采用CPLD與μC/OS -Ⅱ的斷路器智能控制單元設計

本文介紹的智能控制單元采用數字信號處理器(DSP)及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統完成各種數據的處理、通信和算法的設計，而狀態(tài)量的采集和執行信號輸出將由復雜可編程邏輯器(CPLD)完成，主要是基于CPLD內部硬件電路結構的可靠性和對狀態(tài)采集的實(shí)時(shí)性，該系統可以滿(mǎn)足系統控制實(shí)時(shí)性及可靠性的要求。

　　硬件設計

　　TMS320F2812DSP介紹

　　TMS320F2812DSP是德州儀器公司(TI)推出的32位高性能數字信號處理器，它具有峰值運行每秒150萬(wàn)條指令(MIPS)的處理速度和單周期完成32×32位MAC運算功能，同時(shí)它還具有128k×16的片上Flash，18k×16的片上RAM以及大量的片上外設，包括A/D轉換模塊、2個(gè)事件管理器(EVA和EVB)，CAN總線(xiàn)控制器、2個(gè)串行通信接口模塊(SCIA和SCIB)、串行外設接口模塊(SPI)、多功能串行接口(McBSP)及56個(gè)通用I/O口。該DSP以高效的32位定點(diǎn)CPUTMS320C28xTM為核心處理器，其開(kāi)發(fā)既可使用C28x匯編也可使用ANSIC/C++語(yǔ)言。此外TI公司還提供有虛擬浮點(diǎn)數學(xué)函數庫(IQ數學(xué)函數庫)、快速傅里葉變換(FFT)算法函數庫、濾波器庫等，這些函數庫可顯著(zhù)簡(jiǎn)化應用系統開(kāi)發(fā)。

　　TMS320F2812強大的功能使其能滿(mǎn)足嵌入式智能控制單元的設計要求。

　　系統硬件設計

　　智能控制單元主要完成的任務(wù)包括：處理主控模塊控制命令、監測母線(xiàn)電力參數、溫度采集、保護控制算法的實(shí)現、檢測開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)、開(kāi)關(guān)量的輸出控制及與監控中心的通信等。為了實(shí)現上述功能，并充分利用DSP TMS320F2812強大的外設功能及嵌入式操作系統的優(yōu)點(diǎn)，DSP主要完成模擬量采集、數據處理、算法實(shí)現、溫度采集、通信及命令處理。同時(shí)為了狀態(tài)的快速檢測和輸出執行信號的可靠性，將由CPLD完成狀態(tài)量的監測、與DSP的通信、狀態(tài)信號的輸出及外部高電壓電路的控制。系統結構如圖1所示。系統硬件的設計包括各調理電路、CAN總線(xiàn)通信驅動(dòng)、RS-232總線(xiàn)驅動(dòng)和RS-485總線(xiàn)驅動(dòng)及CPLD內部電路的設計。

　　圖1 智能控制單元系統結構圖

　　調理電路設計

　　調理電路包括交流電壓采集調理電路、開(kāi)關(guān)量采集調理電路、開(kāi)關(guān)量控制驅動(dòng)電路。交流電壓信號的采集使用F2812 內置12位A/D轉換模塊，該模塊本身具有采樣保持電路且要求輸入電壓的范圍為0~3V，因此設計了由電壓互感器、電流電壓轉換電路和RC濾波構成隔離電路和由放大、電壓抬升、電壓跟隨器及限幅組成的調理電路，可將220V/50Hz的電壓信號轉換成0~3V的電壓信號。

　　開(kāi)關(guān)量的采集采用CPLD實(shí)現。由于開(kāi)關(guān)量經(jīng)常出現抖動(dòng)問(wèn)題，因此其調理電路需采取措施去除開(kāi)關(guān)抖動(dòng)。在其調理電路中，采用電容C濾除輸入信號中的尖峰電壓(主要針對高頻干擾)，12V的穩壓二極管濾除干擾信號(主要針對低頻干擾)，光電耦合器是為了防止外部信號影響內部電路的工作;二極管VD用于保護光耦中的發(fā)光二級管以免發(fā)光二極管被反向擊穿開(kāi)關(guān)量控制信號經(jīng)CPLD的I/O管腳輸出。輸出信號經(jīng)過(guò)光耦器件TLP127驅動(dòng)外部的高電壓器件動(dòng)作。

　　由于該智能控制單元主要是控制斷路器的關(guān)合，而斷路器的關(guān)合過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生強的電磁效應，如果直接由DSP的GPIO管腳驅動(dòng)，外部電磁干擾有可能使DSP的程序跑飛或使DSP復位，嚴重影響執行后果，所以系統中開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出均由CPLD完成，其可靠程度將加強。

　　通信模塊

　　F2812具有增強型CAN控制器eCAN模塊，其完全支持CAN2.0B協(xié)議，性能較之已有的DSP內嵌CAN控制器有較大的提高，在CAN總線(xiàn)通信時(shí)，數據傳輸更加靈活方便，數據量更大、可靠性更高、功能更加完備，因此本設計采用CAN總線(xiàn)實(shí)現智能終端的通信。通信模塊的硬件設計主要是CAN總線(xiàn)驅動(dòng)電路的設計，選用飛利浦公司的CAN通信收發(fā)器PCA82C250作為F2812的CAN控制器和物理總線(xiàn)間接口，以實(shí)現對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。為防止干擾信號的引入，設計中采用高速光耦6N137對F2812及物理總線(xiàn)隔離。RS-232的驅動(dòng)芯片直接選用MAX232驅動(dòng)芯片，而RS-485的驅動(dòng)芯片采用SNLBC184，同時(shí)為了防止干擾信號進(jìn)入，設計中采用光耦TLP521對F2812和RS-232及RS-485總線(xiàn)驅動(dòng)芯片隔離。