基于TMS320F2812的電力機(jī)車供電柜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘 要：本文簡(jiǎn)單介紹了電力機(jī)車DC600V供電柜的構(gòu)成，詳細(xì)描述了TMS320F2812芯片的性能特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了供電柜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：TMS320F2812，供電柜，數(shù)據(jù)采集

Abstract: The configuration of DC600V PSB（Power Supply Board） in the locomotive are simply introduced, and the performance and characteristic of TMS320F2812 Chip are particularly described. It mainly expatiates the design of the hardware circuits and the software realization in the data acquisition system of PSB.

Key Words: TMS320F2812，PSB，data acquisition

1 引言

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高, 旅客對(duì)列車速度和舒適度的要求也越來越高。從2004年4月18日開始進(jìn)行的鐵路大提速，是中國鐵路發(fā)展史上的一件大事。長(zhǎng)時(shí)間，高速度的運(yùn)行，給機(jī)車車輛裝備提出了高標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)要求。供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性對(duì)旅客列車的安全運(yùn)行和正常服務(wù)具有尤其重要的作用。根據(jù)鐵道部“促進(jìn)鐵路節(jié)能減耗，提高運(yùn)輸效益”的精神，北車集團(tuán)成立“1018”項(xiàng)目小組，在消化吸收HXD2電力機(jī)車的基礎(chǔ)上，自主研制200Km/h客運(yùn)電力機(jī)車。其中，DC600V供電系統(tǒng)作為主要的動(dòng)力源，在機(jī)車的安全可靠運(yùn)行中有著不可忽視的作用。DC600V列車供電系統(tǒng)向旅客列車直接供電，不但能夠有效降低成本，而且還能減少噪音，提高設(shè)備的可靠性，為旅客提供舒適的乘車環(huán)境。DC600V供電系統(tǒng)是指由機(jī)車向車輛提供的直流600V電源，由各車輛逆變?yōu)锳C380V后被空調(diào)，通風(fēng)，取暖等系統(tǒng)使用。它主要是將額定輸入電壓860V的交流電通過整流，濾波， 穩(wěn)壓等方式轉(zhuǎn)換成兩路額定輸出電壓600V，額定電流670A，額定功率400KW的直流電。在供電柜中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是核心組成部分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視[4]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應(yīng)有盡可能高的采樣速度，以滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制對(duì)速度的要求。考慮到以往設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣的精度不高，轉(zhuǎn)換的速率不快，A/D口較少，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展等方面的缺陷，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了TMS320F2812DSP控制器件，它有16通道12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，56個(gè)通用的I/O口，最大限度地提高了數(shù)據(jù)采樣精度和處理能力。

2 DC600V供電柜的構(gòu)成

　　DC600V供電柜包括兩套完全相同的控制系統(tǒng)，兩套控制系統(tǒng)互為冗余，每套控制系統(tǒng)控制兩路供電裝置，在兩套控制系統(tǒng)都正常的情況下，其中一套控制系統(tǒng)承擔(dān)整個(gè)供電柜的控制任務(wù)，另一套處于冷備狀態(tài)，當(dāng)一組控制工作不正常的情況下可直接切換到另一組控制，使得機(jī)車每一路400kW的電源都有獨(dú)立的A/B兩套控制系統(tǒng)。每套控制系統(tǒng)包括2塊電源板、2塊數(shù)字輸入輸出板、2塊信號(hào)調(diào)理板、2塊供電控制板，1塊控制轉(zhuǎn)換板，和1塊預(yù)留板。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　其中，供電控制板時(shí)整個(gè)控制裝置的核心。系統(tǒng)的主要控制邏輯通過供電控制板實(shí)現(xiàn)。為了更加快速穩(wěn)定地運(yùn)行控制算法，并且為以后的功能擴(kuò)展留有余地，使用TMS320F2812作為供電控制板主芯片。

