基于TMS320F2812的新型發(fā)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

孟武勝，馮動(dòng)動(dòng)，張新偉

(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安710129)

1 引言

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)載電氣設(shè)備的不斷增加，對(duì)飛機(jī)電源的質(zhì)量和可靠性有了更高的要求［1］。飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器(GCU，Generator control unit)作為飛機(jī)供配電系統(tǒng)重要的控制和保護(hù)部分，為了適應(yīng)新的發(fā)展需要，研究一種新型的發(fā)電機(jī)控制器具有非常重要的意義。現(xiàn)役飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制器大都采用模擬電路進(jìn)行控制保護(hù)，其可靠性和實(shí)時(shí)性都需要進(jìn)一步提高。系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的基于TMS320F2812的新型發(fā)電機(jī)控制器，在控制保護(hù)、故障診斷、信息傳輸?shù)确矫娑加辛撕艽筇岣?，能更好的滿足先進(jìn)飛機(jī)性能方面的要求。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

GCU的主要任務(wù)是根據(jù)發(fā)電機(jī)的端電壓來(lái)穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出，同時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)的各狀態(tài)量和控制各數(shù)字開(kāi)關(guān)的通斷。在系統(tǒng)中，通過(guò)分析系統(tǒng)功能和對(duì)各微處理器的性能比較，選擇了TMS320F2812作為控制系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)采用嵌入式硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了一個(gè)高性能的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

該發(fā)電機(jī)控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓和發(fā)電機(jī)斷路器、匯流條斷路器等的控制以及對(duì)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓、過(guò)頻、欠頻、過(guò)流、過(guò)熱等的狀態(tài)保護(hù)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在最小系統(tǒng)中，包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外擴(kuò)SRAM、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路等。系統(tǒng)選擇32位定點(diǎn)DSP微處理器TMS320F2812［2-3］作為核心器件，它采用經(jīng)典的哈佛總線結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)使用，獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)，使之具有強(qiáng)大的數(shù)字處理能力，且還有很強(qiáng)的事件管理能力和嵌入式控制功能。TMS320F2812的指令周期為6.7ns，完全能滿足系統(tǒng)所需要的實(shí)時(shí)處理要求。由于TMS320F2812的工作頻率為 40MHz，因此選用10MHz的時(shí)鐘，在TMS320F2812內(nèi)部通過(guò)4倍頻獲得40MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘。盡管TMS320F2812內(nèi)部集成了可獨(dú)立運(yùn)行的看門(mén)狗單元，但為了防止因程序跑飛而修改與看門(mén)狗有關(guān)的內(nèi)部寄存器進(jìn)而使內(nèi)部看門(mén)狗失效的情況出現(xiàn)，需要外加硬件看門(mén)狗電路，使整個(gè)系統(tǒng)的工作更加可靠。系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的TPS3823-33芯片，其固定復(fù)位信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)200ms，能滿足系統(tǒng)中所有芯片的復(fù)位要求。圖2為最小系統(tǒng)的原理框圖。

圖1 GCU結(jié)構(gòu)原理框圖

圖2 DSP最小系統(tǒng)組成框圖

設(shè)計(jì)中采用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制與保護(hù)。選用Lattice公司推出的ISPLSI1032，可用資源為64I/O，8個(gè)專(zhuān)用輸入端，4個(gè)專(zhuān)用時(shí)鐘輸入端，6000門(mén)。邏輯控制功能是CPLD完成DSP下發(fā)數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，然后由I/O口輸出邏輯控制命令。同時(shí)掃描I/O口以監(jiān)測(cè)各開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，并將開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)通過(guò)外部中斷通知給DSP，再由DSP讀取數(shù)據(jù)并送給供電系統(tǒng)處理機(jī)。在保護(hù)單元中，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)的輸出電壓低于或高于額定值時(shí)，DSP產(chǎn)生的PWM波經(jīng)CPLD邏輯綜合后驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁電路進(jìn)行勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。

3.2 模擬量的采集

系統(tǒng)模擬量主要包括發(fā)電機(jī)的輸出電壓、輸出電流和發(fā)電機(jī)頻率。系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)的采集電壓、電流等信號(hào)來(lái)完成對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制。電壓和電流的檢測(cè)與調(diào)理實(shí)際上就是把傳感器輸出的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)化成適合DSP采樣的信號(hào)［4］。圖3即為電壓采樣信號(hào)的調(diào)理電路圖。TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換器可輸入的電壓范圍是0V-3V，因此采樣進(jìn)來(lái)的模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為0-3V的電壓。該電路是把電壓傳感器輸出的電壓先經(jīng)過(guò)電壓跟隨器進(jìn)行調(diào)理，再通過(guò)比例縮放電路加上電壓抬升電路輸出給DSP的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入管腳。同理，電流信號(hào)調(diào)理電路與電壓調(diào)理電路類(lèi)似。

