基于DSP+CPLD的斷路器智能控制單元設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了基于新型高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片TMS320F2812和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）MAX7128實(shí)現(xiàn)的斷路器智能控制單元設(shè)計(jì)。重點(diǎn)敘述了調(diào)理電路、F2812通信模塊、CPLD模塊的設(shè)計(jì)。采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ作為系統(tǒng)軟件平臺(tái)，論述了系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件（任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、流程、通信與同步、通信協(xié)議等）的設(shè)計(jì)，并用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)執(zhí)行電路的程序設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方案可提高斷路器智能控制單元的可靠性，便于性能擴(kuò)展。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器;復(fù)雜可編程邏輯控制器;斷路器;智能控制

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)及微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)斷路器控制單元的要求也不斷提高，現(xiàn)代智能控制單元不僅要求具有自動(dòng)保護(hù)、維護(hù)和信息傳遞功能，而且要求具備標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，能方便的和不同廠家的主控單元組成分布式的控制系統(tǒng)；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(shù)字信號(hào)處理器（DSP）及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)完成各種數(shù)據(jù)的處理、通信和算法的設(shè)計(jì)，而狀態(tài)量的采集和執(zhí)行信號(hào)輸出將由復(fù)雜可編程邏輯器（CPLD）完成，主要是基于CPLD內(nèi)部硬件電路結(jié)構(gòu)的可靠性和對(duì)狀態(tài)采集的實(shí)時(shí)性，該系統(tǒng)可以滿(mǎn)足系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)性及可靠性的要求。

硬件設(shè)計(jì)

TMS320F2812DSP介紹
TMS320F2812DSP是德州儀器公司（TI）推出的32位高性能數(shù)字信號(hào)處理器，它具有峰值運(yùn)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(yùn)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(shè)，包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、2個(gè)事件管理器（EVA和EVB），CAN總線控制器、2個(gè)串行通信接口模塊（SCIA和SCIB）、串行外設(shè)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)CPUTMS320C28x^TM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(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)（IQ數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)）、快速傅里葉變換（FFT）算法函數(shù)庫(kù)、濾波器庫(kù)等，這些函數(shù)庫(kù)可顯著簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。TMS320F2812強(qiáng)大的功能使其能滿(mǎn)足嵌入式智能控制單元的設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(jiān)測(cè)母線電力參數(shù)、溫度采集、保護(hù)控制算法的實(shí)現(xiàn)、檢測(cè)開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)、開(kāi)關(guān)量的輸出控制及與監(jiān)控中心的通信等。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，并充分利用DSP TMS320F2812強(qiáng)大的外設(shè)功能及嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，DSP主要完成模擬量采集、數(shù)據(jù)處理、算法實(shí)現(xiàn)、溫度采集、通信及命令處理。同時(shí)為了狀態(tài)的快速檢測(cè)和輸出執(zhí)行信號(hào)的可靠性，將由CPLD完成狀態(tài)量的監(jiān)測(cè)、與DSP的通信、狀態(tài)信號(hào)的輸出及外部高電壓電路的控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括各調(diào)理電路、CAN總線通信驅(qū)動(dòng)、RS-232總線驅(qū)動(dòng)和RS-485總線驅(qū)動(dòng)及CPLD內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)。

圖1 智能控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

調(diào)理電路設(shè)計(jì)
調(diào)理電路包括交流電壓采集調(diào)理電路、開(kāi)關(guān)量采集調(diào)理電路、開(kāi)關(guān)量控制驅(qū)動(dòng)電路。交流電壓信號(hào)的采集使用F2812內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)了由電壓互感器、電流電壓轉(zhuǎn)換電路和RC濾波構(gòu)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(diào)理電路，可將220V/50Hz的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~3V的電壓信號(hào)。