3 TMS320F2812芯片介紹

　　TMS320F2812DSP是美國德州儀器公司（TI公司）專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新一代DSP處理器，特別適用于大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合，如數(shù)據(jù)采集，工業(yè)自動(dòng)化控制，伺服電機(jī)控制系統(tǒng)等。它可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)把采集到的大量數(shù)據(jù)高速可靠地傳遞至主控計(jì)算或微處理器作進(jìn)一步的分析處理。該芯片采用靜態(tài)CMOS技術(shù)，高性能，低功耗，采用1.8V內(nèi)核電壓和3.3V外圍接口電壓，是一款高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片，最高工作頻率為150MHZ（時(shí)鐘周期可達(dá)6.67ns）主頻下工作。它具有32位數(shù)據(jù)總線， 18K×16位的SRAM和128K×16位的片上FLASH存儲(chǔ)器，2路16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，3個(gè)獨(dú)立的32位CPU定時(shí)器，56個(gè)獨(dú)立編程的GPIO引腳，可擴(kuò)展1MB的外部存儲(chǔ)器，并具有多種通訊接口：SPI、SCI、ECAN、MCBSP，以及16路ADC模塊等。TMS320F2812具有8級(jí)流水線，專門的讀、寫等6條總線，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有密碼保護(hù)機(jī)制，可運(yùn)行單周期32×32位或雙16×16的MAC操作，可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能[1]。

4 硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分主要由DSP芯片，電源模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，存儲(chǔ)模塊和通信模塊等幾部分組成。整個(gè)系統(tǒng)采用5V供電，由電源轉(zhuǎn)換芯片TPS70351提供所需的工作電壓3.3V和1.8V，并由引腳SEQ決定上電順序。TMS320F2812的AD轉(zhuǎn)換模塊是一個(gè)12位分辨率的，具有流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器[2]。其前端為2個(gè)8選1多路切換和2路同時(shí)采樣/保持器，構(gòu)成16個(gè)模擬輸入通道，模擬通道的切換由硬件自動(dòng)控制，并將各模擬通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果順序存入16個(gè)結(jié)果寄存器中。所要采集的信號(hào)包括電壓傳感器信號(hào)，電流傳感器信號(hào)，同步變壓器信號(hào)，由于傳感器信號(hào)一般為0～5V或4～20mA，比較微弱，需經(jīng)過RC濾波，運(yùn)算放大，將模擬輸入信號(hào)范圍變換成后端A/D所能接受的信號(hào)范圍。其模擬信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

　　TMS320F2812最小系統(tǒng)部分包括了時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，JTAG測(cè)試端口。此外，為了滿足大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的暫存，外擴(kuò)了64K×16bit FALSH M29W102BB和64K×16bit Static RAM CY7C1021[2]。下載到TMS320F2812 FLASH中的主程序可以通過調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)對(duì)暫存在RAM中的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行運(yùn)算處理，也可以把暫存在RAM中的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)給PC機(jī)，在PC機(jī)上做進(jìn)一步的處理。串行通信接口SCI是采用雙向通信的的異步串行通信接口，即通常所說的UART口。SCI模塊采用標(biāo)準(zhǔn)非歸0 數(shù)據(jù)格式，通過MAX232電平轉(zhuǎn)換后，可以與CPU或其他通信數(shù)據(jù)格式兼容的異步外設(shè)進(jìn)行數(shù)字通信，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行中斷檢測(cè)、極性、超限和錯(cuò)誤檢測(cè)。通過對(duì)16位的波特率控制寄存器進(jìn)行編程，可配置不同的SCI通信速率。TMS320F2812支持自動(dòng)波特率檢測(cè)邏輯，發(fā)送和接收可采用中斷和查詢兩種方式。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換，資源共享，本文采用了PCA82C250收發(fā)器擴(kuò)展eCAN通信模塊，并加入了相關(guān)的隔離電路，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，保證了數(shù)據(jù)可以快速，準(zhǔn)確地傳輸。整個(gè)系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

5 軟件設(shè)計(jì)

