之后，根据车轮周长L，可以编程计算出车速V=r×L，其中r为车轮转速。在利用捕获单元进行测频时，在中断服务程序中令常数temp进行计数，每检测到一个有效沿，temp计数一次，当车轮停止运行时，temp的值即为车轮转动圈数，由此可以得出车行驶距离S=temp×L。再根据给出的每Km单价，就可以进行计价。
3.粮仓满报警器模块软件实现
小麦粮仓满报警器的软件设计只需要检测送入GPIO的检出信号的高低电平，若为高电平，证明小麦粮仓已满，进行报警。而玉米粮仓报警器只需要检测粮仓顶部与玉米之间的距离是否小于最小临界距离，若小于最小距离，证明粮仓已满，进行报警。对与测距的软件实现在倒车雷达模块中会进行详细介绍。粮仓满报警器的程序流程图如图3-1所示。
四、系统调试与结果分析
本系统整体电路[5]采用的是DSP F2812的最小系统板，上面集成了SO12-864液晶显示屏、DSP2812處理器、AD模块、16个I/O口以及四个按键，超声波测距电路和粮仓满报警器电路。
系统的软件调试[6]主要内容有：
1.用示波器观察软件编程产生的PWM波形是否正常。
2.观察液晶显示是否符合要求，包括字符和汉字的显示。
3.观察频率测量是否准确：利用信号发生器产生一个频率20KHz左右的矩形波，送入到F2812的捕获单元。运行程序，比较送入捕获单元的波形频率与检测到频率差值，得到表4-1。
通过上表可以发现利用捕获单元进行频率测量误差较小，能够满足车轮转速的测量。
4.观察AD转换是否精确：利用滑动变阻器和一个电阻将F2812开发板上自带的3.3V稳压源分压，滑动变阻器两端的电压送入ADC模块输入通道，用万用表测量滑动变阻器两端的电压值，与ADC模块转换得到的电压值比较。改变滑动变阻器的阻值，进行多次测量的表4-2所示。
五、改进与展望
本文设计出的多功能检测报警系统能够基本实现功能要求，但在设计过程中还是有一些不足之处，在一些方面还行需要进一步的改进，在此提出一些改进措施：
由于DSP F2812的内部ADC模块只有12位，在转换过程中存在较大误差，而在设计过程中只在AD转换程序中加入经验型的补偿，未采取一些切实有效的方法，有待进一步的研究改进。也可以选用精度更高的16位AD芯片设计为F2812的片外AD进行数据采样，将会得到更准确的结果。
虽然课题有一些不足，但整个系统各个模块功能实现较好。
本设计基于大型收割机应用，各个模块功能都能满足实用要求，对多功能监测报警系统的设计有一定的参考价值。
参考文献
[1]刘和平，王维俊，江渝，邓力.TMS320LF240x DSP C语言开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社.
[2]Rulph Chassaing.DSP原理及其C编程开发技术[M].电子工业出版社，2005：23-56.
[3]肖本贤，陈荣保.电机的几种测速方法[M].合肥工业大学自动化研究所.
[4]Bonnie Baker.Real Analog Solutions for Digital Designers.National Semicondutor[R].2004，9（4）：133-135
[5]戴逸民，梁小雯，等.基于DSP的现代电子系统设计[M].电子工业出版社，2002：68-74.
[6]彭启琮，管庆.DSP的集成开发环境[M].电子工业出版社，2004：69-103.
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