董 娜

（唐鋼唐銀鋼鐵有限公司，河北 唐山 063000）

引言

電源在系統(tǒng)中可靠、安全的運(yùn)行離不開對它的實(shí)時臨測和控制。為了提高系統(tǒng)供電電源的可靠性，本文以集成有eCAN模塊和ADC采集模塊的TMS320F2812數(shù)字信號處理器作為核心控制器，提出一種直流電源供電系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)可通過對系統(tǒng)電壓、電流參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控和對過流、欠壓保護(hù)的快速響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)直流供電的智能化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

實(shí)際系統(tǒng)通常有多路負(fù)載，為研究方便，在此以單路來進(jìn)行討論。其系統(tǒng)組成如圖1所示。其中電源管理器是該供電系統(tǒng)的控制核心，包括DSP處理器、CAN接口、電流及電壓檢測電路等。系統(tǒng)上電后，即可對蓄電池的電壓和電流進(jìn)行不間斷監(jiān)控?；旌铣潆娖骺山邮苤绷骰蚪涣鞴╇娸斎?，其中：直流來自車輛發(fā)電機(jī)組，當(dāng)電源管理器檢測到車輛發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號高于某一設(shè)定值時，即接通繼電器l實(shí)現(xiàn)直流供電，反之則斷開；交流供電來自市電220 V，當(dāng)電源管理器檢測到市電接入時，將斷開繼電器1以實(shí)現(xiàn)交流優(yōu)先供電。繼電器2作為系統(tǒng)中的控制元件，可在電流傳感器檢測到系統(tǒng)過流時馬上斷開。上位機(jī)與電源管理器之間可通過CAN進(jìn)行通信。系統(tǒng)上電后，可由電源管理器向上位機(jī)發(fā)送電壓、電流信號的采集信息，同時，電源管理器可接收來自上位機(jī)的指令信息。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件實(shí)現(xiàn)

本直流電源供電系統(tǒng)的電源管理器采用TMS320F2812為處理器，該芯片是美國TI公司2000系列的32位低功耗定點(diǎn)DSP，主頻高達(dá)150MHz，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和快速的中斷響應(yīng)能力。TMS320F2812片內(nèi)有128Kxl6位FLASH和18Kxl6位高速RAM。片上還集成了豐富的外設(shè)資源，其中包括SPI、SCI、eCAN 和 MeBSP 等串口外圍設(shè)備，以及16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和56個獨(dú)立的可編程、多用途的通用輸入輸出接口(GPIO)等。本文用到的資源有eCAN、ADC、CAP和GPIO。

本系統(tǒng)的硬件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，蓄電池電壓經(jīng)電壓檢測電路采集后，便可進(jìn)入ADC的CHO通道，蓄電池的電流信號經(jīng)電流傳感器和信號調(diào)理電路后即可進(jìn)入ADC的CHl通道；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號由DSP的外設(shè)模塊事件管理器(EV)捕獲單元CAP以實(shí)現(xiàn)采集；DSP內(nèi)嵌的eCAN控制器則可通過CAN收發(fā)器后與上位機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信控制；另有3路GPIO口分別用于實(shí)現(xiàn)AC220V接入檢測及繼電器1、繼電器2的通斷控制；其它電路還包括電源、復(fù)位電路和JTAG。下面詳細(xì)討論該系統(tǒng)的參數(shù)采集設(shè)計和CAN接口設(shè)計。

圖2 硬件功能結(jié)構(gòu)

(1)電壓采集

蓄電池的電壓信號采集通常可以由線性光耦HCNR201和運(yùn)算放大器LM358P來實(shí)現(xiàn)，HCNR201是美國Ag-ilent公司生產(chǎn)的高精度模擬光耦，具有成本低、線性度高、穩(wěn)定性高、設(shè)計靈活等特點(diǎn)，它由一個高性能的發(fā)光二極管 (LED)和兩個光敏二極管PDl、PD2組成。

