袁 滿(mǎn)，韋忠朝，于克訓(xùn)，馬志源，胡 闖

（強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)），湖北 武漢430074）

一些大型用電設(shè)備在無(wú)法聯(lián)接電網(wǎng)的場(chǎng)合使用時(shí)，需要大功率移動(dòng)電源供電.移動(dòng)電源系統(tǒng)一般由原動(dòng)機(jī)、發(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置、電源變換裝置、總成控制等組成［1］，作為可獨(dú)立工作的電源系統(tǒng)，要求具有自動(dòng)化程度高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)電源系統(tǒng)的有效控制十分重要.移動(dòng)電源系統(tǒng)組成復(fù)雜，各電源模塊要配合整個(gè)電源系統(tǒng)的運(yùn)行，因此電源各模塊的分散控制與集中管理直接影響到電源的可靠性與效率，于是各種高性能控制芯片被引入到移動(dòng)電源系統(tǒng)中來(lái)了，而數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的出現(xiàn)正好適應(yīng)了這種需求.TMS320F28335系列DSP具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，具有精度高、成本低、功耗小、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)量大和A／D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)［2］.本文介紹了基于TMS320F28335的一種移動(dòng)電源控制系統(tǒng)的硬件電路、系統(tǒng)通信軟件設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)要控制流程.級(jí)模塊之間快速、精確、穩(wěn)定的通信至關(guān)重要，其中包括輸入輸出（I／O）通信和控制器局域網(wǎng)（CAN）通信.

圖1 電源控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1 移動(dòng)電源控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

本移動(dòng)電源控制器以TMS320F28335DSP芯片為核心，控制的下級(jí)模塊包括柴油機(jī)控制器、400 Hz中頻電源、24V直流電源，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源，拖動(dòng)電機(jī)控制器和半控整流器等.另外，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，與上位PC機(jī)的通信模塊也是必須的.本電源控制器（圖1）是整個(gè)系統(tǒng)的核心，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)電源的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視，控制器與系統(tǒng)各個(gè)下

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)如此多的系統(tǒng)外圍模塊的控制，控制器內(nèi)部的通信也是至關(guān)重要的.作為整個(gè)控制系統(tǒng)的大腦，控制器采用DSP為主處理器，以FPGA作為協(xié)處理器，它們之間采用總線(xiàn)的方式進(jìn)行通信，這樣才能勝任整個(gè)系統(tǒng)大批量信號(hào)的處理及控制.電源控制器內(nèi)部框圖如圖2所示.本控制器搭建了通信用CAN外設(shè)，通過(guò)總線(xiàn)外擴(kuò)了RAM，還應(yīng)用SPI串口通信端口外接了EEPROM，外部模擬檢測(cè)量經(jīng)過(guò)傳感器檢測(cè)后送入DSP的AD口.各類(lèi)信號(hào)的連接主要由FPGA完成，在其內(nèi)部進(jìn)行邏輯控制后將數(shù)據(jù)傳送給DSP.外部的一些控制主要在DSP與FPGA的數(shù)據(jù)交流中完成.

圖2 電源控制器內(nèi)部框圖

1.1 DSP與EEPROM的通信接口

由于EEPROM具有掉電保持功能和可電擦除特點(diǎn)，在調(diào)試過(guò)程中就可以方便地實(shí)時(shí)在線(xiàn)修改參數(shù).而且串行EEPROM不需要復(fù)雜的地址、數(shù)據(jù)和控制總線(xiàn)，僅由幾根線(xiàn)就可以完成操作，因此節(jié)省了大量的硬件資源.所以本控制系統(tǒng)采用了只需要4根線(xiàn)的SPI通信EEPROM 25LC256來(lái)完成在線(xiàn)參數(shù)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ).其硬件連接電路如圖3所示.

圖3 DSP與EEPROM的硬件接口

1.2 DSP與FPGA的通信接口

本文采用DSP芯片與ALTERA公司的FPGA芯片EPM240T100C5配合作為整個(gè)控制器的控制核心，它們之間采用數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)進(jìn)行通信.DSP與FPGA的連接如圖4所示.系統(tǒng)主要靠FPGA對(duì)DSP傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，然后做出相應(yīng)控制.經(jīng)過(guò)9位地址線(xiàn)，即通過(guò) DSP28335 XINTF ZONE7多達(dá)29＝512個(gè)的空間對(duì)FPGA最多為512種的不同控制，足以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的控制要求.通過(guò)16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)DSP與FPGA一次最多為兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸.

