電力電子裝置在調(diào)試和研發(fā)的過(guò)程中,，需要經(jīng)常性地改動(dòng)相關(guān)的控制參數(shù),，同時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行過(guò)程中的各關(guān)鍵點(diǎn)處的電量波形。現(xiàn)在的電力電子裝置,，其控制板的主控芯片通常采用 DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）,，由于其硬件條件的限制,，進(jìn)行控制參數(shù)（如 PID的各控制系數(shù)）的修改時(shí)，往往需要不斷地更改和燒寫(xiě)程序,，很難實(shí)時(shí)地在線進(jìn)行參數(shù)修改,，同時(shí)也很難向裝置發(fā)送復(fù)雜的控制指令；另外,，現(xiàn)在裝置的調(diào)試過(guò)程中,，在需要監(jiān)測(cè)相關(guān)點(diǎn)處的電量波形時(shí)，往往采用多通道隔離示波器進(jìn)行,。這一方面大大增加了裝置的研發(fā)成本,，同時(shí)由于示波器的通道數(shù)有限，不能隨時(shí)增加和變更所監(jiān)測(cè)的波形點(diǎn),，另外示波器的探頭受到電磁兼容性的制約，長(zhǎng)度有限,，調(diào)試時(shí)使用起來(lái)也造成了很多不便,。
筆者所在的課題組承擔(dān)了 100%低地板輕軌車(chē)的研制任務(wù)，在裝置的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,，由于前述的原因,，需要開(kāi)發(fā)一款用于參數(shù)設(shè)定、裝置控制和實(shí)現(xiàn)模擬波形輸出的通用控制器,。該控制器利用裝置所支持的通訊協(xié)議向裝置發(fā)送命令以及進(jìn)行參數(shù)的在線修改,，同時(shí)實(shí)時(shí)查看裝置的工況，接收裝置發(fā)送的數(shù)字量和數(shù)字化的模擬量等運(yùn)行數(shù)據(jù),。此外,，控制器具有多路 DA輸出,在 DA輸出端接上示波器就可以通過(guò)按鍵選擇查看遠(yuǎn)程裝置上模擬量的基本情況，以實(shí)現(xiàn)示波器的遠(yuǎn)距離電量監(jiān)測(cè),?？刂破骺梢造`活更改各 DA通道所對(duì)應(yīng)的電量，大大增加了示波器采樣通道的利用率,。在通訊協(xié)議上,，控制器支持 RS232、RS485,、CAN總線和以太網(wǎng)協(xié)議以最大限度地滿足不同裝置的通訊需求,。同時(shí)，控制器對(duì)于相關(guān)裝置所發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)字量參數(shù),，可以使用液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,。對(duì)于數(shù)字化的模擬量參數(shù)，控制器一方面可以實(shí)時(shí)計(jì)算出其平均值,、有效值等特征量使用液晶單元進(jìn)行顯示,，另一方面可通過(guò) 8路 DA轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后輸出到示波器的采樣通道進(jìn)行顯示,。控制器的液晶單元在顯示數(shù)據(jù)時(shí),，可以自動(dòng)根據(jù)該數(shù)據(jù)的大小決定其小數(shù)部分的位數(shù),，以始終保留 4位有效數(shù)字。所有相關(guān)的參數(shù)設(shè)置和接收到的數(shù)據(jù),，控制器均可以儲(chǔ)存到鐵電存儲(chǔ)器中,，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，方便下次繼續(xù)使用,。
2 控制器的硬件組成及功能
通用控制器系統(tǒng)硬件組成如圖 1所示,。

