耿紅偉，黎步銀

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074)

?

基于μC/OS-Ⅱ的機車DCU模擬板設(shè)計

耿紅偉，黎步銀

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074)

針對韶山3型(SS3B)貨運列車機車傳動控制單元(DCU)模擬板存在的問題，從一定通用性、高穩(wěn)定性、高性能3個方面出發(fā)，采用模塊化的方法，提出了一種基于飛思卡爾平臺的硬件和軟件解決方案。系統(tǒng)硬件采用冗余電路設(shè)計，濾波設(shè)計，給出了硬件原理圖。系統(tǒng)軟件移植了實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，在此基礎(chǔ)上編寫了應(yīng)用軟件和新的濾波算法。多層設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)，可靠的主控芯片以及實時操作系統(tǒng),提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和實時性。實驗調(diào)試表明各項功能符合設(shè)計要求。

傳動控制單元;冗余;飛思卡爾;實時操作系統(tǒng);可靠性

0 引言

2003年鐵道部計劃對列車控制系統(tǒng)采用模擬控制方式的韶山3B(SS3B)貨運列車進行技術(shù)改造，實行固定重聯(lián)，SS3B實行固定重聯(lián)時是采用如SS4B、SS8、SS9等車型較成熟的微機控制方式，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制，傳動控制單元(DCU)作為列車微機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責(zé)列車的牽引，制動，故障檢測等功能。改造后的系統(tǒng)仍存在以下缺陷：

(1)核心芯片運算能力的限制以及線路過長導(dǎo)致信息交換運算時間長；

(2)抗電磁干擾的能力差；

(3)夏季，由于機械間溫度過高，DCU散熱不良，極易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障。

另外，多種核心元器件現(xiàn)已經(jīng)停產(chǎn),生產(chǎn)釆購、維修極為困難,對機車檢修及維護帶來了諸多不便。

因此設(shè)計一款具有一定通用性、高穩(wěn)定性、高性能的DCU模擬板，不僅能提高機車DCU的工作性能，還能提高我國貨運列車中占多數(shù)的電力機車的使用年限，對我國鐵路事業(yè)以及經(jīng)濟發(fā)展具有明顯的現(xiàn)實意義。

1 硬件設(shè)計

SS3B貨運列車的DCU采用多板分模塊的方式組成[1]，DCU綜合控制柜一般由綜合控制板、模擬量處理板、數(shù)字量處理板、脈沖處理板等單元組成，除了綜合控制板，其他處理板核心芯片相同。其中模擬板主要完成如下幾個功能：

(1)對傳感器送來的電流、電壓信號進行采樣,A/D轉(zhuǎn)化處理后經(jīng)CAN總線送給DCU主控板。

(2)將從微機接收到的控制信號D/A轉(zhuǎn)化,處理后送給電制動記錄儀實現(xiàn)列車制動。

(3)收到過壓或者欠壓信號經(jīng)處理后,設(shè)置相應(yīng)的故障代碼，根據(jù)故障代碼內(nèi)容點亮或熄滅LED指示燈。

根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將硬件劃分為單片機電路、BDM下載電路、A/D采樣輸入電路、冗余A/D采樣輸入電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、CAN通信驅(qū)動電路、LED顯示電路。系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖1。整個硬件系統(tǒng)采用多點接地，多層板的電路設(shè)計以及模擬量、數(shù)字量分開按信號流向來布局，采用統(tǒng)一的航空接插件，有效保證電路板的抗電磁干擾能力。

圖1 系統(tǒng)的硬件電路框圖

1.1 單片機電路設(shè)計

系統(tǒng)主控芯片采用MC9S12X系列芯片，由于其內(nèi)置了CAN模塊，所以無需外擴CAN控制器，精簡了電路，系統(tǒng)集成度提高了。單片機電路主要由單片機模式配置電路、單片機最小系統(tǒng)、A/D采樣基準電壓電路、看門狗電路、串口電路組成。主控電路框圖如圖2。由于機車DCU運行在一個復(fù)雜的電磁環(huán)境并且高溫高濕，所以單片機最小系統(tǒng)中采用一個16 MHz的有源晶振，有源晶振的高穩(wěn)定性減少了單片機跑飛的幾率，另外飛思卡爾單片機內(nèi)部帶有鎖相環(huán)，因此單片機能夠獲得高達40 MHz的總線頻率，這對DCU模擬板運行的高效性和實時性提供了保障。看門狗電路提供單片機復(fù)位功能，同時也能接收DCU主控板的復(fù)位信號，必要時強制單片機復(fù)位，為整個系統(tǒng)提供安全保障。將這一部分電路設(shè)計成核心板，以及后面移植的實時操作系統(tǒng)，可以運用到DCU其他子板中，有效地減少了設(shè)計周期，具有一定的通用性。