圖4 DSP與FPGA的硬件接口

1.3 DSP之間的CAN通信接口

CAN總線(xiàn)是一種串行通信協(xié)議，具有較高的通信速率和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以作為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用于電磁噪聲比較大的場(chǎng)合，尤其適合本系統(tǒng)的通信.其硬件電路連接如圖5所示，電路選用PCA82C250作為CAN控制器和CAN總線(xiàn)間的接口，提供對(duì)總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收能力.為提高系統(tǒng)抗干擾性能，在DSP與PCA82C250之間增加光電隔離電路.電路中PCA82C250的輸出引腳CANH和CANL之間必須并聯(lián)終端匹配電阻，否則，會(huì)降低總線(xiàn)數(shù)據(jù)通信的可靠性［3］.

圖5 DSP間CAN通信的硬件接口

1.4 DSP與下級(jí)模塊的I／O通信接口

電源控制器與各下級(jí)模塊需要大量的緊急通信，如啟動(dòng)、停止、故障、接通、接通完成、斷開(kāi)等，I／O通信是最好的方式.由于系統(tǒng)龐大，I／O通信的距離較遠(yuǎn)，為保證信號(hào)傳遞的精確性，必須進(jìn)行通信隔離.本系統(tǒng)采用24V輔助電源作為隔離用電源，電壓較高，驅(qū)動(dòng)電流大，抗干擾能力強(qiáng)，隔離光耦采用TLP121.電源控制器與各下級(jí)模塊的I／O通信連接圖如圖6所示.

圖6 電源控制器與下級(jí)模塊的I／O通信的硬件接口

2 電源控制器軟件設(shè)計(jì)

電源控制器軟件完成整個(gè)系統(tǒng)的通信和對(duì)部分模塊的控制，其軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)調(diào)用主程序、控制子程序和中斷服務(wù)子程序等部分.控制系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖

2.1 初始化程序

DSP初始化分為各控制寄存器初始化和系統(tǒng)程序初始化，其中控制寄存器初始化主要包括：時(shí)鐘倍頻和看門(mén)狗設(shè)置；CAN、SPI等DSP片內(nèi)外設(shè)初始化；各GPIO復(fù)用口的配置；中斷控制器和中斷向量表的初始化；LCD顯示和鍵盤(pán)輸入的初始化等.系統(tǒng)程序初始化則包括：各子程序變量的初值設(shè)定和各個(gè)存儲(chǔ)單元的預(yù)分配.

2.2 系統(tǒng)調(diào)用主程序

系統(tǒng)調(diào)用主程序?yàn)楦髯映绦虻娜肟?，是整個(gè)控制系統(tǒng)的主程序.主程序在初始化的過(guò)程中完成DSP的系統(tǒng)功能配置和程序初始化后，就等待外部和內(nèi)部的中斷響應(yīng)外設(shè)請(qǐng)求及運(yùn)行各子程序.

2.3 控制系統(tǒng)子程序

控制系統(tǒng)子程序是控制各個(gè)設(shè)備運(yùn)行的程序模塊，包括鍵盤(pán)輸入控制，LCD顯示控制，I／O防抖、勵(lì)磁電源、拖動(dòng)電機(jī)、半控整流器、負(fù)載等各下級(jí)模塊的運(yùn)行控制，CAN通信數(shù)據(jù)的定期發(fā)送和接收以及故障檢測(cè)和處理等.當(dāng)中斷發(fā)生的時(shí)候，CPU轉(zhuǎn)入各個(gè)子程序運(yùn)行，并返回控制量輸出給系統(tǒng)相應(yīng)子設(shè)備.由于此程序模塊彼此獨(dú)立，所以只需要留出相應(yīng)的程序接口，就可以分開(kāi)模塊設(shè)計(jì)和隨時(shí)擴(kuò)展程序功能而不會(huì)影響其他的程序模塊.

2.4 中斷服務(wù)子程序

中斷服務(wù)子程序包括：定時(shí)器0中斷、ADC接收中斷、CAN通信中斷，以及外部中斷.其中定時(shí)器0中斷完成整個(gè)主程序和部分子程序的精確計(jì)時(shí)，保證程序的時(shí)序控制準(zhǔn)確；ADC中斷完成AD采樣，實(shí)時(shí)將從外部采樣到的模擬量裝換成數(shù)字量后送給DSP；CAN通信中斷使上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)控制電源控制器；外部中斷主要完成對(duì)移動(dòng)電源所帶負(fù)載的通道選擇.