對(duì)于發(fā)電機(jī)頻率的采集，系統(tǒng)采用硬件測(cè)頻法，即通過(guò)DSP的捕獲口實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。由永磁機(jī)輸出的電壓信號(hào)經(jīng)分壓濾波以及跟隨電路作為頻率采集信號(hào)。頻率輸入信號(hào)通過(guò)施密特比較器過(guò)零電壓比較電路整形后輸出與正弦波同頻率的方波信號(hào)，由方波信號(hào)的上升沿或下降沿向DSP處理器申請(qǐng)中斷，DSP處理器通過(guò)計(jì)算相鄰兩個(gè)中斷間的時(shí)間間隔來(lái)求取交流信號(hào)的周期，進(jìn)而得到發(fā)電機(jī)的頻率值。頻率采集電路圖如圖4所示。

3.3 通信接口電路設(shè)計(jì)

根據(jù)GCU的功能需要，可將通信模塊分為兩部分:在飛機(jī)飛行過(guò)程中，GCU需要把處理完的狀態(tài)信息送到供電系統(tǒng)處理機(jī)，但不接收供電系統(tǒng)處理機(jī)的控制命令。該模塊采用1553B總線接口來(lái)實(shí)現(xiàn);在飛機(jī)進(jìn)行地面維護(hù)時(shí)，通過(guò)RS485接口進(jìn)行 GCU的維護(hù)。

1553B［5］總線是一種飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線，是一種滿足實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)完整性和系統(tǒng)可靠性的通用機(jī)載串行多路總線標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于1553B通訊總線，系統(tǒng)采用 HOLT公司的HI1567作為收發(fā)器，同時(shí)為提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)選用HOLT公司的PMDB2725EX為隔離變壓器提供總線驅(qū)動(dòng)電壓。圖5即為1553B總線數(shù)據(jù)收發(fā)原理框圖。

圖5 1553B總線收發(fā)原理框圖

RS485總線接口電路采用DSP內(nèi)部串行總線接口SCI外加高性能多協(xié)議收發(fā)器件MAX3160實(shí)現(xiàn)。圖6為RS485總線接口電路圖。MAX3160可通過(guò)引腳設(shè)置來(lái)選擇工作模式，系統(tǒng)置 RS485/RS232為高電平，MAX3160配置為RS485模式。因FAST直接接在3.3V的高電平上，使得RS485方式傳輸速率高達(dá)10Mbit/s。

4 軟件設(shè)計(jì)

GCU要實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)調(diào)壓點(diǎn)電壓，控制各接觸器和繼電器的狀態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸總線向上位機(jī)傳輸信息，其軟件體系應(yīng)具有如下功能:

圖6 RS485總線接口電路

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)并進(jìn)行故障隔離;

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)嗦菲鞯臓顟B(tài)和控制其通斷;

軟件程序編寫(xiě)采用c語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程方式。由于系統(tǒng)采用的TMS320F2812控制器在硬件功能上完全滿足μC/OS-Ⅱ的要求，因此選擇了源代碼公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ［6］作為GCU的執(zhí)行軟件，提高了程序的可讀性和可移植性，便于軟件的修改和升級(jí)。

根據(jù)GCU系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)中主要設(shè)計(jì)了以下子程序:AD采樣、數(shù)據(jù)處理、中斷服務(wù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)頻保護(hù)、欠頻保護(hù)、相序保護(hù)、缺相保護(hù)和短路保護(hù)。其軟件主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

5 結(jié)果分析

表1為模擬系統(tǒng)在過(guò)壓、欠壓、過(guò)頻及欠頻等故障狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證GCU的保護(hù)功能。結(jié)果表明該控制器故障診斷能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。

表1 GCU模擬故障實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

課題充分利用TMS320F2812強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力和豐富的片內(nèi)資源，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)控制器可靠性高，實(shí)時(shí)性好，故障診斷能力強(qiáng)的功能，既提高了飛機(jī)電源的供電質(zhì)量，又降低了飛機(jī)故障率和維護(hù)難度，對(duì)先進(jìn)飛機(jī)的研制具有重要意義。

［1］ 沈頌華.航空航天供電系統(tǒng)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［2］ TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual［Z］.Texas Instruments，2003.

［3］ 韓安太.DSP控制器原理及其在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［4］ 脫秀林，申強(qiáng)，劉成.基于TMS320F2812與 μC/OS-Ⅱ交流采樣遠(yuǎn)程終端的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010(3):699-702.

［5］ 王志宏.基于MIL-STD-1553B總線的航空電子綜合系統(tǒng)總線通訊研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2006.

［6］ Jean J.Labrosse.C/OS-:源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2001.