王成玖

（中航工業(yè)航空動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063）

基于TMS320F2812的某型艦用燃機電子控制器軟件設計

王成玖

（中航工業(yè)航空動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063）

文章對基于TMS320F2812的某型艦用燃機電子控制器進行了軟件設計工作，主要闡述了TMS320F2812系列DSP的特點、開發(fā)環(huán)境、軟件開發(fā)方法，并介紹了軟件中一些主要硬件相關模塊的實現(xiàn)方法，同時介紹了燃機控制系統(tǒng)的軟件流程及硬件在回路仿真環(huán)境的搭建。

燃機控制；TMS320F2812；DSP

1 艦用燃氣輪機控制系統(tǒng)發(fā)展概述

艦用燃氣輪機具有單機功率大、體積小、重量輕、機動性好、污染小、效率高、振動小、可靠性高等特點，已成為各海軍大國的主要發(fā)動機機種，得到了廣泛的應用。從幾百噸的高速小艇、高性能船到驅逐艦、航母等中、大型艦船，都普遍采用燃氣輪機作為動力，我國已經開展了自行設計艦用燃機的工作。

本文重點闡述了TMS320F2812系列DSP處理器的特點、開發(fā)環(huán)境和電子控制器軟件的設計方法，并簡要描述了控制器硬件在回路仿真環(huán)境的搭建。

2 TMS320F2812簡介

TMS320F2812是TI公司最新推出的專為馬達控制設計的一款準32位定點DSP處理器，內部含有128K×16位FLASH存儲器，18K×16位SARAM單口隨機存取存貯器（Random Access Memory，RAM），具有外圍存儲器接口。片上集成了AD、事件管理單元、中斷控制單元、定時器、看門狗等常用功能模塊和SPI，SCI，CAN，多通道串口（Multi-Channel Buffered Serial Port，MCBSP）等通訊模塊，最多可使用56個獨立的可編程的IO端口，集成度高，不需片外擴展即可實現(xiàn)所需的功能。

軟件開發(fā)工作主要在TI公司提供的集成開發(fā)環(huán)境（Code Composer Studio，CCS）中進行，配合硬件仿真器即可完成代碼的編輯、編譯、鏈接、調試等工作。在CCS中，可以通過修改工程中的.cmd文件來決定編譯生成的代碼和數(shù)據(jù)所分配到的地址空間，關于.cmd文件的編寫方法見文獻［1-2］。利用.cmd文件可以分配變量地址這一特性，TI公司提供了新的外設寄存器的訪問方法，具體內容見文獻［3］。

3 電子控制器底層軟件設計

電子控制器中用到了AD轉換單元、定時器單元、系統(tǒng)控制單元、中斷管理單元、事件管理器中的捕獲單元和脈沖寬度調制（Pulse - Width Modulation，PWM）輸出單元、SCI通訊單元、CAN通訊單元、MCBSP通訊單元等外設單元模塊，下面詳細闡述各模塊特性及數(shù)控軟件中的配置方法。

（1）AD轉換單元。12位AD轉換器，共16個通道，可配置為兩個獨立的8通道模塊或級聯(lián)的16通道模塊?？梢造`活配置采樣的順序，能夠對一個通道進行多次采樣，可通過軟件、事件管理器、外部引腳等多種方式來啟動AD轉換。一旦轉換結束，轉換結果便存儲在相應的結果寄存器中。在本文的軟件中，將AD轉換單元配置為16通道順序采樣的級聯(lián)模式，由軟件控制每20 ms啟動一次AD轉換，AD轉換結束后產生中斷，中斷服務程序復位序列發(fā)生器，為下一次轉換作準備。

（2）定時器單元。處理器中共有3個32位的定時器，在本文的軟件中只使用了定時器0作為系統(tǒng)時鐘，實現(xiàn)20 ms的定時中斷，在中斷服務程序中置中斷產生標志來實現(xiàn)系統(tǒng)的主循環(huán)，并建立系統(tǒng)時間。

（3）系統(tǒng)控制單元。系統(tǒng)控制單元主要用于完成處理器及外設時鐘的配置、看門狗單元的配置。在本文的軟件中配置系統(tǒng)時鐘為60 MHz，高速外設時鐘為30 MHz，低速外設時鐘為15 MHz?？撮T狗定時器溢出的時間為44 ms。

