許敬濤，陳紅波（廣州電器科學研究院，廣東廣州510300）

基于嵌入式技術的整流器控制系統(tǒng)

許敬濤，陳紅波（廣州電器科學研究院，廣東廣州510300）

介紹了以ARM和FPGA等作為硬件基礎，采用μC/OS-II實時嵌入式系統(tǒng)作為軟件平臺，實現(xiàn)了可應用于電化學、金屬加工、電子、電力等行業(yè)的整流器控制系統(tǒng)。

整流器；控制系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；ARM；FPGA

數(shù)字式調節(jié)器大多采用IntelX86系列、DSP系列或多CPU框架結構，存在軟硬件功能欠缺或硬件復雜的問題。

隨著數(shù)字集成電路制造技術的發(fā)展，技術更新?lián)Q代的周期愈來愈短，集成度愈來愈高，功能愈來愈強大?，F(xiàn)場可編程邏輯陣列控制器（FPGA）和以ARM系列單片機為代表的高性能精減指令架構（RISC）處理器日趨完善。這2類器件都具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬、功耗低、開發(fā)工具先進、開發(fā)周期短、設計制造成本低、質量穩(wěn)定等特點，在工業(yè)控制領域得到了廣泛應用。

在新型控制系統(tǒng)中，采用了ARM+FPGA組合架構。根據系統(tǒng)的需求，充分利用ARM和FPGA的各自優(yōu)勢，配合完成調節(jié)器功能。ARM指令靈活，可以實現(xiàn)調節(jié)控制；FPGA時序控制能力和并行處理能力強，適合固定的算法和時序邏輯處理，可以實現(xiàn)頻率測量、同步采樣、FFT、同步檢測、脈沖形成和冗余邏輯。這種架構組成的系統(tǒng)不僅集成度高、功耗小，脈沖輸出組態(tài)靈活，而且提升了系統(tǒng)的性能和可靠性，降低了系統(tǒng)成本。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 硬件組態(tài)

控制系統(tǒng)可組態(tài)為單通道和雙通道，其模式分別見圖1、圖2。其硬件分別為：1個或2個調節(jié)通道（含主控板、模擬量板、IO板）；1塊開關量板；2塊通訊模塊；1套人機接口單元。

圖1 單通道模式

在雙通道模式中，2個調節(jié)通道互為熱備用，使用對等冗余技術。2套調節(jié)器的冗余接口通過電纜進行交叉連接，可以實現(xiàn)運行/備用狀態(tài)的自動切換，不需要第3方模塊參與，簡化了系統(tǒng)結構。通道冗余的前提條件是能夠正確有效地對調節(jié)器的失效進行檢測和處理。調節(jié)器失效分為以下2種情況。

（1）外部條件不具備。在檢測到外部條件不具備時，系統(tǒng)將設置相應的運行級別，由冗余控制邏輯來控制系統(tǒng)進行切換或繼續(xù)運行。

（2）內部系統(tǒng)故障。系統(tǒng)使用了多路電源，1個ARM和1個FPGA以及部分邏輯芯片。在這些器件中，邏輯芯片的故障率最低，如74LCX245為1.4FIT（1FIT表示1 000個樣品工作106 h，只有1個發(fā)生故障），可以認為它是可靠的。其他如電源系統(tǒng)故障、ARM和FPGA的失效則需要監(jiān)視。由于沒有第3方監(jiān)視模塊，調節(jié)器內部必須完成實時監(jiān)視，在發(fā)生任何一個嚴重故障時，立即退出運行。

ARM內部集成Watchdog，并周期性輸出信號給FPGA，由Watchdog和FPGA同時監(jiān)視ARM的執(zhí)行，在ARM死機的情況下，F(xiàn)PGA立即閉鎖信號輸出，自動退出運行。

FPGA由ARM和內部的監(jiān)視單元同時監(jiān)視，在出現(xiàn)問題時，由CPU或監(jiān)視單位控制置FPGA到復位狀態(tài)，邏輯電路自動閉鎖輸出。

1.2 調節(jié)通道

調節(jié)器的核心是嵌入式ARM處理器和現(xiàn)場可編程邏輯陣列控制器（FPGA）。

ARM處理器采用RISC架構，具有體積小、低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點，集成有豐富的外設，包括存儲器、通訊接口等，第3方開發(fā)工具多，支持嵌入式操作系統(tǒng)。

此系統(tǒng)充分利用ARM處理器的優(yōu)勢，使用它來完成調節(jié)運算和對外通訊。ARM從FPGA讀取開關量、模擬量，執(zhí)行控制流程，形成控制信號以及通道冗余控制信息，再寫入FPGA，F(xiàn)PGA根據這些信息，形成脈沖。

FPGA采用Altera公司的EP2C8型芯片，它屬于CYCLONE II系列。其內部邏輯可以自由定義，具有精確時序和同步、快速決策及任務并行執(zhí)行等優(yōu)點。FPGA內部集成大容量RAM和多個DSP單元，可以完成高密度的數(shù)字信號處理。利用FPGA的特點，在1個芯片內實現(xiàn)多個相互獨立的模塊，所有模塊并行操作。這些模塊包括同步采樣、交流采樣算法、平均值算法、頻率補償、同步接口、同步備用、脈沖形成、通道冗余邏輯等，極大地簡化了系統(tǒng)設計。FPGA具有良好的可配置特性，不需要修改電路板就可以完成很多功能的調整，使設備的升級變得非常容易，也可使控制系統(tǒng)滿足不同行業(yè)整流設備的要求，比如十二相整流、正負不對稱脈沖電源等。在該系統(tǒng)的設計中，F(xiàn)PGA發(fā)揮了非常重要的作用。