2.5 DSP與EEPROM通信的軟件實(shí)現(xiàn)

由前文可知，本系統(tǒng)采用的EEPROM芯片為25LC256，25LC256有一個(gè)8位的指令寄存器，通過(guò)SPI總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)，通過(guò)指令寄存器寫(xiě)不同的指令，告知25LC256將要進(jìn)行的操作，然后讀取或者寫(xiě)入數(shù)據(jù).其寫(xiě)入數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖8所示.

圖8 DSP寫(xiě)25LC256一個(gè)字節(jié)的時(shí)序圖

由于需要先發(fā)送8位指令，緊接著發(fā)送16位地址，最后發(fā)送8位數(shù)據(jù)，所以令DSP的SPI發(fā)送緩沖區(qū)SPITXBUF為16位，首先規(guī)格化16位需發(fā)送數(shù)據(jù)，即讓8位“寫(xiě)”指令作為此16位數(shù)據(jù)的高8位，讓16位地址的高8位作為需發(fā)送的16位數(shù)據(jù)的低8位，從而組成一組16位數(shù)據(jù)，發(fā)送給SPITXBUF；發(fā)送完畢后，再將16位地址的低8位作為規(guī)格化的16位數(shù)據(jù)的高8位，8位數(shù)據(jù)為其低8位，發(fā)送給SPITXBUF，從而完成寫(xiě)一個(gè)字節(jié)的周期.

2.6 CPU間CAN通信的軟件實(shí)現(xiàn)

對(duì)TMS320F2835的eCAN模塊的編程主要分為三個(gè)部分：波特率的配置、郵箱初始化的配置、消息的接收和發(fā)送操作.其中最為關(guān)鍵的是波特率的設(shè)置［4］，它決定了CAN模塊每秒鐘能夠傳輸?shù)奈粩?shù).其設(shè)置公式為

式中，SYSCLK為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，BRP由寄存器CANBRC［23～16］來(lái)確定，TSEG1、TSEG2分別由CANBTC［6～3］、CANBTC［2～0］來(lái)確定.在使用CAN通信進(jìn)行消息的接收和發(fā)送前，必須對(duì)CAN模塊進(jìn)行正確的初始化，其初始化和接收發(fā)送流程如圖9所示.

圖9 CAN模塊的初始化和數(shù)據(jù)接收發(fā)送流程圖

3 電源控制器的控制流程

當(dāng)整個(gè)電源控制器系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分完全實(shí)現(xiàn)后，就能夠?qū)崿F(xiàn)電源控制器與各下級(jí)模塊的精確通信.圖10是本電源控制器對(duì)各下級(jí)模塊的一種控制模式的流程圖.給定同步發(fā)電機(jī)母線(xiàn)電壓后，拖動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電源的勵(lì)磁電流值也就確定了，如果一切正常，表明系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒.此時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)，則拖動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，一段時(shí)間后電機(jī)到達(dá)給定轉(zhuǎn)速，電源控制器給出轉(zhuǎn)速到達(dá)信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)勵(lì)磁電源，很快勵(lì)磁電源的電流值到達(dá)給定值，產(chǎn)生勵(lì)磁建立信號(hào)，同時(shí)發(fā)出接通信號(hào)，此時(shí)半控整流橋開(kāi)通，同步發(fā)電機(jī)與負(fù)載接通，當(dāng)電壓到達(dá)給定值后，反饋一個(gè)接通完成信號(hào)，此時(shí)整流器關(guān)斷.延時(shí)一段時(shí)間，給負(fù)載一個(gè)斷開(kāi)信號(hào)，再延時(shí)一段時(shí)間后，檢測(cè)電流零信號(hào)，確保斷開(kāi)完畢，此后就可以停止系統(tǒng)了，拖動(dòng)電機(jī)和勵(lì)磁電源也同時(shí)停止.

圖10 電源控制器的一種控制流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本移動(dòng)電源控制器目前已經(jīng)基本完成了實(shí)驗(yàn)室階段系統(tǒng)控制的調(diào)試，同步發(fā)電機(jī)在不同接通電壓下，拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流有不同的配合，而在同一個(gè)接通電壓下，由于接通過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，勵(lì)磁電流也要相應(yīng)改變，從而達(dá)到最佳的接通效果.本電源控制器也存在一些不足，例如硬件電路的抗干擾設(shè)計(jì)并未考慮充分，軟件的結(jié)構(gòu)還有一些地方有待優(yōu)化，這是下階段課題需要解決的問(wèn)題.

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