（4）中斷控制單元。TMS320F2812的中斷控制單元通過PIE（外設中斷擴展模塊）把許多中斷源多路復用為一個較小的中斷輸入集。PIE支持96個不同的中斷，這些中斷被分為12個組，每組8個，12個組對應DSP內核的12條中斷線（INT1～INT12）。96個中斷每個都對應著一個存放在RAM中的中斷向量。中斷控制單元的層次結構如圖1所示。

圖1 TMS2812中斷層次結構圖

由圖1可知，TMS320F2812的中斷源分外設級、PIE級、CPU級這3個層次，在初始化配置時主要完成PIE級與CPU級中斷的配置，外設級的中斷在用到時才對其進行操作。

數(shù)學模型采用內部交互驗證對其性能進行評價，由定標模型的相關系數(shù)(R2)和交互驗證均方根誤差(RMSECV)進行評價。定標模型的相關系數(shù)越高，交互驗證的均方根誤差越小，表明模型的預測能力和穩(wěn)健性越強[10]。

（5）事件管理器單元。事件管理單元包括EVA和EVB兩個事件管理模塊。每個事件管理模塊具有兩個通用定時器，3個獨立的比較單元，共可產生6路PWM輸出，3個捕獲單元。在電子控制器中，每個通道用到了EVA中的PWM1，3，EVB中的PWM7，9四路PWM輸出信號。捕獲單元4，5共用一個通用定時器，分別用來采集燃氣渦輪和動力渦輪的轉速。

在軟件中，通過捕獲單元4，5和通用定時器T4這3個中斷服務程序完成頻率量的采集與計算。通用定時器4中斷服務程序中完成定時器溢出次數(shù)補償，捕獲單元4，5中斷服務程序中分別完成燃氣渦輪和動力渦輪轉速信號的計算。關于處理器的事件管理單元與軟件中的代碼實現(xiàn)請參考［4-5］。

（6）SCI，MCBSP通訊模塊。SCI是一個全雙工的通用串口，在控制器中用作與工程師控制臺的RS422串行通訊，作為CAN通訊的備份。MCBSP是DSP自帶的一種串行通訊接口，在控制器中用作主從片之間的通訊。兩種通訊單元各有16級收發(fā)FIFO，均可設置觸發(fā)中斷的先入先出法（First-In First-Out，F(xiàn)IFO）中的數(shù)據(jù)個數(shù)。兩個模塊的通訊數(shù)據(jù)均采用定長幀形式。

SCI發(fā)送數(shù)據(jù)分40 ms更新與500 ms更新的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)為1個字節(jié)的工程師臺的控制字。SCI發(fā)送的啟動方法就是打開SCI發(fā)送FIFO中斷，因為復位后FIFO數(shù)據(jù)個數(shù)為0，所以可以進入發(fā)送中斷服務程序，SCI的發(fā)送中斷服務程序的設計思路請參照下文的MCBSP發(fā)送程序設計，接收中斷服務程序只完成從接收FIFO中讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)的操作。

主片的MCBSP主要接收從片采集的模擬量、從片故障字，同時向從片發(fā)送開關量輸出信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息等操作。關于MCBSP的詳細說明請參見用戶手冊。主從片的MCBSP通訊初始化配置完全相同。

MCBSP通過打開幀同步脈沖產生器和使能發(fā)送FIFO中斷來啟動發(fā)送操作，接收總是一個被動的異步事件。

在發(fā)送中斷服務程序中每次填充16個字的數(shù)據(jù)，這樣可以充分發(fā)揮FIFO的作用，減少CPU被中斷的次數(shù)。同時記錄所發(fā)送的數(shù)據(jù)個數(shù)，當剩余的數(shù)據(jù)不足16個字時，則一次性填充完畢，等待下一次中斷。當所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后則關閉MCBSP的幀同步信號，直到啟動下一次發(fā)送。

接收方的接收FIFO中只要有一個數(shù)據(jù)即觸發(fā)中斷。在接收中斷服務程序中需不斷比對所接收到的數(shù)據(jù)，如果是通信協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)頭，則開始接收一幀數(shù)據(jù)，接收完畢后比對數(shù)據(jù)尾和校驗和以降低出錯概率。關于SCI和MCBSP模塊及代碼實現(xiàn)請參閱［4-7］。

