TMS320F2812在电力机车供电柜中的应用
发布时间：2009-08-06 来源:www.cechina.cn
1 引言
随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高, 旅客对列车速度和舒适度的要求也越来越高。从2004年4月18日开始进行的铁路大提速，是中国铁路发展史上的一件大事。长时间，高速度的运行，给机车车辆装备提出了高标准，严要求。供电系统的安全稳定性对旅客列车的安全运行和正常服务具有尤其重要的作用。根据铁道部“促进铁路节能减耗，提高运输效益”的精神，北车集团成立“1018”项目小组，在消化吸收HXD2电力机车的基础上，自主研制200Km/h客运电力机车。其中，DC600V供电系统作为主要的动力源，在机车的安全可靠运行中有着不可忽视的作用。DC600V列车供电系统向旅客列车直接供电，不但能够有效降低成本，而且还能减少噪音，提高设备的可靠性，为旅客提供舒适的乘车环境。DC600V供电系统是指由机车向车辆提供的直流600V电源，由各车辆逆变为AC380V后被空调，通风，取暖等系统使用。它主要是将额定输入电压860V的交流电通过整流，滤波， 稳压等方式转换成两路额定输出电压600V，额定电流670A，额定功率400KW的直流电。在供电柜中，数据采集系统是核心组成部分，数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号，并将其转换成计算机能识别的数字信号，送入计算机，以便实现对某些物理量的监视[4]。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。考虑到以往设计的数据采集系统采样的精度不高，转换的速率不快，A/D口较少，不利于系统的扩展等方面的缺陷，本文设计的数据采集系统采用了TMS320F2812DSP控制器件，它有16通道12位的A/D转换模块，56个通用的I/O口，最大限度地提高了数据采样精度和处理能力。
2 DC600V供电柜的构成
DC600V供电柜包括两套完全相同的控制系统，两套控制系统互为冗余，每套控制系统控制两路供电装置，在两套控制系统都正常的情况下，其中一套控制系统承担整个供电柜的控制任务，另一套处于冷备状态，当一组控制工作不正常的情况下可直接切换到另一组控制，使得机车每一路400kW的电源都有独立的A/B两套控制系统。每套控制系统包括2块电源板、2块数字输入输出板、2块信号调理板、2块供电控制板，1块控制转换板，和1块预留板。其结构图如图1所示。
图1 供电柜结构图
其中，供电控制板时整个控制装置的核心。系统的主要控制逻辑通过供电控制板实现。为了更加快速稳定地运行控制算法，并且为以后的功能扩展留有余地，使用TMS320F2812作为供电控制板主芯片。
3 TMS320F2812芯片介绍
TMS320F2812DSP是美国德州仪器公司（TI公司）专门为工业应用而设计的新一代DSP处理器，特别适用于大批量数据处理的测控场合，如数据采集，工业自动化控制，伺服电机控制系统等。它可以对采集到的数据进行实时处理，同时把采集到的大量数据高速可靠地传递至主控计算或微处理器作进一步的分析处理。该芯片采用静态CMOS技术，高性能，低功耗，采用1.8V内核电压和3.3V外围接口电压，是一款高性价比的32位定点DSP芯片，最高工作频率为150MHZ（时钟周期可达6.67ns）主频下工作。它具有32位数据总线， 18K×16位的SRAM和128K×16位的片上FLASH存储器，2路16位定时/计数器，3个独立的32位CPU定时器，56个独立编程的GPIO引脚，可扩展1MB的外部存储器，并具有多种通讯接口：SPI、SCI、ECAN、MCBSP，以及16路ADC模块等。TMS320F2812具有8级流水线，专门的读、写等6条总线，采用哈佛总线结构，具有密码保护机制，可运行单周期32×32位或双16×16的MAC操作，可兼顾控制和快速运算的双重功能[1]。
4 硬件设计
数据采集系统的硬件部分主要由DSP芯片，电源模块，AD转换模块，存储模块和通信模块等几部分组成。整个系统采用5V供电，由电源转换芯片TPS70351提供所需的工作电压3.3V和1.8V，并由引脚SEQ决定上电顺序。TMS320F2812的AD转换模块是一个12位分辨率的，具有流水线结构的模数转换器[2]。其前端为2个8选1多路切换和2路同时采样/保持器，构成16个模拟输入通道，模拟通道的切换由硬件自动控制，并将各模拟通道的转换结果顺序存入16个结果寄存器中。所要采集的信号包括电压传感器信号，电流传感器信号，同步变压器信号，由于传感器信号一般为0～5V或4～20mA，比较微弱，需经过RC滤波，运算放大，将模拟输入信号范围变换成后端A/D所能接受的信号范围。其模拟信号调理电路如图2所示。