開(kāi)關(guān)量的采集采用CPLD實(shí)現(xiàn)。由于開(kāi)關(guān)量經(jīng)常出現(xiàn)抖動(dòng)問(wèn)題，因此其調(diào)理電路需采取措施去除開(kāi)關(guān)抖動(dòng)。在其調(diào)理電路中，采用電容C濾除輸入信號(hào)中的尖峰電壓（主要針對(duì)高頻干擾），12V的穩(wěn)壓二極管濾除干擾信號(hào)（主要針對(duì)低頻干擾），光電耦合器是為了防止外部信號(hào)影響內(nèi)部電路的工作；二極管V_D用于保護(hù)光耦中的發(fā)光二級(jí)管以免發(fā)光二極管被反向擊穿開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)經(jīng)CPLD的I/O管腳輸出。輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦器件TLP127驅(qū)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(qiáng)的電磁效應(yīng)，如果直接由DSP的GPIO管腳驅(qū)動(dòng)，外部電磁干擾有可能使DSP的程序跑飛或使DSP復(fù)位，嚴(yán)重影響執(zhí)行后果，所以系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出均由CPLD完成，其可靠程度將加強(qiáng)。

通信模塊
F2812具有增強(qiáng)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(nèi)嵌CAN控制器有較大的提高，在CAN總線通信時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸更加靈活方便，數(shù)據(jù)量更大、可靠性更高、功能更加完備，因此本設(shè)計(jì)采用CAN總線實(shí)現(xiàn)智能終端的通信。通信模塊的硬件設(shè)計(jì)主要是CAN總線驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，選用飛利浦公司的CAN通信收發(fā)器PCA82C250作為F2812的CAN控制器和物理總線間接口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。為防止干擾信號(hào)的引入，設(shè)計(jì)中采用高速光耦6N137對(duì)F2812及物理總線隔離。RS-232的驅(qū)動(dòng)芯片直接選用MAX232驅(qū)動(dòng)芯片，而RS-485的驅(qū)動(dòng)芯片采用SNLBC184，同時(shí)為了防止干擾信號(hào)進(jìn)入，設(shè)計(jì)中采用光耦TLP521對(duì)F2812和RS-232及RS-485總線驅(qū)動(dòng)芯片隔離。

CPLD模塊設(shè)計(jì)

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(zhí)行系統(tǒng)可以獨(dú)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(zhí)行同步關(guān)合操作，同時(shí)，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，CPLD將發(fā)出中斷信號(hào)，由DSP讀取狀態(tài)并且作出相應(yīng)的處理或傳送給監(jiān)控中心。CPLD的輸入信號(hào)主要有異步的關(guān)、合、復(fù)位輸入，斷路器的位置信號(hào)、開(kāi)關(guān)小車(chē)的位置信號(hào)、失壓跳閘、過(guò)流跳閘、系統(tǒng)電壓信號(hào)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(zhí)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(dú)的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的VHDL代碼，即可以生成相應(yīng)的操作電路，包括對(duì)各種輸入信號(hào)的鎖存、判斷和處理，以及對(duì)各種命令信號(hào)的執(zhí)行，對(duì)輸出信號(hào)的控制。


軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。

圖2 CPLD的控制框圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植；應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

μC/OS-Ⅱ簡(jiǎn)介
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用源代碼公開(kāi)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，它是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的、可移植、可固化、可裁剪、占先式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，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(nèi)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(nèi)容。
a.在OS_CPU.H中定義與處理器相關(guān)的常量、宏及數(shù)據(jù)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(diào)整和修改頭文件OS_CFG.H，以裁減或修改μC/OS-Ⅱ的系統(tǒng)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(shè)計(jì)中未用到其他幾個(gè)函數(shù)，因此這里主要完成函數(shù)
OSTaskStkInit（）的編寫(xiě)。OSTaskStkInit（）用來(lái)初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，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(shù)程序：OSStartHighRdy（）（運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)），OSCtxSw（）（任務(wù)級(jí)的任務(wù)切換），OSIntCtxSw（）（中斷級(jí)的任務(wù)切換）和OSTickISR（）（μC/OS-Ⅱ時(shí)間節(jié)拍中斷函數(shù)），這是μC/OS-Ⅱ移植中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，這幾個(gè)函數(shù)的合理實(shí)現(xiàn)，是保證μC/OS-Ⅱ運(yùn)行的基礎(chǔ)。
上述工作完成后，μC/OS-Ⅱ就可以運(yùn)行了。