由于這種DSP信號處理器內(nèi)嵌的ADC采集模塊的信號輸入幅值范圍為0～3 V，故需將蓄電池的端電壓信號先經(jīng)電阻R3分壓處理，以保證光耦輸出的信號電平符合DSP的輸入要求，在軟件編程時，再乘以相應(yīng)的倍數(shù)，即可恢復(fù)電壓的原始值。若經(jīng)過R3后的信號為Vin，光耦輸出的信號為Vout，則有：

Vout=KVinR2／R1 (1)

式中，K為傳輸增益，對于每一只HCNR201來說，K是恒定的，其值在1+0.05之間，典型值為1?？梢钥闯?，通過調(diào)節(jié)R1、R2的值可改變該隔離電路的增益。本例中，選擇R1=R2，即僅實(shí)現(xiàn)電壓信號的隔離而不放大。Cl、C2作為反饋電容，主要用于信號濾波，具體參數(shù)的選擇請參考相關(guān)文獻(xiàn)。但在設(shè)計中要特別注意：必須保證U2、U3是分開供電的。

圖3 閉環(huán)霍爾電流傳感器工作原理

(2)電流采集

閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理如圖3所示，它的原邊電流IN所產(chǎn)生的磁場，可通過一個副邊線圈的電流IM所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償，從而使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場在磁芯中達(dá)到平衡時，即有如下等式：

NIN=MIM (2)

式中：IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝數(shù)；IM為副邊補(bǔ)償電流；M為副邊線圈的匝數(shù)。由上式可以看出，在已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時，通過測量副邊補(bǔ)償電流IM的大小，即可推算出原邊電流IN的值，從而實(shí)現(xiàn)原邊電流的隔離測量。

本設(shè)計采用閉環(huán)霍爾電流傳感器來采集蓄電池的電流信號，該霍爾電流傳感器的輸出信號SENSOR_IN進(jìn)入儀表放大器AD620調(diào)理后，即可進(jìn)入DSP的ADC通道ADC_CHL。

(3)轉(zhuǎn)速采集

發(fā)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速是一個近似的正弦信號，其峰峰電壓值在L～20V之間。輸入的轉(zhuǎn)速信號經(jīng)整流、限幅并在三極管的開關(guān)作用下可變?yōu)榉讲ㄐ盘?，然后?jīng)過光電隔離后輸入到DSP控制引腳CAP2，即可進(jìn)行捕獲。

本系統(tǒng)中的CAN接口如圖4所示，其CAN_TX、CAN_RX分別來自 TMS320F2812(176PGF)的腳87和引腳89，設(shè)計中，需配置該引腳為CAN外設(shè)模式。CTM8251AT芯片內(nèi)部集成有CAN隔離及CAN收發(fā)器件，可將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，且具有高達(dá)DC 2500V的隔離電壓，而且接口簡單。在輸出信號CAN_H、CAN-L之間并聯(lián)一個120 Ω的電阻可進(jìn)行阻抗匹配，以抑制反射波的干涉。

圖4 CAN接口電路

3 軟件流程

工作流程：系統(tǒng)開機(jī)后進(jìn)行上電自檢、初始化設(shè)置，如有故障則進(jìn)行故障排除，無故障則程序進(jìn)入WHILE循環(huán)，在該循環(huán)內(nèi)進(jìn)行參數(shù)采集、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、負(fù)載開機(jī)控制。中斷程序負(fù)責(zé)從上位機(jī)接收CAN數(shù)據(jù)。TMS320F2812數(shù)字信號處理器所集成的增強(qiáng)型CAN控制器通信接口與CAN2.0B協(xié)議完全兼容，其32個可以獨(dú)立配置的郵箱及其時間標(biāo)志特性有力地保證了電磁噪聲環(huán)境下與其他控制器的串口通信能力。

[1]黃俊浩.基于DSP的無刷直流電機(jī)控制研究[D].貴州大學(xué)，2009-05-01.