基于TMS320F2812的電力機車供電柜數據采集系統

關鍵詞：TMS320F2812，供電柜，數據采集

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

　　隨著國民經濟的發展和人民生活水平的不斷提高, 旅客對列車速度和舒適度的要求也越來越高。從2004年4月18日開始進行的鐵路大提速，是中國鐵路發展史上的一件大事。長時間，高速度的運行，給機車車輛裝備提出了高標準，嚴要求。供電系統的安全穩定性對旅客列車的安全運行和正常服務具有尤其重要的作用。根據鐵道部“促進鐵路節能減耗，提高運輸效益”的精神，北車集團成立“1018”項目小組，在消化吸收HXD2電力機車的基礎上，自主研制200Km/h客運電力機車。其中，DC600V供電系統作為主要的動力源，在機車的安全可靠運行中有著不可忽視的作用。DC600V列車供電系統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，提高設備的可靠性，為旅客提供舒適的乘車環境。DC600V供電系統是指由機車向車輛提供的直流600V電源，由各車輛逆變為AC380V后被空調，通風，取暖等系統使用。它主要是將額定輸入電壓860V的交流電通過整流，濾波， 穩壓等方式轉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，數據采集系統是核心組成部分，數據采集系統的任務，就是采集傳感器輸出的模擬信號，并將其轉換成計算機能識別的數字信號，送入計算機，以便實現對某些物理量的監視[4]。數據采集系統性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應有盡可能高的采樣速度，以滿足實時采集、實時處理和實時控制對速度的要求。考慮到以往設計的數據采集系統采樣的精度不高，轉換的速率不快，A/D口較少，不利于系統的擴展等方面的缺陷，本文設計的數據采集系統采用了TMS320F2812DSP控制器件，它有16通道12位的A/D轉換模塊，56個通用的I/O口，最大限度地提高了數據采樣精度和處理能力。

2 DC600V供電柜的構成

　　DC600V供電柜包括兩套完全相同的控制系統，兩套控制系統互為冗余，每套控制系統控制兩路供電裝置，在兩套控制系統都正常的情況下，其中一套控制系統承擔整個供電柜的控制任務，另一套處于冷備狀態，當一組控制工作不正常的情況下可直接切換到另一組控制，使得機車每一路400kW的電源都有獨立的A/B兩套控制系統。每套控制系統包括2塊電源板、2塊數字輸入輸出板、2塊信號調理板、2塊供電控制板，1塊控制轉換板，和1塊預留板。其結構圖如圖1所示。

圖1 供電柜結構圖
Fig.1 Structural frame of PSB

　　其中，供電控制板時整個控制裝置的核心。系統的主要控制邏輯通過供電控制板實現。為了更加快速穩定地運行控制算法，并且為以后的功能擴展留有余地，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）專門為工業應用而設計的新一代DSP處理器，特別適用于大批量數據處理的測控場合，如數據采集，工業自動化控制，伺服電機控制系統等。它可以對采集到的數據進行實時處理，同時把采集到的大量數據高速可靠地傳遞至主控計算或微處理器作進一步的分析處理。該芯片采用靜態CMOS技術，高性能，低功耗，采用1.8V內核電壓和3.3V外圍接口電壓，是一款高性價比的32位定點DSP芯片，最高工作頻率為150MHZ（時鐘周期可達6.67ns）主頻下工作。它具有32位數據總線， 18K×16位的SRAM和128K×16位的片上FLASH存儲器，2路16位定時/計數器，3個獨立的32位CPU定時器，56個獨立編程的GPIO引腳，可擴展1MB的外部存儲器，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級流水線，專門的讀、寫等6條總線，采用哈佛總線結構，具有密碼保護機制，可運行單周期32×32位或雙16×16的MAC操作，可兼顧控制和快速運算的雙重功能[1]。

4 硬件設計

　　數據采集系統的硬件部分主要由DSP芯片，電源模塊，AD轉換模塊，存儲模塊和通信模塊等幾部分組成。整個系統采用5V供電，由電源轉換芯片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轉換模塊是一個12位分辨率的，具有流水線結構的模數轉換器[2]。其前端為2個8選1多路切換和2路同時采樣/保持器，構成16個模擬輸入通道，模擬通道的切換由硬件自動控制，并將各模擬通道的轉換結果順序存入16個結果寄存器中。所要采集的信號包括電壓傳感器信號，電流傳感器信號，同步變壓器信號，由于傳感器信號一般為0～5V或4～20mA，比較微弱，需經過RC濾波，運算放大，將模擬輸入信號范圍變換成后端A/D所能接受的信號范圍。其模擬信號調理電路如圖2所示。