應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能控制單元的功能要求，將系統(tǒng)分為交流電壓采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、斷路器動(dòng)作時(shí)間預(yù)測(cè)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(xiàn)，每個(gè)任務(wù)根據(jù)其實(shí)時(shí)性的要求并參照單調(diào)執(zhí)行率調(diào)度法RMS分配一定的優(yōu)先級(jí)、任務(wù)及中斷的定義，如表1所示。

優(yōu)先級(jí)最高的是開(kāi)始任務(wù)（TaskStart），這是系統(tǒng)啟動(dòng)后運(yùn)行的第1個(gè)任務(wù)。在該任務(wù)中要完成系統(tǒng)及相關(guān)外設(shè)的初始化，并進(jìn)行必要的自檢測(cè)，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?jiǎng)h除自己，把系統(tǒng)資源讓給其他任務(wù)，整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始正常運(yùn)行。該任務(wù)的示意代碼如下：
/*系統(tǒng)及外設(shè)初始化*/
/*系統(tǒng)自檢測(cè)*/
/*創(chuàng)建各個(gè)任務(wù)*/
StartCpuTimer2（）；/*啟動(dòng)時(shí)間片*/
OSStatInit（）；/*統(tǒng)計(jì)任務(wù)初始化*/
創(chuàng)建智能控制單元的各個(gè)應(yīng)用任務(wù)；
KickDog（）；/*WatchDog復(fù)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)共享和任務(wù)通信的方法：信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列、事件標(biāo)志及互斥型信號(hào)量。信號(hào)量可以控制共享資源的使用權(quán)，也可以協(xié)調(diào)外部事件與任務(wù)的執(zhí)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(hào)量，即二進(jìn)制型、計(jì)數(shù)型和互斥型。事件標(biāo)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(dú)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(jī)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。消息隊(duì)列是另一種通信機(jī)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(yīng)用不同，每個(gè)指針指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不同?；コ庑托盘?hào)量是一種特殊的二進(jìn)制型信號(hào)量，主要用于解決內(nèi)在的互斥問(wèn)題，減少實(shí)際應(yīng)用中所必需的優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)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(jī)制，以協(xié)調(diào)各獨(dú)立任務(wù)的運(yùn)行。

通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
F2812提供了標(biāo)準(zhǔn)的CAN2.0B總線協(xié)議，而此協(xié)議是一種物理層協(xié)議，因?yàn)樵撝悄芸刂茊卧糜陔娏ο到y(tǒng)控制中，電力系統(tǒng)通用的應(yīng)用層協(xié)議主要有CDT，MODBUS，DNP3.0等，在本設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)用層的協(xié)議將采用MODBUS協(xié)議，通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，但是由于采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)可以由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理，主要由數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、打包、解包任務(wù)完成。

總結(jié)

a.設(shè)計(jì)中使用具有多外設(shè)的新型高性能DSPTMS320F2812芯片，大大減少了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的工作量，縮短了開(kāi)發(fā)周期。設(shè)計(jì)中采用了DSP最小系統(tǒng)與調(diào)理電路分開(kāi)設(shè)計(jì)的方法，并且在DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用多層板結(jié)構(gòu)，并大量使用了貼片元件，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及電磁兼容性。

b.作為基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的嵌入式操作系統(tǒng)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)的合理分配對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。在本設(shè)計(jì)中，對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的分配首先考慮是滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，其次在同等條件下再考慮任務(wù)的執(zhí)行頻度，通過(guò)反復(fù)調(diào)整，最終確定優(yōu)先級(jí)的分配表1。

c.本課題利用了基于CPLD的執(zhí)行電路設(shè)計(jì)，由于CPLD的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)的可靠性及快速的反應(yīng)，非常適合電力系統(tǒng)控制，因此采用全CPLD(或ACTELFPGA)應(yīng)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(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)還處于摸索階段，本文中所提出的基于TMS320F2812+μC/OS-Ⅱ的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想會(huì)對(duì)F2812的學(xué)習(xí)和使用起到一定的促進(jìn)作用。

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