基于CPLD與μC/OS -Ⅱ的斷路器智能控制單元設(shè)計(jì)

　　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)字信號處理器，它具有峰值運(yùn)行每秒150萬條指令(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個事件管理器(EVA和EVB)，CAN總線控制器、2個串行通信接口模塊(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++語言。此外TI公司還提供有虛擬浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(IQ數(shù)學(xué)函數(shù)庫)、快速傅里葉變換(FFT)算法函數(shù)庫、濾波器庫等，這些函數(shù)庫可顯著簡化應(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。同時為了狀態(tài)的快速檢測和輸出執(zhí)行信號的可靠性，將由CPLD完成狀態(tài)量的監(jiān)測、與DSP的通信、狀態(tài)信號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、RS-232總線驅(qū)動和RS-485總線驅(qū)動及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)動電路。交流電壓信號的采集使用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的電壓信號轉(zhuǎn)換成0~3V的電壓信號。

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

　　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)合過程中會產(chǎn)生強(qiáng)的電磁效應(yīng)，如果直接由DSP的GPIO管腳驅(qū)動，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，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)對總線的差動發(fā)送和接收功能。為防止干擾信號的引入，設(shè)計(jì)中采用高速光耦6N137對F2812及物理總線隔離。RS-232的驅(qū)動芯片直接選用MAX232驅(qū)動芯片，而RS-485的驅(qū)動芯片采用SNLBC184，同時為了防止干擾信號進(jìn)入，設(shè)計(jì)中采用光耦TLP521對F2812和RS-232及RS-485總線驅(qū)動芯片隔離。

　　CPLD模塊設(shè)計(jì)

　　在該智能控制單元中，CPLD是一個重要的組成部分，由CPLD組成的狀態(tài)采集及輸出執(zhí)行系統(tǒng)可以獨(dú)立工作，主要是控制斷路器的異步關(guān)合，接受各種輸入的按鍵操作和狀態(tài)的輸入/輸出。同步控制時，CPLD接收DSP傳送的動作命令，即可以執(zhí)行同步關(guān)合操作，同時，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時，CPLD將發(fā)出中斷信號，由DSP讀取狀態(tài)并且作出相應(yīng)的處理或傳送給監(jiān)控中心。CPLD的輸入信號主要有異步的關(guān)、合、復(fù)位輸入，斷路器的位置信號、開關(guān)小車的位置信號、失壓跳閘、過流跳閘、系統(tǒng)電壓信號等。其信息輸出模塊的功能主要是顯示斷路器是否具備可以操動的條件、斷路器的合/分閘狀態(tài)、斷路器的動作執(zhí)行情況、輸出控制斷路器動作命令等。CPLD的控制框圖如圖2所示。CPLD作為一個單獨(dú)的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過編寫相應(yīng)的VHDL代碼，即可以生成相應(yīng)的操作電路，包括對各種輸入信號的鎖存、判斷和處理，以及對各種命令信號的執(zhí)行，對輸出信號的控制。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。

　　圖2 CPLD的控制框圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植;應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　μC/OS -Ⅱ簡介

　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用源代碼公開實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，它是一個基于優(yōu)先級的、可移植、可固化、可裁剪、占先式實(shí)時操作系統(tǒng)，其絕大部分源碼是用ANSIC寫的。

　　μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植要使用μC/OS-Ⅱ，首先要把內(nèi)核成功移植到所使用的CPU上。μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植工作包括4個內(nèi)容。

　　a.在OS_CPU.H中定義與處理器相關(guān)的常量、宏及數(shù)據(jù)類型。例如關(guān)中斷和開中斷的定義分別為#defineOS_ENTER_CRITICAL()asm“DINT”及#defineOS_EXIT_CRITICAL()asm“EINT”。

　　b.調(diào)整和修改頭文件OS_CFG.H，以裁減或修改μC/OS-Ⅱ的系統(tǒng)服務(wù)，減少資源損耗。例如，

　　#defineOS_MBOX_EN0即禁止使用郵箱相關(guān)的代碼。

　　c.編寫C語言文件OS_CPU.C。由于本設(shè)計(jì)中未用到其他幾個函數(shù)，因此這里主要完成函數(shù)OSTaskStkInit()的編寫。OSTaskStkInit()用來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)，使其看起來象剛發(fā)生過中斷并將所有的寄存器保存到堆棧的情形一樣。

　　d.編寫匯編語言文件OS_CPU.ASM。本文件包括4個子函數(shù)程序：OSStartHighRdy()(運(yùn)行最高優(yōu)先級任務(wù))，OSCtxSw()(任務(wù)級的任務(wù)切換)，OSIntCtxSw()(中斷級的任務(wù)切換)和OSTickISR()(μC/OS-Ⅱ時間節(jié)拍中斷函數(shù))，這是μC/OS-Ⅱ移植中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，這幾個函數(shù)的合理實(shí)現(xiàn)，是保證μC/OS-Ⅱ運(yùn)行的基礎(chǔ)。

