基于TMS320LF2812A的側(cè)拉門控制器研究

仇維斌，嚴(yán) 巖，黃巧亮，歐紅香

● （1.今創(chuàng)集團(tuán)股份有限公司，江蘇常州 213102；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003；3.常州大學(xué)，江蘇常州213164）

基于TMS320LF2812A的側(cè)拉門控制器研究

仇維斌1，嚴(yán) 巖2，黃巧亮2，歐紅香3

● （1.今創(chuàng)集團(tuán)股份有限公司，江蘇常州 213102；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212003；3.常州大學(xué)，江蘇常州213164）

針對(duì)動(dòng)車組氣動(dòng)側(cè)拉門硬線控制的不足，開展了基于TMS320LF2812A的側(cè)拉門控制器的研究。分析了該門控制器的硬件框圖、原理圖以及軟件控制算法，對(duì)外部硬線信號(hào)的監(jiān)控以及當(dāng)前門狀態(tài)的分析進(jìn)行開關(guān)門動(dòng)作。同時(shí)采用敏感膠條檢測(cè)法和時(shí)間檢測(cè)法對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)。可靠的硬件結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)的狀態(tài)機(jī)算法，實(shí)現(xiàn)了可靠的側(cè)拉門控制。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)魯棒性強(qiáng)，能滿足系統(tǒng)要求。

門控制器；TMS320F2812A；PTE

0 引言

隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)的鐵路先后迎來了幾次大提速，這對(duì)客車的安全性要求提出了更大挑戰(zhàn)。動(dòng)車組氣動(dòng)側(cè)拉門控制系統(tǒng)作為鐵道客車最重要的組成部分之一，自然對(duì)它的安全性，也提出了更高要求[1]。目前動(dòng)車組氣動(dòng)側(cè)拉門一般都由硬線信號(hào)直接控制，而硬線控制只能機(jī)械地執(zhí)行開關(guān)門及壓門動(dòng)作，不能將門狀態(tài)反饋到司機(jī)室的顯示屏上進(jìn)行監(jiān)控。此外，當(dāng)關(guān)門遇到障礙物時(shí)，也不能做出相應(yīng)的開門動(dòng)作，無法防止車門夾人的事件發(fā)生，這很難滿足鐵道客車對(duì)安全性的要求。針對(duì)這些不足之處，本文給出了一種新型的側(cè)拉門控制器(下文簡(jiǎn)稱為DCU)。

本文給出的DCU作為側(cè)拉門控制系統(tǒng)的一個(gè)主要部件，接收來自硬線的控制命令并控制相關(guān)繼電器的動(dòng)作，從而執(zhí)行開關(guān)門及壓門動(dòng)作。在關(guān)門遇到障礙物時(shí)，能作出相應(yīng)的開門動(dòng)作及聲光報(bào)警。同時(shí)通過SPI串口通訊，將系統(tǒng)參數(shù)以及系統(tǒng)故障存于外擴(kuò)的存儲(chǔ)芯片中，以便需要時(shí)進(jìn)行讀取。此外門控器也可與 TCMS(Train Control and Management System，列車控制和管理系統(tǒng))進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將門系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)以及實(shí)時(shí)故障反饋到司機(jī)室的顯示界面上[2]。

DCU的可靠性將極大決定了整個(gè)氣動(dòng)側(cè)拉門控制系統(tǒng)的可靠性。為滿足鐵路運(yùn)行的復(fù)雜干擾環(huán)境，本次研究在硬件架構(gòu)及軟件算法的設(shè)計(jì)方面充分考慮了電磁兼容性，以保證DCU運(yùn)行的可靠性。

1 系統(tǒng)功能

1.1 功能要求

作為門系統(tǒng)的核心部件，DCU具有以下主要功能：

1）接收硬線開關(guān)門指令、壓門指令、5km/h信號(hào)、關(guān)門到位信號(hào)、敏感膠條受壓信號(hào)，并在檢測(cè)到障礙物情況下輸出開門命令及音響控制命令。

2）設(shè)計(jì)PTE(Portable Test Equipment，手持式測(cè)試設(shè)備)軟件，通過PTE軟件可對(duì)DCU內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、讀取門的狀態(tài)、查詢門的故障情況等。

3）DCU內(nèi)部存儲(chǔ)關(guān)門受阻時(shí)重關(guān)門延遲時(shí)間和重關(guān)門次數(shù)等參數(shù)，這些參數(shù)都能根據(jù)實(shí)際情況，通過 PTE軟件作出適當(dāng)調(diào)整。