     其中，控制器的 CPU單元采用 TMS320C28X系列中的 DSP2812,，它具有串行外圍接口（SPI）,、兩個(gè)串行通信接口（ SCIs）、改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)（ eCAN）,、多通道緩沖串行接口（McBSP）,。DSP2812主頻高，能夠滿足通用控制器的通訊速率,，同時(shí)可以很好地支持通用控制器所需要的 RS232,、RS485、CAN總線,、以太網(wǎng),、 DA轉(zhuǎn)換等外圍設(shè)備，降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度,。
     系統(tǒng)中的液晶顯示單元采用 LCM128645ZK型中文液晶顯示模塊,。該模塊電源操作范圍寬（2.7V to 5.5V），其低功耗設(shè)計(jì)可滿足產(chǎn)品的省電要求,；同時(shí),，模塊與微控器的接口界面靈活（三種模式：并行 8 位/4位，串行 3 線/2線）,，可實(shí)現(xiàn)漢字,、 ASCII 碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示, 支持所有的主流液晶操作指令,，預(yù)留多種控制線（復(fù)位/串并選擇/亮度調(diào)整）供用戶靈活使用,。DSP2812使用通用 I/O口與 LCM128645ZK進(jìn)行通訊，發(fā)送相關(guān)的控制指令和數(shù)據(jù)控制其執(zhí)行相應(yīng)的操作,。
     控制器所包括的功能鍵,，包括頁(yè)面和菜單項(xiàng)的向上/向下移動(dòng)、參數(shù)數(shù)據(jù)的增加/減少,、當(dāng)前參數(shù)的修改 /確認(rèn),、系統(tǒng)各項(xiàng)功能的選擇等,。按鍵采取行列掃描方式進(jìn)行排列。在掃描按鍵時(shí),，先進(jìn)行行掃描,，再進(jìn)行列掃描。通過(guò)行列掃描的結(jié)構(gòu)共同判定當(dāng)前是哪個(gè)按鍵被按下,。同時(shí),，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了按鍵消抖，提高了操作的準(zhǔn)確性和可靠性,。按鍵與 DSP2812的 I/O接口相連,，最大可擴(kuò)展為 16個(gè)（4*4）按鍵陣列，以滿足各項(xiàng)操作的要求,。
     D/A轉(zhuǎn)換選擇了 12位 8路的 DA芯片 AD5328,，其 DAC更新速率為 167ksps，DAC設(shè)置時(shí)間為 6μs,，DAC形式為電壓型,。DA轉(zhuǎn)換器通過(guò) DSP2812的 SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并用 DSP的 2個(gè) I/O接口與之相連作為控制信號(hào),。
     RS232通訊模塊使用 MAX232作為總線的接口芯片，與 DSP的 SCI接口相連,。 RS232主要用于控制器與 PC機(jī)之間的通訊及實(shí)現(xiàn) DSP程序的遠(yuǎn)程燒寫(xiě),。
     RS485通訊模塊使用 MAX485作為總線的接口芯片，與 DSP的 SCI接口相連,。模塊內(nèi)部采用了 HCPL2610高速隔離光耦用作電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)隔離,，模塊的輸出側(cè)裝設(shè)了的防過(guò)壓涌流和抗干擾電路，以提高通訊的可靠性,。
      CAN通訊模塊選用了 DSP2812的增強(qiáng)型區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制器（ eCAN）,，與現(xiàn)行的 CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)兼容。它可強(qiáng)電子噪聲的環(huán)境中與其他控制器可靠地進(jìn)行通訊,。借助 32個(gè)完全可配置的郵箱和時(shí)間標(biāo)志特性,，eCAN模塊提供了一種具有通用性和魯棒性的串行通信接口。
      以太網(wǎng)通訊模塊選用 LAN91C111作為控制芯片,，使用數(shù)據(jù)線,、地址線以及 I/O口與DSP2812相連接。 LAN91C111的主要功能如下：自適應(yīng)的傳輸速率,，支持 100M／10Mbps,；支持突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸；8kb的內(nèi)部存儲(chǔ)器件用于接收和發(fā)送的緩存,；支持 8位,，16位,，32位的數(shù)據(jù)傳輸方式；提前發(fā)送和接收功能,。
     除此之外,，我們還選用鐵電存儲(chǔ)器 FRAM，通過(guò) I/O接口擴(kuò)展了 DSP 2812的 RAM,。 TMS320F2812內(nèi)部已經(jīng)集成了 18KB的 RAM,，對(duì)于一般的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，已經(jīng)無(wú)須再擴(kuò)展外部 RAM,。片內(nèi) RAM能以 150MIPS的速度進(jìn)行訪問(wèn),，在對(duì)運(yùn)算速度要求很高的處理程序中，通常將經(jīng)常訪問(wèn)的程序段放到內(nèi)部 RAM中運(yùn)行,，這樣能大大提高運(yùn)行速度,。而本系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，將來(lái)會(huì)用于進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸,，因而應(yīng)外擴(kuò) RAM作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū),。RAM選用 Ramtron公司的FRAM，F(xiàn)RAM具有 RAM和 ROM優(yōu)點(diǎn),，讀寫(xiě)速度快,，并可以像非易失性存儲(chǔ)器一樣使用。
通用控制器的實(shí)物圖如圖 2所示,。

