電力電子裝置在調(diào)試和研發(fā)的過程中，需要經(jīng)常性地改動相關的控制參數(shù),，同時需要實時監(jiān)測裝置運行過程中的各關鍵點處的電量波形?，F(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)字信號處理器），由于其硬件條件的限制,，進行控制參數(shù)（如 PID的各控制系數(shù)）的修改時,，往往需要不斷地更改和燒寫程序，很難實時地在線進行參數(shù)修改,，同時也很難向裝置發(fā)送復雜的控制指令,；另外，現(xiàn)在裝置的調(diào)試過程中,，在需要監(jiān)測相關點處的電量波形時,，往往采用多通道隔離示波器進行。這一方面大大增加了裝置的研發(fā)成本,，同時由于示波器的通道數(shù)有限,，不能隨時增加和變更所監(jiān)測的波形點，另外示波器的探頭受到電磁兼容性的制約,，長度有限,，調(diào)試時使用起來也造成了很多不便。
筆者所在的課題組承擔了 100%低地板輕軌車的研制任務,，在裝置的開發(fā)過程中,，由于前述的原因，需要開發(fā)一款用于參數(shù)設定,、裝置控制和實現(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)送命令以及進行參數(shù)的在線修改，同時實時查看裝置的工況,，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按鍵選擇查看遠程裝置上模擬量的基本情況,，以實現(xiàn)示波器的遠距離電量監(jiān)測,。控制器可以靈活更改各 DA通道所對應的電量,，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,，控制器對于相關裝置所發(fā)送過來的數(shù)字量參數(shù)，可以使用液晶進行實時顯示,。對于數(shù)字化的模擬量參數(shù),，控制器一方面可以實時計算出其平均值、有效值等特征量使用液晶單元進行顯示，另一方面可通過 8路 DA轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換后輸出到示波器的采樣通道進行顯示,?？刂破鞯囊壕卧陲@示數(shù)據(jù)時，可以自動根據(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,。所有相關的參數(shù)設置和接收到的數(shù)據(jù)，控制器均可以儲存到鐵電存儲器中,，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）,、兩個串行通信接口（ SCIs）,、改進的局域網(wǎng)絡（ 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)換等外圍設備,，降低了系統(tǒng)的開發(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）,，其低功耗設計可滿足產(chǎn)品的省電要求；同時,，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），可實現(xiàn)漢字,、 ASCII 碼,、點陣圖形的同屏顯示, 支持所有的主流液晶操作指令，預留多種控制線（復位/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進行通訊,，發(fā)送相關的控制指令和數(shù)據(jù)控制其執(zhí)行相應的操作。
控制器所包括的功能鍵,，包括頁面和菜單項的向上/向下移動,、參數(shù)數(shù)據(jù)的增加/減少,、當前參數(shù)的修改 /確認、系統(tǒng)各項功能的選擇等,。按鍵采取行列掃描方式進行排列,。在掃描按鍵時，先進行行掃描,，再進行列掃描,。通過行列掃描的結(jié)構(gòu)共同判定當前是哪個按鍵被按下。同時,，通過軟件實現(xiàn)了按鍵消抖,，提高了操作的準確性和可靠性。按鍵與 DSP2812的 I/O接口相連,，最大可擴展為 16個（4*4）按鍵陣列,，以滿足各項操作的要求。
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設置時間為 6μs，DAC形式為電壓型,。DA轉(zhuǎn)換器通過 DSP2812的 SPI總線進行數(shù)據(jù)交互,，并用 DSP的 2個 I/O接口與之相連作為控制信號。
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機之間的通訊及實現(xiàn) DSP程序的遠程燒寫。