1.3 開關量板

對24 V的輸入信號進行隔離轉換，將轉換后的24 V信號經過扁線送給IO擴展板，IO擴展板上的輸出信號通過扁線到開關量板，由開關量板經過隔離轉換后，驅動24 V繼電器輸出。

1.4 通訊模塊

2個通訊模塊實現(xiàn)的功能一樣，通訊模塊1采集CAN總線上的數(shù)據后，置于相應的寄存器地址中，屏幕可對數(shù)據進行讀取操作；通訊模塊2采集CAN總線上數(shù)據，置于相應的寄存器地址中，供給外部監(jiān)控使用。2個模塊中的寄存器對應的數(shù)據可根據實際使用情況進行變更。

1.5 人機界面

人機界面是實現(xiàn)調節(jié)器與運行操作人員交流的媒介。它負責設備運行狀態(tài)故障信息的顯示及用戶操作指令解釋與傳送。人機界面可以是觸摸屏，也可以是后臺微機，它們采用相同的連接方式接入控制系統(tǒng)中。

1.6 部分技術指標

低功耗ARM處理器，F(xiàn)PGA具有全并行DSP單元，每秒可完成10萬次FFT；A/D轉換分辨率達16位，12通道，量程±12 V，采樣頻率200 kHz/通道；具有48路光隔離開關量輸入，32路繼電器輸出；2路DA輸出，分辨率12位，電壓范圍0～24 V；可控硅控制角分辨率為0.002 7；移相范圍為0～180°。

2 系統(tǒng)軟件結構

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和應用程序任務2個部分。為了保證多個任務實時運行，本系統(tǒng)采用了μC/OS-II實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺。

2.1 μC/OS-II

μC/OS-II是可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務操作系統(tǒng)，已在工控行業(yè)得到廣泛應用。μC/OS-II的源代碼完全開放，它面向嵌入式應用，其大部分源代碼用可移植性的C語言編寫，在設計之初，就充分考慮了可移植性。

以嵌入式處理器為中心搭建好硬件電路時僅提供了裸機運行平臺，要使整個系統(tǒng)有限的硬件資源充分利用起來，還需要嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）的軟件支持。之所以在控制器中應用實時操作系統(tǒng)，是因為RTOS將應用分解成多個任務，簡化了應用系統(tǒng)軟件的設計；RTOS也使控制系統(tǒng)的實時性得到保證，可以接近理論水平；良好的多任務設計，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2.2 應用程序任務

應用程序主要實現(xiàn)閉環(huán)調節(jié)、調試接口以及邏輯控制等功能。應用程序中包含通訊接口（串行口、CAN）的驅動功能，負責各種狀態(tài)信息的整理。

（1）閉環(huán)調節(jié)

根據工作模式實現(xiàn)正向、反向閉環(huán)控制，峰值、谷值閉環(huán)控制。

（2）調試接口

提供和調試軟件的接口。PC通過該接口完成系統(tǒng)的參數(shù)調整、功能測試、狀態(tài)監(jiān)測、示波器等任務。調試接口是控制系統(tǒng)性能參數(shù)調整的功能最完整的接口，供生產廠家與高級用戶使用。

（3）過程控制邏輯

根據運行操作人員設置的工作模式、工藝曲線參數(shù)，控制整流設備輸出。

軟啟動/軟停機過程的定時給定調節(jié)；根據α角自動調節(jié)有載開關檔位；自動/手動跟蹤與切換；直流反饋故障時自動切換到交流反饋；根據故障等級發(fā)出報警、封鎖脈沖、跳高壓開關等動作信號；A/B通道跟蹤與切換。

（4）定時中斷任務

定時中斷服務程序通過信號量控制主調節(jié)任務的執(zhí)行，定時間隔即為調節(jié)周期。由于調節(jié)任務是獨立的任務，只能由操作系統(tǒng)負責調度，調節(jié)任務同定時器之間需要通過信號量完成同步。

（5）通訊任務

通訊任務包括RS232串行口和CAN 2種不同方式的接口實現(xiàn)。其中，串行口用于和調試軟件的連接，提供控制系統(tǒng)全部功能控制接口；CAN口用于同控制系統(tǒng)其他網絡器件交換信息，提供狀態(tài)采集與部分控制功能接口。

3 脈沖組態(tài)

系統(tǒng)提供12路脈沖輸出，可以根據實際應用需求靈活組態(tài)。對于簡單的6脈波、12脈波、正反向6脈波均可以十分容易地實現(xiàn)，并可以根據需要提供單向疊加脈沖波形和正反向快速脈沖波形。

4 結語

基于嵌入式技術的整流器控制系統(tǒng)充分利用了微電子領域的前沿技術和嵌入式實時操作系統(tǒng)的優(yōu)勢。在硬件設計上，采用RISC結構的微處理器+大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷Ｊ?，一方面，使硬件電路具有較強的可重塑性和廣泛的適應性，另一方面，減小電路功耗，提高集成度和可靠性；在軟件設計上，采用嵌入式操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，完善多任務運行機制，提高系統(tǒng)實時性和軟件運行可靠性。

Rectifier control system based on embedded technology

XU Jing-tao,CHEN Hong-bo
(Guangzhou Electric Apparatus Research Institute,Guangzhou 510300,China)

The rectifier control system that was applied in electrochemistry industry and metal working, electronics and power industry was introduced,which was ARM and FPGA as the hardware basis and μC/ OS-Ⅱreal time embedded technology as software platform.

rectifier;control system;embedded system;ARM;FPGA

TM461

B

1009－1785(2010)10－0001-03

2009-09-16