圖2 主控電路框圖

1.2 A/D采樣輸入電路設(shè)計

A/D模塊電路主要完成傳感器傳來的模擬信號的濾波并送主控單元處理，由于機車模擬信號有電壓信號及電流信號，統(tǒng)一經(jīng)I-V變化為電壓信號。為了提高采樣的準確性和穩(wěn)定性，增加了一個簡單的有源濾波電路來濾波和隔離。設(shè)計的電路如圖3。備份A/D電路模塊也是采用圖3的電路。放大器采用TL082，M1和M2為磁珠，C1為一個1 000 pF/3 kV的獨石電容，有效濾除雜波干擾。D1為限壓二極管，防止輸入過大燒壞單片機。

圖3 A/D采樣輸入電路

1.3 D/A模塊電路設(shè)計

單片機接收來自DCU綜合控制板的數(shù)字信號后，經(jīng)TL5628串行輸入并行輸出D/A芯片轉(zhuǎn)換后輸出6路模擬信號，其中有3路信號是備份冗余。為了提高輸出信號的帶負載能力，經(jīng)過D/A芯片轉(zhuǎn)化后的模擬量又通過了兩級放大送給電制動儀。電路如圖4。因為實際的放大器存在著失調(diào)電壓，為了減少失調(diào)電壓的影響，確保輸出送給電制動儀的信號準確性，采用減少放大器的增益到一個合理的值同時級聯(lián)放大組件的方案，雖然成本增加了，但失調(diào)很容易控制，同時帶寬也會提高。

圖4 D/A模塊電路

1.4 CAN驅(qū)動電路設(shè)計

CAN電路采用82C250芯片，同時使用光耦芯片將單片機引腳與外界進行隔離，提高抗干擾能力，電路如圖5。另外，電路中增加兩個測試孔，方便以后測試CAN通信線路是否正常以及調(diào)試。

1.5 BDM下載電路設(shè)計

背景調(diào)試模式(BDM)是一種直接基于硬件的OCD(ON CHIP DEBUGGING)調(diào)試手段,它僅占用一個I/O，所有的命令和參數(shù)通過一個專用引腳傳輸,不占用MCU其他資源。BDM模塊具有以下功能：應(yīng)用程序的擦除與下載、實現(xiàn)應(yīng)用程序態(tài)調(diào)試、配置與修復(fù)單片機內(nèi)部資源、對應(yīng)用程序做加密。電路如圖6。相比以前的DCU模擬板主控芯片80C196紫外線擦除下載模式，BDM更具有易用性，可靠性，安全性優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

μC/OS-Ⅱ作為一款免費高效的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核[2]，其已經(jīng)通過了非常嚴格的測試，并得到了美國航空管理局的認證。另外，μC/OS-Ⅱ源碼公開，便于移植和維護。

2.1 任務(wù)設(shè)計與實現(xiàn)

因為在嵌入式系統(tǒng)中只有一個CPU，所以在一個具體的時刻只能允許一個任務(wù)占用CPU。μC/OS-Ⅱ內(nèi)核根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級來進行調(diào)度[3-4]，所以任務(wù)存在5種狀態(tài)：睡眠態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)、中斷服務(wù)態(tài)和運行態(tài)。μC/OS-Ⅱ要在主控芯片上運行，必須進行移植。移植完成后，根據(jù)系統(tǒng)的功能，進行了任務(wù)劃分如圖7。

圖5 CAN驅(qū)動電路

圖6 BDM下載電路

圖7 系統(tǒng)任務(wù)關(guān)系圖

(1)開始任務(wù)：完成硬件的初始化以及創(chuàng)建第一個任務(wù)，優(yōu)先級最高。

(2)D/A任務(wù)：通過CAN總線接收來自主機的信號，經(jīng)過單片機處理送給D/A芯片進行轉(zhuǎn)化，根據(jù)任務(wù)的重要性以及快捷性，D/A任務(wù)的優(yōu)先級是除開始任務(wù)后其他任務(wù)當(dāng)中最高的。

(3)A/D任務(wù)：將傳感器傳來的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并通過CAN總線發(fā)送給主機。優(yōu)先級僅次于D/A任務(wù)。