图2 模拟信号调理电路
TMS320F2812最小系统部分包括了时钟电路，复位电路，JTAG测试端口。此外，为了满足大容量实时数据的暂存，外扩了64K×16bit FALSH M29W102BB和64K×16bit Static RAM CY7C1021[2]。下载到TMS320F2812 FLASH中的主程序可以通过调用相应的函数对暂存在RAM中的数据直接进行运算处理，也可以把暂存在RAM中的数据通过串口发给PC机，在PC机上做进一步的处理。串行通信接口SCI是采用双向通信的的异步串行通信接口，即通常所说的UART口。SCI模块采用标准非归0 数据格式，通过MAX232电平转换后，可以与CPU或其他通信数据格式兼容的异步外设进行数字通信，对接收到的数据进行中断检测、极性、超限和错误检测。通过对16位的波特率控制寄存器进行编程，可配置不同的SCI通信速率。TMS320F2812支持自动波特率检测逻辑，发送和接收可采用中断和查询两种方式。为了实现远程数据交换，资源共享，本文采用了PCA82C250收发器扩展eCAN通信模块，并加入了相关的隔离电路，可靠性高，抗干扰能力强，保证了数据可以快速，准确地传输。整个系统原理图如图3所示。
图3 系统原理图
5 软件设计
为数据采集系统的软件部分主要包括主程序和中断程序以及系统与上位机的通信程序。主程序完成各变量及串行口的初始化，包括了中断的初始化，片外选通信号初始化，设定系统默认的采样点数/采样频率等。中断程序主要用于对A/D数据的读取和处理。通信程序主要是向主机发送处理后的数据，发送数据采用查询方式，接受数据采用中断方式。当串行口产生中断时，先向DSP申请中断，DSP响应后就暂时中断自身的程序，只需相应的串口中断服务程序，执行完后又返回主程序，使信息能及时处理。系统上电复位后，首先完成TMS320F2812自身的初始化，包括配置RAM，设置I/O模式，定时器模式，PIE中断向量表等。F2812的外部接口XINTF是一种非多路选通的异步总线，可通过它外扩存储器如CY7C1041CV33（256K×16位静态RAM，最大读写时间位8ns）。外部接口分5个存储器映射区。每个区都有一个选择信号脚，当某个区被选中时，该脚就变低，0区和1区公用一个脚，6区和7区公用一个脚，外部解码逻辑可以区分公用的两个区，否则同样的存储器可以连到不同的区。主程序流程图如图4所示。然后程序进入循环状态，等待中断，F2812 CPU支持一个不可屏蔽的中断和16个可屏蔽中断（INT1～INT14,RTOSINT以及DLOGINT）。一旦外设产生中断事件，对应外设的中断标志寄存器中相应位置的中断标识IF位就置1。如果对应的中断使能位设为1，则外设中断请求信号INTx.y可以送到PIT控制器，从而裁定从不同中断源来的中断请求。进入中断后，开始数据的采集。ADC的全部操作都通过ADC寄存器进行。ADC寄存器映射到外围帧1的地址空间，地址范围是0x0000～7100到0x0000～711F，由ADC控制寄存器ADCTRLx，ADC通道选择排序控制寄存器ADCCHSELSEQx，ADC转换结果寄存器ADCRESULTx，ADC状态寄存器ADCST，ADC最大转换通道数寄存器ADCMAXCONV，ADC自动排序状态寄存器ADCASESR等组成，全部都是16位寄存器。数据采集完毕后，中断结束，等待下一次的中断。本文所设计的软件部分经调试运行，能较好的实时完成所要求的功能。中断服务程序流程图如图5所示。
图4 主程序流程图
图5 中断程序流程图
6 结束语
本文论述了以32位定点芯片TMS320F2812为核心的供电柜数据采集系统，利用其快速的转换速率，实时地把采集到的数据传输到上位机上。经调试运行证明，该系统采集精度高，速度快，性能可靠，并可同时采集多路信号，满足了电力机车供电柜相关的技术指标，并成功应用于韶山系列的电力机车中。此外，该数据采集处理系统不仅可用于电力机车中，还可应用于国家大力发展的地铁，动车组高速列车等相关的项目中，具有较好的实用价值。
参考文献
[1]苏奎峰，吕强，耿庆峰，等.TMS320F2812原理与开发[M].北京;电子工业出版社,2005.
[2]张卫宁.TMS320C28X系列DSP的CPU与外设[M],北京;清华大学出版社,2004.
[3]张雄伟，曹铁通.DSP芯片的原理与开发应用（2版）[M],北京;电子工业出版社,2000.
[4]詹庆才，吴命利，曹笃峰等.带GPS授时的TMS320F2812数据采集系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2007,16:25-28.
[5]闫俊杰，杨卫，王聪等.基于TMS320F2812实时数据采集系统的设计[J].电子测量技术,2007,18:36-40.