　　上述工作完成后，μC/OS-Ⅱ就可以運(yùn)行了。

　　應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)智能控制單元的功能要求，將系統(tǒng)分為交流電壓采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、斷路器動作時間預(yù)測模塊、通信模塊、以及與CPLD的接口模塊共11個任務(wù)和3個中斷來實(shí)現(xiàn)，每個任務(wù)根據(jù)其實(shí)時性的要求并參照單調(diào)執(zhí)行率調(diào)度法RMS分配一定的優(yōu)先級、任務(wù)及中斷的定義，如表1所示。

　　優(yōu)先級最高的是開始任務(wù)(TaskStart)，這是系統(tǒng)啟動后運(yùn)行的第1個任務(wù)。在該任務(wù)中要完成系統(tǒng)及相關(guān)外設(shè)的初始化，并進(jìn)行必要的自檢測，然后創(chuàng)建其余的各個任務(wù)。在完成其余各個任務(wù)創(chuàng)建之后，該任務(wù)要刪除自己，把系統(tǒng)資源讓給其他任務(wù)，整個系統(tǒng)開始正常運(yùn)行。該任務(wù)的示意代碼如下：

　　/*系統(tǒng)及外設(shè)初始化*/

　　/*系統(tǒng)自檢測*/

　　/*創(chuàng)建各個任務(wù)*/

　　StartCpuTimer2();/*啟動時間片*/

　　OSStatInit();/*統(tǒng)計(jì)任務(wù)初始化*/

　　創(chuàng)建智能控制單元的各個應(yīng)用任務(wù);

　　KickDog();/*WatchDog復(fù)位*/

　　OSTaskdel(OS_PRIO_SELF);/*刪除開始任務(wù)*/

　　除了TaskStart()之外，其余各任務(wù)模塊的結(jié)構(gòu)都是無限循環(huán)體，圖3給出了一般任務(wù)流程圖。

　　圖3 任務(wù)流程圖

　　任務(wù)通信與同步

　　μC/OS-Ⅱ提供了5種用于數(shù)據(jù)共享和任務(wù)通信的方法：信號量、郵箱、消息隊(duì)列、事件標(biāo)志及互斥型信號量。信號量可以控制共享資源的使用權(quán)，也可以協(xié)調(diào)外部事件與任務(wù)的執(zhí)行，提供了任務(wù)間通信、同步和互斥的最快通信，μC/OS-Ⅱ提供了3種類型的信號量，即二進(jìn)制型、計(jì)數(shù)型和互斥型。事件標(biāo)志可使任務(wù)與多個事件同步，若與多個事件的任何一個同步，稱為獨(dú)立型同步;若與多個事件都同步，稱之為關(guān)聯(lián)型同步。郵箱是一種通信機(jī)制，它可以發(fā)送一個指針型的變量，該指針指向一個包含了特定消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。消息隊(duì)列是另一種通信機(jī)制，它可以使一個任務(wù)或中斷服務(wù)子程序向另一個任務(wù)發(fā)送以指針定義的變量，具體應(yīng)用不同，每個指針指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不同。互斥型信號量是一種特殊的二進(jìn)制型信號量，主要用于解決內(nèi)在的互斥問題，減少實(shí)際應(yīng)用中所必需的優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)智能控制單元軟件時，充分利用了μC/OS-Ⅱ提供的這些通信機(jī)制，以協(xié)調(diào)各獨(dú)立任務(wù)的運(yùn)行。

　　通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　F2812提供了標(biāo)準(zhǔn)的CAN2.0B總線協(xié)議，而此協(xié)議是一種物理層協(xié)議，因?yàn)樵撝悄芸刂茊卧糜陔娏ο到y(tǒng)控制中，電力系統(tǒng)通用的應(yīng)用層協(xié)議主要有CDT，MODBUS，DNP3.0等，在本設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)用層的協(xié)議將采用MODBUS協(xié)議，通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，但是由于采用了實(shí)時操作系統(tǒng)，通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)可以由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理，主要由數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、打包、解包任務(wù)完成。

　　總結(jié)

　　a.設(shè)計(jì)中使用具有多外設(shè)的新型高性能DSPTMS320F2812芯片，大大減少了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的工作量，縮短了開發(fā)周期。設(shè)計(jì)中采用了DSP最小系統(tǒng)與調(diào)理電路分開設(shè)計(jì)的方法，并且在DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用多層板結(jié)構(gòu)，并大量使用了貼片元件，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及電磁兼容性。

　　b.作為基于優(yōu)先級調(diào)度的嵌入式操作系統(tǒng)， 任務(wù)優(yōu)先級的合理分配對系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。在本設(shè)計(jì)中，對任務(wù)優(yōu)先級的分配首先考慮是滿足系統(tǒng)實(shí)時性，其次在同等條件下再考慮任務(wù)的執(zhí)行頻度，通過反復(fù)調(diào)整，最終確定優(yōu)先級的分配表1。

　　c.本課題利用了基于CPLD的執(zhí)行電路設(shè)計(jì)，由于CPLD的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)的可靠性及快速的反應(yīng)，非常適合電力系統(tǒng)控制，因此采用全CPLD(或ACTELFPGA)應(yīng)是一個研究方向。

　　d.F2812作為TI公司推出的2000系列的新成員，目前在國內(nèi)的開發(fā)和設(shè)計(jì)還處于摸索階段，本文中所提出的基于TMS320F2812+μC/OS-Ⅱ的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想會對F2812的學(xué)習(xí)和使用起到一定的促進(jìn)作用。