基于DSP+CPLD的斷路器智能控制單元設計
加入技術(shù)交流群
關(guān)鍵詞：數字信號處理器;復雜可編程邏輯控制器;斷路器;智能控制
隨著(zhù)計算機技術(shù)、信號檢測技術(shù)及微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，對斷路器控制單元的要求也不斷提高，現代智能控制單元不僅要求具有自動(dòng)保護、維護和信息傳遞功能，而且要求具備標準的通信協(xié)議，能方便的和不同廠(chǎng)家的主控單元組成分布式的控制系統；此外，從斷路器控制單元的自身功能上更要求其具備同步關(guān)合功能。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3232位MAC運算功能，同時(shí)它還具有128k16的片上Flash，18k16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。
CPLD模塊設計
在該智能控制單元中，CPLD是一個(gè)重要的組成部分，由CPLD組成的狀態(tài)采集及輸出執行系統可以獨立工作，主要是控制斷路器的異步關(guān)合，接受各種輸入的按鍵操作和狀態(tài)的輸入/輸出。同步控制時(shí)，CPLD接收DSP傳送的動(dòng)作命令，即可以執行同步關(guān)合操作，同時(shí)，當狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，CPLD將發(fā)出中斷信號，由DSP讀取狀態(tài)并且作出相應的處理或傳送給監控中心。CPLD的輸入信號主要有異步的關(guān)、合、復位輸入，斷路器的位置信號、開(kāi)關(guān)小車(chē)的位置信號、失壓跳閘、過(guò)流跳閘、系統電壓信號等。其信息輸出模塊的功能主要是顯示斷路器是否具備可以操動(dòng)的條件、斷路器的合/分閘狀態(tài)、斷路器的動(dòng)作執行情況、輸出控制斷路器動(dòng)作命令等。CPLD的控制框圖如圖2所示。CPLD作為一個(gè)單獨的控制執行機構，通過(guò)編寫(xiě)相應的VHDL代碼，即可以生成相應的操作電路，包括對各種輸入信號的鎖存、判斷和處理，以及對各種命令信號的執行，對輸出信號的控制。
軟件設計
軟件設計包括系統軟件設計和應用軟件設計。
圖2 CPLD的控制框圖
系統軟件設計的主要任務(wù)是實(shí)現μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植；應用軟件設計的主要任務(wù)是系統功能的實(shí)現。
系統軟件設計
μC/OS-Ⅱ簡(jiǎn)介
本設計系統軟件采用源代碼公開(kāi)實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-Ⅱ，它是一個(gè)基于優(yōu)先級的、可移植、可固化、可裁剪、占先式實(shí)時(shí)操作系統，其絕大部分源碼是用ANSIC寫(xiě)的。
μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植
要使用μC/OS-Ⅱ，首先要把內核成功移植到所使用的CPU上。μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植工作包括4個(gè)內容。
a.在OS_CPU.H中定義與處理器相關(guān)的常量、宏及數據類(lèi)型。例如關(guān)中斷和開(kāi)中斷的定義分別為#defineOS_ENTER_CRITICAL（）asm“DINT”及#defineOS_EXIT_CRITICAL（）asm“EINT”。
b.調整和修改頭文件OS_CFG.H，以裁減或修改μC/OS-Ⅱ的系統服務(wù)，減少資源損耗。例如，
#defineOS_MBOX_EN0即禁止使用郵箱相關(guān)的代碼。
c.編寫(xiě)C語(yǔ)言文件OS_CPU.C。由于本設計中未用到其他幾個(gè)函數，因此這里主要完成函數
OSTaskStkInit（）的編寫(xiě)。OSTaskStkInit（）用來(lái)初始化任務(wù)的堆棧結構，使其看起來(lái)象剛發(fā)生過(guò)中斷并將所有的寄存器保存到堆棧的情形一樣。
d.編寫(xiě)匯編語(yǔ)言文件OS_CPU.ASM。本文件包括4個(gè)子函數程序：OSStartHighRdy（）（運行最高優(yōu)先級任務(wù)），OSCtxSw（）（任務(wù)級的任務(wù)切換），OSIntCtxSw（）（中斷級的任務(wù)切換）和OSTickISR（）（μC/OS-Ⅱ時(shí)間節拍中斷函數），這是μC/OS-Ⅱ移植中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，這幾個(gè)函數的合理實(shí)現，是保證μC/OS-Ⅱ運行的基礎。
上述工作完成后，μC/OS-Ⅱ就可以運行了。
應用軟件設計