（7）CAN通訊模塊。CAN總線最早用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的通訊。目前已成為一種串行通訊標準。廣泛應用在多個領域。TMS320F2812上集成了CAN模塊，完全兼容CAN2.0協(xié)議。在電子控制器中，主要通過CAN完成控制器與工程師控制臺、控制器三通道間數(shù)據(jù)的交互。軟件中CAN模塊的發(fā)送和接收均采用中斷方式，在中斷服務程序中只需對相應的郵箱進行讀寫操作即可。關于CAN模塊的詳細說明及代碼實現(xiàn)請參閱文獻［8］。

4 電子控制器應用軟件設計

在完成了硬件相關部分程序設計后，便可以在此基礎上完成應用軟件的開發(fā)，主要的控制功能都在主片上實現(xiàn)，從片僅負責采集部分模擬量、輸出部分開關量、讀寫發(fā)動機統(tǒng)計信息等工作。主、從片軟件的主程序流程如圖2所示。

圖2 主函數(shù)流程圖

主片軟件的主控程序流程如圖3所示，從片軟件的流程如圖4所示。

圖3 主片軟件的主控程序流程圖

圖4 從片軟件的主控程序流程圖

該軟件已經通過硬件在回路仿真測試，上位機軟件采用該型號發(fā)動機部件級模型，與控制器通過CAN總線與RS422串行總線進行數(shù)據(jù)通訊，上位機向控制器傳送模型計算得出的燃氣渦輪轉速、動力渦輪轉速、燃氣渦輪后溫度等發(fā)動機狀態(tài)信號和操作指令信息，并接收來自控制器的系統(tǒng)狀態(tài)信息、控制輸出量。實現(xiàn)了系統(tǒng)信息的實時顯示、故障模擬、在線參數(shù)調整等功能。

5 結語

本文介紹了TMS320F2812常用的外設，說明了幾個主要模塊的底層軟件設計方法。闡述了整個控制軟件的執(zhí)行流程，并簡要介紹了硬件在回路仿真的上位機軟件設計。TMS320F2812作為一款高性能的CPU，片上幾乎集成了馬達控制中所需的所有模塊，不需外擴就可以滿足發(fā)動機控制的要求。

［1］Texas Instruments Incorporated.TMS320C28x Optimizing C/C++ Compiler User's Guide［Z］.Texas：Texas Instruments Incorporated，2005.

［2］Texas Instruments Incorporated.TMS320C28x Assembly Language Tools User's Guide［Z］.Texas：Texas Instruments Incorporated，2001.

［3］Texas Instruments Incorporated.Programming TMS320X281x Peripherals in C/C++［Z］.Texas：Texas Instruments Incorporated，2006.

［4］敖永平.某型燃機控制系統(tǒng)DSP控制器軟件設計說明［D］.南京：南京航空航天大學，2013.

［5］Texas Instruments Incorporated.］TMS320x281x Event Manager（EV）Reference Guide［Z］.Texas：Texas Instruments Incorporated，2004.

［6］Texas Instruments Incorporated.TMS320x281x，280x Serial Communications Interface（SCI）Reference Guide［Z］.Texas：Texas Instruments Incorporated，2004.

［7］Texas Instruments Incorporated.TMS320x281x Multichannel Buffered Serial Port（McBSP）Reference Guide［Z］.Texas：Texas Instruments Incorporated，2003.

［8］Texas Instruments Incorporated.TMS320x281x，280x Enhanced Controller Area Network（eCAN）Reference Guide［Z］.Texas：Texas Instruments Incorporated，2005.

Design based on TMS320F2812 of combustion engine electronic controller software for a certain type of warship

Wang Chengjiu

（Avic Aviation Institute of Power Control System，Wuxi 214063，China）

Design work is carried out on a ship with a combustion engine electronic controller based on TMS320F2812，which elaborates a series of characteristics，development environment，software develop method of TMS320F2812 DSP，the development environment，software development method，and introduces the software implementation method of some major hardware related modules，at the same time，the software process of gas turbine control system are introduced and the construction of the hardware in the loop simulation environment.

gas turbine control；TMS320F2812；DSP

王成玖（1981—），男，吉林九臺，碩士，高級工程師；研究方向：航空發(fā)動機，燃氣輪機控制軟件開發(fā)，控制系統(tǒng)試驗驗證。