3 控制器的軟件設(shè)計(jì)
    實(shí)際使用過(guò)程中,，下級(jí)電力電子裝置的通訊協(xié)議可以選擇 RS232/RS485/CAN/以太網(wǎng)中的任意一種。圖 3為使用控制器時(shí),，某電力電子裝置系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖,。
    如圖 3所示，系統(tǒng)由主控單元 MCU和輔助控制單元 ACU組成,，其中 MCU使用 2個(gè) DSP作為主控芯片,。圖中每個(gè) DSP都配置了相應(yīng)的通訊模塊。用戶需要對(duì) MCU或 ACU的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行高采樣頻率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí),，通過(guò)控制器的以太網(wǎng)接口使能目標(biāo)單元中的以太網(wǎng)模塊,，該模塊即可以通過(guò)以太網(wǎng)開(kāi)始向控制器傳輸指定的參數(shù)和數(shù)據(jù)。圖中使用控制器的 CAN通訊接口連接了 MCU和 ACU的內(nèi)部 CAN控制網(wǎng)絡(luò),，進(jìn)行控制指令的發(fā)送,、相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的查看和設(shè)置、系統(tǒng)控制過(guò)程中時(shí)間和指令的同步以及發(fā)送周期性的心跳幀進(jìn)行系統(tǒng)通訊狀態(tài)的判斷,，同時(shí) CAN網(wǎng)絡(luò)也可以傳輸某些低采樣頻率的運(yùn)行數(shù)據(jù),。圖中的 RS485總線作為備用通訊總線，在 CAN總線出現(xiàn)故障時(shí)投入運(yùn)行,。
3.1 系統(tǒng)總體軟件流程
    根據(jù)上述的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，可設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體軟件流程,，系統(tǒng)的軟件流程如圖 4所示。
    系統(tǒng)首先上電初始化,，初始化后系統(tǒng)先對(duì) CPU和液晶進(jìn)行初始化,，設(shè)置必要的寄存器，清空液晶的顯示數(shù)據(jù),，使其進(jìn)入相應(yīng)的工作方式,。
程序中每隔 10ms對(duì)按鍵掃描一次，檢查是否有鍵按下,，如果有按鍵按下,，則根據(jù)預(yù)先確定的工作時(shí)序控制液晶的顯示，實(shí)現(xiàn)頁(yè)面的翻轉(zhuǎn),、菜單項(xiàng)的移動(dòng),、相關(guān)參數(shù)的修改和顯示等功能。通訊數(shù)據(jù)的接收是通過(guò)相應(yīng)通訊接口的標(biāo)準(zhǔn)位查詢或接收中斷進(jìn)行的,。
 
圖4 系統(tǒng)的軟件流程圖                圖 5 CAN通訊子程序流程圖

3.2 CAN通訊實(shí)現(xiàn) 
    控制器的軟件設(shè)計(jì)涉及到基于 RS232總線,、RS485總線、CAN總線以及以太網(wǎng)等 DSP數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì),，限于篇幅考慮,，現(xiàn)僅簡(jiǎn)單介紹一下 CAN通信的實(shí)現(xiàn)，其他通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)與之原理大致相同,。
   主程序中進(jìn)入相應(yīng)的通訊模塊后,，調(diào)用子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。子程序流程圖如圖 5所示。
    初始化 CAN模塊,使能 CAN模塊時(shí)鐘,設(shè)置波特率及發(fā)送接收郵箱標(biāo)識(shí)符,配置發(fā)送接收郵箱指向及字節(jié)數(shù),使能所有郵箱,。
判斷是否需要發(fā)送數(shù)據(jù),，如現(xiàn)在模式為向目標(biāo) DSP發(fā)送命令或者發(fā)送更改的參數(shù),則進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)程序,清除所有發(fā)送郵箱的發(fā)送響應(yīng)位,把命令或參數(shù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入郵箱數(shù)據(jù)區(qū) ,置位發(fā)送請(qǐng)求寄存器中的響應(yīng)標(biāo)志來(lái)啟動(dòng)消息發(fā)送,直到相應(yīng)郵箱的發(fā)送響應(yīng)標(biāo)志被置位。
     如果無(wú)發(fā)送指令或發(fā)送已完成,則進(jìn)入接收程序,。當(dāng)收發(fā)器接收到總線數(shù)據(jù)時(shí),，接收郵箱未決寄存器中的相應(yīng)標(biāo)志位被置位。查詢這一位狀態(tài),，即可判斷是否收到數(shù)據(jù),，讀取接收郵箱里的數(shù)據(jù)后重置接收標(biāo)志 RMP，等待下一次接收,。
    接收到數(shù)據(jù)后,，數(shù)字量即可在液晶上顯示，模擬量可以通過(guò) DA轉(zhuǎn)換器用示波器觀察,。

4 總結(jié)
本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)為該通用控制器可以通過(guò) CAN,、以太網(wǎng),、RS485、RS232等通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子設(shè)備參數(shù)的修改及設(shè)置,，并可通過(guò)液晶顯示,。經(jīng)過(guò)實(shí)際的調(diào)試和使用，本文設(shè)計(jì)的通用控制器已經(jīng)應(yīng)用于某牽引供電系統(tǒng)的電力電子裝置上,，運(yùn)行良好,，抗干擾性和可靠性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。根據(jù)其它電力電子裝置的調(diào)試需求,，本通用控制器可以靈活進(jìn)行更改,，操作簡(jiǎn)便。