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)換和信號隔離，模塊的輸出側(cè)裝設了的防過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的增強型區(qū)域網(wǎng)絡控制器（ eCAN），與現(xiàn)行的 CAN2.0標準兼容,。它可強電子噪聲的環(huán)境中與其他控制器可靠地進行通訊,。借助 32個完全可配置的郵箱和時間標志特性，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器 FRAM,，通過 I/O接口擴展了 DSP 2812的 RAM。 TMS320F2812內(nèi)部已經(jīng)集成了 18KB的 RAM,，對于一般的應用來說,，已經(jīng)無須再擴展外部 RAM。片內(nèi) RAM能以 150MIPS的速度進行訪問,，在對運算速度要求很高的處理程序中,，通常將經(jīng)常訪問的程序段放到內(nèi)部 RAM中運行，這樣能大大提高運行速度,。而本系統(tǒng)是一個網(wǎng)絡通信系統(tǒng),，將來會用于進行大量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸，因而應外擴 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，讀寫速度快,，并可以像非易失性存儲器一樣使用,。
通用控制器的實物圖如圖 2所示。
3 控制器的軟件設計
實際使用過程中,，下級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，某電力電子裝置系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(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 DSP作為主控芯片,。圖中每個 DSP都配置了相應的通訊模塊,。用戶需要對 MCU或 ACU的相應參數(shù)進行高采樣頻率的實時監(jiān)測時，通過控制器的以太網(wǎng)接口使能目標單元中的以太網(wǎng)模塊,，該模塊即可以通過以太網(wǎng)開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，進行控制指令的發(fā)送,、相關運行參數(shù)的查看和設置,、系統(tǒng)控制過程中時間和指令的同步以及發(fā)送周期性的心跳幀進行系統(tǒng)通訊狀態(tài)的判斷，同時 CAN網(wǎng)絡也可以傳輸某些低采樣頻率的運行數(shù)據(jù),。圖中的 RS485總線作為備用通訊總線,，在 CAN總線出現(xiàn)故障時投入運行,。
3.1 系統(tǒng)總體軟件流程
根據(jù)上述的通訊網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，可設計系統(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 CPU和液晶進行初始化,，設置必要的寄存器,，清空液晶的顯示數(shù)據(jù)，使其進入相應的工作方式,。
程序中每隔 10ms對按鍵掃描一次,，檢查是否有鍵按下，如果有按鍵按下,，則根據(jù)預先確定的工作時序控制液晶的顯示,，實現(xiàn)頁面的翻轉(zhuǎn)、菜單項的移動,、相關參數(shù)的修改和顯示等功能,。通訊數(shù)據(jù)的接收是通過相應通訊接口的標準位查詢或接收中斷進行的。
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通訊實現(xiàn)
控制器的軟件設計涉及到基于 RS232總線,、RS485總線,、CAN總線以及以太網(wǎng)等 DSP數(shù)據(jù)通信接口設計，限于篇幅考慮,，現(xiàn)僅簡單介紹一下 CAN通信的實現(xiàn),，其他通訊協(xié)議的實現(xiàn)與之原理大致相同。
主程序中進入相應的通訊模塊后,，調(diào)用子程序,，進行數(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模塊時鐘,設置波特率及發(fā)送接收郵箱標識符,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 DSP發(fā)送命令或者發(fā)送更改的參數(shù),則進入發(fā)送數(shù)據(jù)程序,清除所有發(fā)送郵箱的發(fā)送響應位,把命令或參數(shù)數(shù)據(jù)寫入郵箱數(shù)據(jù)區(qū) ,置位發(fā)送請求寄存器中的響應標志來啟動消息發(fā)送,直到相應郵箱的發(fā)送響應標志被置位,。
如果無發(fā)送指令或發(fā)送已完成,則進入接收程序,。當收發(fā)器接收到總線數(shù)據(jù)時，接收郵箱未決寄存器中的相應標志位被置位,。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 DA轉(zhuǎn)換器用示波器觀察,。
4 總結(jié)
本文作者的創(chuàng)新點為該通用控制器可以通過 CAN,、以太網(wǎng)、RS485,、RS232等通訊方式實現(xiàn)對電力電子設備參數(shù)的修改及設置,，并可通過液晶顯示。經(jīng)過實際的調(diào)試和使用,，本文設計的通用控制器已經(jīng)應用于某牽引供電系統(tǒng)的電力電子裝置上,，運行良好，抗干擾性和可靠性達到了設計要求,。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行更改,，操作簡便,。