根據智能控制單元的功能要求，將系統分為交流電壓采集模塊、數據處理模塊、斷路器動(dòng)作時(shí)間預測模塊、通信模塊、以及與CPLD的接口模塊共11個(gè)任務(wù)和3個(gè)中斷來(lái)實(shí)現，每個(gè)任務(wù)根據其實(shí)時(shí)性的要求并參照單調執行率調度法RMS分配一定的優(yōu)先級、任務(wù)及中斷的定義，如表1所示。
優(yōu)先級最高的是開(kāi)始任務(wù)（TaskStart），這是系統啟動(dòng)后運行的第1個(gè)任務(wù)。在該任務(wù)中要完成系統及相關(guān)外設的初始化，并進(jìn)行必要的自檢測，然后創(chuàng )建其余的各個(gè)任務(wù)。在完成其余各個(gè)任務(wù)創(chuàng )建之后，該任務(wù)要刪除自己，把系統資源讓給其他任務(wù)，整個(gè)系統開(kāi)始正常運行。該任務(wù)的示意代碼如下：
/*系統及外設初始化*/
/*系統自檢測*/
/*創(chuàng )建各個(gè)任務(wù)*/
StartCpuTimer2（）；/*啟動(dòng)時(shí)間片*/
OSStatInit（）；/*統計任務(wù)初始化*/
創(chuàng )建智能控制單元的各個(gè)應用任務(wù)；
KickDog（）；/*WatchDog復位*/
OSTaskdel（OS_PRIO_SELF）；/*刪除開(kāi)始任務(wù)*/
除了TaskStart（）之外，其余各任務(wù)模塊的結構都是無(wú)限循環(huán)體，圖3給出了一般任務(wù)流程圖。
圖3 任務(wù)流程圖
任務(wù)通信與同步
μC/OS-Ⅱ提供了5種用于數據共享和任務(wù)通信的方法：信號量、郵箱、消息隊列、事件標志及互斥型信號量。信號量可以控制共享資源的使用權，也可以協(xié)調外部事件與任務(wù)的執行，提供了任務(wù)間通信、同步和互斥的最快通信，μC/OS-Ⅱ提供了3種類(lèi)型的信號量，即二進(jìn)制型、計數型和互斥型。事件標志可使任務(wù)與多個(gè)事件同步，若與多個(gè)事件的任何一個(gè)同步，稱(chēng)為獨立型同步；若與多個(gè)事件都同步，稱(chēng)之為關(guān)聯(lián)型同步。郵箱是一種通信機制，它可以發(fā)送一個(gè)指針型的變量，該指針指向一個(gè)包含了特定消息的數據結構。消息隊列是另一種通信機制，它可以使一個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)子程序向另一個(gè)任務(wù)發(fā)送以指針定義的變量，具體應用不同，每個(gè)指針指向的數據結構也不同?；コ庑托盘柫渴且环N特殊的二進(jìn)制型信號量，主要用于解決內在的互斥問(wèn)題，減少實(shí)際應用中所必需的優(yōu)先級翻轉。在設計智能控制單元軟件時(shí)，充分利用了μC/OS-Ⅱ提供的這些通信機制，以協(xié)調各獨立任務(wù)的運行。
通信協(xié)議的實(shí)現
F2812提供了標準的CAN2.0B總線(xiàn)協(xié)議，而此協(xié)議是一種物理層協(xié)議，因為該智能控制單元用于電力系統控制中，電力系統通用的應用層協(xié)議主要有CDT，MODBUS，DNP3.0等，在本設計的過(guò)程中應用層的協(xié)議將采用MODBUS協(xié)議，通信協(xié)議的實(shí)現比較復雜，但是由于采用了實(shí)時(shí)操作系統，通信協(xié)議的實(shí)現可以由操作系統統一管理，主要由數據的接收、發(fā)送、打包、解包任務(wù)完成。
總結
a.設計中使用具有多外設的新型高性能DSPTMS320F2812芯片，大大減少了系統硬件設計的工作量，縮短了開(kāi)發(fā)周期。設計中采用了DSP最小系統與調理電路分開(kāi)設計的方法，并且在DSP最小系統設計中采用多層板結構，并大量使用了貼片元件，以提高系統的穩定性及電磁兼容性。
b.作為基于優(yōu)先級調度的嵌入式操作系統，任務(wù)優(yōu)先級的合理分配對系統的正常運行至關(guān)重要。在本設計中，對任務(wù)優(yōu)先級的分配首先考慮是滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性，其次在同等條件下再考慮任務(wù)的執行頻度，通過(guò)反復調整，最終確定優(yōu)先級的分配表1。
c.本課題利用了基于CPLD的執行電路設計，由于CPLD的內部硬件結構的可靠性及快速的反應，非常適合電力系統控制，因此采用全CPLD(或ACTELFPGA)應是一個(gè)研究方向。
d.F2812作為T(mén)I公司推出的2000系列的新成員，目前在國內的開(kāi)發(fā)和設計還處于摸索階段，本文中所提出的基于TMS320F2812+μC/OS-Ⅱ的系統設計思想會(huì )對F2812的學(xué)習和使用起到一定的促進(jìn)作用。
斷路器相關(guān)文章:斷路器原理
高壓真空斷路器相關(guān)文章:高壓真空斷路器原理 漏電斷路器相關(guān)文章:漏電斷路器原理
評論