圖2 模擬信號調理電路
Fig.2 Processing circuit of analog signals

　　TMS320F2812最小系統部分包括了時鐘電路，復位電路，JTAG測試端口。此外，為了滿足大容量實時數據的暫存，外擴了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用相應的函數對暫存在RAM中的數據直接進行運算處理，也可以把暫存在RAM中的數據通過串口發給PC機，在PC機上做進一步的處理。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模塊采用標準非歸0 數據格式，通過MAX232電平轉換后，可以與CPU或其他通信數據格式兼容的異步外設進行數字通信，對接收到的數據進行中斷檢測、極性、超限和錯誤檢測。通過對16位的波特率控制寄存器進行編程，可配置不同的SCI通信速率。TMS320F2812支持自動波特率檢測邏輯，發送和接收可采用中斷和查詢兩種方式。為了實現遠程數據交換，資源共享，本文采用了PCA82C250收發器擴展eCAN通信模塊，并加入了相關的隔離電路，可靠性高，抗干擾能力強，保證了數據可以快速，準確地傳輸。整個系統原理圖如圖3所示。

圖3 系統原理圖
Fig.3 Principle frame of system

5 軟件設計

　　為數據采集系統的軟件部分主要包括主程序和中斷程序以及系統與上位機的通信程序。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，片外選通信號初始化，設定系統默認的采樣點數/采樣頻率等。中斷程序主要用于對A/D數據的讀取和處理。通信程序主要是向主機發送處理后的數據，發送數據采用查詢方式，接受數據采用中斷方式。當串行口產生中斷時，先向DSP申請中斷，DSP響應后就暫時中斷自身的程序，只需相應的串口中斷服務程序，執行完后又返回主程序，使信息能及時處理。系統上電復位后，首先完成TMS320F2812自身的初始化，包括配置RAM，設置I/O模式，定時器模式，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，可通過它外擴存儲器如CY7C1041CV33（256K×16位靜態RAM，最大讀寫時間位8ns）。外部接口分5個存儲器映射區。每個區都有一個選擇信號腳，當某個區被選中時，該腳就變低，0區和1區公用一個腳，6區和7區公用一個腳，外部解碼邏輯可以區分公用的兩個區，否則同樣的存儲器可以連到不同的區。主程序流程圖如圖4所示。然后程序進入循環狀態，等待中斷，F2812 CPU支持一個不可屏蔽的中斷和16個可屏蔽中斷（INT1～INT14,RTOSINT以及DLOGINT）。一旦外設產生中斷事件，對應外設的中斷標志寄存器中相應位置的中斷標識IF位就置1。如果對應的中斷使能位設為1，則外設中斷請求信號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求。進入中斷后，開始數據的采集。ADC的全部操作都通過ADC寄存器進行。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轉換結果寄存器ADCRESULTx，ADC狀態寄存器ADCST，ADC最大轉換通道數寄存器ADCMAXCONV，ADC自動排序狀態寄存器ADCASESR等組成，全部都是16位寄存器。數據采集完畢后，中斷結束，等待下一次的中斷。本文所設計的軟件部分經調試運行，能較好的實時完成所要求的功能。中斷服務程序流程圖如圖5所示。

圖4 主程序流程圖
Fig.4 Flow chart of main procedure

圖5 中斷程序流程圖
Fig.5 Flow chart of interrupting procedure

6 結束語

　　本文論述了以32位定點芯片TMS320F2812為核心的供電柜數據采集系統，利用其快速的轉換速率，實時地把采集到的數據傳輸到上位機上。經調試運行證明，該系統采集精度高，速度快，性能可靠，并可同時采集多路信號，滿足了電力機車供電柜相關的技術指標，并成功應用于韶山系列的電力機車中。此外，該數據采集處理系統不僅可用于電力機車中，還可應用于國家大力發展的地鐵，動車組高速列車等相關的項目中，具有較好的實用價值。

參考文獻

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　　[3]張雄偉，曹鐵通.DSP芯片的原理與開發應用（2版）[M],北京;電子工業出版社,2000.

　　[4]詹慶才，吳命利，曹篤峰等.帶GPS授時的TMS320F2812數據采集系統[J].單片機與嵌入式系統應用,2007,16:25-28.

　　[5]閆俊杰，楊衛，王聰等.基于TMS320F2812實時數據采集系統的設計[J].電子測量技術,2007,18:36-40.