采用CPLD與μC/OS -Ⅱ的斷路器智能控制單元設(shè)計(jì)

本文介紹的智能控制單元采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)完成各種數(shù)據(jù)的處理、通信和算法的設(shè)計(jì)，而狀態(tài)量的采集和執(zhí)行信號(hào)輸出將由復(fù)雜可編程邏輯器(CPLD)完成，主要是基于CPLD內(nèi)部硬件電路結(jié)構(gòu)的可靠性和對(duì)狀態(tài)采集的實(shí)時(shí)性，該系統(tǒng)可以滿足系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)性及可靠性的要求。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　TMS320F2812DSP介紹

　　TMS320F2812DSP是德州儀器公司(TI)推出的32位高性能數(shù)字信號(hào)處理器，它具有峰值運(yùn)行每秒150萬(wàn)條指令(MIPS)的處理速度和單周期完成32×32位MAC運(yùn)算功能，同時(shí)它還具有128k×16的片上Flash，18k×16的片上RAM以及大量的片上外設(shè)，包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、2個(gè)事件管理器(EVA和EVB)，CAN總線控制器、2個(gè)串行通信接口模塊(SCIA和SCIB)、串行外設(shè)接口模塊(SPI)、多功能串行接口(McBSP)及56個(gè)通用I/O口。該DSP以高效的32位定點(diǎn)CPUTMS320C28xTM為核心處理器，其開發(fā)既可使用C28x匯編也可使用ANSIC/C++語(yǔ)言。此外TI公司還提供有虛擬浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)(IQ數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù))、快速傅里葉變換(FFT)算法函數(shù)庫(kù)、濾波器庫(kù)等，這些函數(shù)庫(kù)可顯著簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。

　　TMS320F2812強(qiáng)大的功能使其能滿足嵌入式智能控制單元的設(shè)計(jì)要求。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　智能控制單元主要完成的任務(wù)包括：處理主控模塊控制命令、監(jiān)測(cè)母線電力參數(shù)、溫度采集、保護(hù)控制算法的實(shí)現(xiàn)、檢測(cè)開關(guān)量的狀態(tài)、開關(guān)量的輸出控制及與監(jiān)控中心的通信等。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，并充分利用DSP TMS320F2812強(qiáng)大的外設(shè)功能及嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，DSP主要完成模擬量采集、數(shù)據(jù)處理、算法實(shí)現(xiàn)、溫度采集、通信及命令處理。同時(shí)為了狀態(tài)的快速檢測(cè)和輸出執(zhí)行信號(hào)的可靠性，將由CPLD完成狀態(tài)量的監(jiān)測(cè)、與DSP的通信、狀態(tài)信號(hào)的輸出及外部高電壓電路的控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)包括各調(diào)理電路、CAN總線通信驅(qū)動(dòng)、RS-232總線驅(qū)動(dòng)和RS-485總線驅(qū)動(dòng)及CPLD內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)。

　　圖1 智能控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　調(diào)理電路設(shè)計(jì)

　　調(diào)理電路包括交流電壓采集調(diào)理電路、開關(guān)量采集調(diào)理電路、開關(guān)量控制驅(qū)動(dòng)電路。交流電壓信號(hào)的采集使用F2812 內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，該模塊本身具有采樣保持電路且要求輸入電壓的范圍為0~3V，因此設(shè)計(jì)了由電壓互感器、電流電壓轉(zhuǎn)換電路和RC濾波構(gòu)成隔離電路和由放大、電壓抬升、電壓跟隨器及限幅組成的調(diào)理電路，可將220V/50Hz的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成0~3V的電壓信號(hào)。

　　開關(guān)量的采集采用CPLD實(shí)現(xiàn)。由于開關(guān)量經(jīng)常出現(xiàn)抖動(dòng)問題，因此其調(diào)理電路需采取措施去除開關(guān)抖動(dòng)。在其調(diào)理電路中，采用電容C濾除輸入信號(hào)中的尖峰電壓(主要針對(duì)高頻干擾)，12V的穩(wěn)壓二極管濾除干擾信號(hào)(主要針對(duì)低頻干擾)，光電耦合器是為了防止外部信號(hào)影響內(nèi)部電路的工作;二極管VD用于保護(hù)光耦中的發(fā)光二級(jí)管以免發(fā)光二極管被反向擊穿開關(guān)量控制信號(hào)經(jīng)CPLD的I/O管腳輸出。輸出信號(hào)經(jīng)過光耦器件TLP127驅(qū)動(dòng)外部的高電壓器件動(dòng)作。

　　由于該智能控制單元主要是控制斷路器的關(guān)合，而斷路器的關(guān)合過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的電磁效應(yīng)，如果直接由DSP的GPIO管腳驅(qū)動(dòng)，外部電磁干擾有可能使DSP的程序跑飛或使DSP復(fù)位，嚴(yán)重影響執(zhí)行后果，所以系統(tǒng)中開關(guān)量的輸入/輸出均由CPLD完成，其可靠程度將加強(qiáng)。

　　通信模塊

　　F2812具有增強(qiáng)型CAN控制器eCAN模塊，其完全支持CAN2.0B協(xié)議，性能較之已有的DSP內(nèi)嵌CAN控制器有較大的提高，在CAN總線通信時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸更加靈活方便，數(shù)據(jù)量更大、可靠性更高、功能更加完備，因此本設(shè)計(jì)采用CAN總線實(shí)現(xiàn)智能終端的通信。通信模塊的硬件設(shè)計(jì)主要是CAN總線驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，選用飛利浦公司的CAN通信收發(fā)器PCA82C250作為F2812的CAN控制器和物理總線間接口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。為防止干擾信號(hào)的引入，設(shè)計(jì)中采用高速光耦6N137對(duì)F2812及物理總線隔離。RS-232的驅(qū)動(dòng)芯片直接選用MAX232驅(qū)動(dòng)芯片，而RS-485的驅(qū)動(dòng)芯片采用SNLBC184，同時(shí)為了防止干擾信號(hào)進(jìn)入，設(shè)計(jì)中采用光耦TLP521對(duì)F2812和RS-232及RS-485總線驅(qū)動(dòng)芯片隔離。