　　為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分主要包括主程序和中斷程序以及系統(tǒng)與上位機(jī)的通信程序。主程序完成各變量及串行口的初始化，包括了中斷的初始化，片外選通信號(hào)初始化，設(shè)定系統(tǒng)默認(rèn)的采樣點(diǎn)數(shù)/采樣頻率等。中斷程序主要用于對(duì)A/D數(shù)據(jù)的讀取和處理。通信程序主要是向主機(jī)發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢方式，接受數(shù)據(jù)采用中斷方式。當(dāng)串行口產(chǎn)生中斷時(shí)，先向DSP申請(qǐng)中斷，DSP響應(yīng)后就暫時(shí)中斷自身的程序，只需相應(yīng)的串口中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完后又返回主程序，使信息能及時(shí)處理。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先完成TMS320F2812自身的初始化，包括配置RAM，設(shè)置I/O模式，定時(shí)器模式，PIE中斷向量表等。F2812的外部接口XINTF是一種非多路選通的異步總線，可通過它外擴(kuò)存儲(chǔ)器如CY7C1041CV33（256K×16位靜態(tài)RAM，最大讀寫時(shí)間位8ns）。外部接口分5個(gè)存儲(chǔ)器映射區(qū)。每個(gè)區(qū)都有一個(gè)選擇信號(hào)腳，當(dāng)某個(gè)區(qū)被選中時(shí)，該腳就變低，0區(qū)和1區(qū)公用一個(gè)腳，6區(qū)和7區(qū)公用一個(gè)腳，外部解碼邏輯可以區(qū)分公用的兩個(gè)區(qū)，否則同樣的存儲(chǔ)器可以連到不同的區(qū)。主程序流程圖如圖4所示。然后程序進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，等待中斷，F(xiàn)2812 CPU支持一個(gè)不可屏蔽的中斷和16個(gè)可屏蔽中斷（INT1～I(xiàn)NT14,RTOSINT以及DLOGINT）。一旦外設(shè)產(chǎn)生中斷事件，對(duì)應(yīng)外設(shè)的中斷標(biāo)志寄存器中相應(yīng)位置的中斷標(biāo)識(shí)IF位就置1。如果對(duì)應(yīng)的中斷使能位設(shè)為1，則外設(shè)中斷請(qǐng)求信號(hào)INTx.y可以送到PIT控制器，從而裁定從不同中斷源來的中斷請(qǐng)求。進(jìn)入中斷后，開始數(shù)據(jù)的采集。ADC的全部操作都通過ADC寄存器進(jìn)行。ADC寄存器映射到外圍幀1的地址空間，地址范圍是0x0000～7100到0x0000～711F，由ADC控制寄存器ADCTRLx，ADC通道選擇排序控制寄存器ADCCHSELSEQx，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADCRESULTx，ADC狀態(tài)寄存器ADCST，ADC最大轉(zhuǎn)換通道數(shù)寄存器ADCMAXCONV，ADC自動(dòng)排序狀態(tài)寄存器ADCASESR等組成，全部都是16位寄存器。數(shù)據(jù)采集完畢后，中斷結(jié)束，等待下一次的中斷。本文所設(shè)計(jì)的軟件部分經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，能較好的實(shí)時(shí)完成所要求的功能。中斷服務(wù)程序流程圖如圖5所示。

6 結(jié)束語

　　本文論述了以32位定點(diǎn)芯片TMS320F2812為核心的供電柜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用其快速的轉(zhuǎn)換速率，實(shí)時(shí)地把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上。經(jīng)調(diào)試運(yùn)行證明，該系統(tǒng)采集精度高，速度快，性能可靠，并可同時(shí)采集多路信號(hào)，滿足了電力機(jī)車供電柜相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，并成功應(yīng)用于韶山系列的電力機(jī)車中。此外，該數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)不僅可用于電力機(jī)車中，還可應(yīng)用于國家大力發(fā)展的地鐵，動(dòng)車組高速列車等相關(guān)的項(xiàng)目中，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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