(4)網(wǎng)壓任務(wù)：接收主機發(fā)來的信號，判斷過壓還是欠壓，并生成故障碼點亮LED。優(yōu)先級最低。

A/D任務(wù)是列車獲取外界信息的重要渠道，現(xiàn)主要說明。列車傳感器輸出的信號經(jīng)過硬件有源濾波隔離處理后送入MCU，考慮到抗干擾的情況，采樣時將采樣位數(shù)設(shè)置為8位，在精度滿足的情況下，提高了噪聲門限。采樣后的A/D信號需經(jīng)過再次數(shù)字濾波才能發(fā)送給DCU主控板。一般數(shù)字濾波技術(shù)有算數(shù)平均值濾波、滑動平均值濾波、IIR濾波等算法。這些算法都存在著一些處理數(shù)據(jù)量大、實時性不夠、抗干擾能力差等缺陷。因此綜合硬件情況和系統(tǒng)運行環(huán)境，本文借鑒滑動濾波的算法采用一種新的濾波算法。即首先建一個N個數(shù)據(jù)空間的隊列,排序后去掉最大最小值然后取平均值。每進來一個新的數(shù)據(jù)后,將原數(shù)據(jù)的頭數(shù)據(jù)去掉，再依次進行排序掐頭去尾取均值。改進后濾波算法如圖8所示。

圖8 新濾波算法流程圖

2.2 系統(tǒng)運行與功能測試

系統(tǒng)上電后操作系統(tǒng)初始化，然后創(chuàng)建第一個任務(wù)即啟動任務(wù)StartTask,在第一個任務(wù)中硬件初始化，包括鎖相環(huán)模塊、實時中斷、ATD模塊、CAN模塊等。并且創(chuàng)建了其他3個任務(wù)，最后運行OSStart，將CPU的使用權(quán)交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級進行任務(wù)的調(diào)度和運行。由于條件的限制，模擬板沒有上列車做聯(lián)調(diào)，只是進行了板級功能測試，由于單片機有2個CAN模塊，測試采用輸入0～5 V模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后用單片機CAN模塊1送CAN模塊2，最后經(jīng)串口送到電腦。這樣就測試了A/D功能、CAN模塊的發(fā)送和接收功能。測試結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明，在實驗室環(huán)境下，A/D采樣轉(zhuǎn)換，CAN通信功能正常運行。

3 結(jié)束語

系統(tǒng)采用冗余、模塊化的思想，采用主流汽車級的控制芯片，精簡電路，多層板設(shè)計，移植了實時操作系統(tǒng)，軟件可擴展性強，實現(xiàn)了DCU模擬板高性能，高可靠性以及核心板的通用性?？捎糜趥鹘y(tǒng)貨運列車的DCU升級與改造，截至目前在武漢征原電氣有限公司投入使用。

圖9 測試結(jié)果

[1] 路向陽，張元林，鄭錫芳.SS3B固定重聯(lián)機車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).機車電傳動，2003(1)：7-9.

[2] 任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC /OS-Ⅱ原理及應(yīng)用.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[3] 周慈航.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設(shè)計技術(shù).2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4] 邵貝貝.嵌入式系統(tǒng)中的雙核技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

作者簡介：耿紅偉(1989— )，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等方面的研究。E-mail:ghw922@sohu.com

Locomotive DCU Board Design and Development Based on μC/OS-II

GENG Hong-wei，LI Bu-yin

(School of Optical and Electronic Information,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

In view of problems existing in the SS3B locomotive drive control unit (DCU),from the aspects of a certain versatility,high stability and high performance，the modularization method was adopted,and the hardware and software platform solutions based on Freescale was proposed.System redundancy and filter design were used for hardware circuit design，and hardware principle diagram was presented.System software transplanted the real-time operating system ?C/OS-II and application software and new filtering algorithm was written.Multilayer hardware structure,reliable master control chip and real-time operating system improved system operation stability and real-time performance.The experimental debugging shows that functions meet the design requirements.

DCU;redundancy;Freescale;RTOS;reliability

顧宇(1978- )，副研究員，工學(xué)碩士，主要研究領(lǐng)域：智能傳感器信號處理。E-mail：guted@ustc.edu.cn 葉寒生(1981- )，工程師，工學(xué)碩士，主要研究領(lǐng)域：工業(yè)自動化流量儀表信號處理方法與系統(tǒng)。 E-mail：yehsheng@mail.ustc.edu.cn

2014-12-29 收修改稿日期：2015-07-18

TP273;U262.7

A

1002-1841(2015)10-0043-03