4）與TCMS進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將門的狀態(tài)信息、系統(tǒng)參數(shù)以及門的故障事件反饋到司機(jī)室的顯示屏上，以便司機(jī)實(shí)時(shí)了解門系統(tǒng)的狀況。

5）軟件具有自診斷能力。

1.2 控制原理

在本設(shè)計(jì)中，采用DCU與硬線相冗余的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)側(cè)拉門的控制，從而滿足鐵道客車對(duì)安全性的要求[3]。在正常情況下，DCU內(nèi)的開門繼電器不得電，此時(shí)開關(guān)門命令完全由來自司機(jī)室的硬線信號(hào)控制。僅當(dāng)DCU檢測(cè)到障礙物后，線路板上的開門繼電器線圈才得電，輸出開門信號(hào)，同時(shí)音響控制繼電器線圈得電，發(fā)出聲光(音響)信號(hào)。當(dāng)發(fā)生諸如DCU電源故障、CPU損壞、內(nèi)部系統(tǒng)故障等情況時(shí)，來自硬線的開關(guān)門命令、壓緊命令還能不經(jīng)過DCU直接控制門的開關(guān)，系統(tǒng)僅喪失障礙物檢測(cè)功能部分。

為防止輸入信號(hào)故障而導(dǎo)致車門誤動(dòng)作，DCU同時(shí)接收列車5km/h信號(hào)，當(dāng)列車時(shí)速高于5km/h時(shí)，DCU不執(zhí)行任何動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖

2 DCU硬件電路設(shè)計(jì)

為了保證DCU硬件的可靠性，設(shè)計(jì)了信號(hào)采集電路、電源調(diào)理電路對(duì)輸入DCU的信號(hào)和電源進(jìn)行處理。同時(shí),通過RS485模塊實(shí)現(xiàn)通信電平的隔離，以避免外部電平變動(dòng)對(duì)DCU內(nèi)部硬件電路的影響。此外，考慮到鐵路運(yùn)行的復(fù)雜干擾環(huán)境，本設(shè)計(jì)采用抗干能力強(qiáng)的DSP芯片來作為本DCU的處理器。

2.1 TMS320F2812A芯片簡(jiǎn)介

TMS320F2812A是TI公司主推的一種高性能、低價(jià)格和低功耗的DSP處理器，它具有如下特點(diǎn)：1）處理速度達(dá)到150MIPS，具有很好的數(shù)字處理能力。2）內(nèi)部具有兩套互相獨(dú)立的事件管理器，每套都包含：兩個(gè)16位通用定時(shí)器，8個(gè)16位的PWM通道。

3）高性能的12位ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns，提供多達(dá)16路的模擬輸入。

4）內(nèi)部集成串行通信接口SCI及同步串行外圍的接口SPI，集成了增強(qiáng)型的局域網(wǎng)絡(luò)控制器eCAN和多通道緩沖串行端口McBSP[4]。

氣動(dòng)側(cè)拉門控制系統(tǒng)是在公眾場(chǎng)合下應(yīng)用的一種要求高度安全、高可靠性的部件，而TMS320F2812A是一款針對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域的數(shù)字信號(hào)處理器。所以本設(shè)計(jì)采用TMS-320F2812A作為控制器的核心單元無論在控制實(shí)時(shí)性還是可靠性方面都能得到保證。

2.2 DCU硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 DCU 硬件電路原理框圖

DCU硬件電路以集成有RAM、SCI、數(shù)字I/O、SPI等資源的TMS320F2812A控制器為核心部件，并外擴(kuò)時(shí)鐘芯片、EEPROM等資源[5]，硬件框圖如圖2所示。

圖2 DCU硬件框圖

1）PTE單元和TCMS單元通過RS485模塊進(jìn)行電平隔離及轉(zhuǎn)換后通過SCI與DCU進(jìn)行通信。

2）數(shù)字I/O端口通過光電隔離電路進(jìn)行隔離，以隔絕外部干擾信號(hào)對(duì)內(nèi)部電路的影響。

3）為了消除外部電源電壓波動(dòng)對(duì)DCU的影響，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，增加了電源調(diào)理電路。

4）EEPROM和SD2200時(shí)鐘芯片分別通過SPI模塊和I2C模塊與DSP芯片進(jìn)行通信。

2.2.2 信號(hào)采集電路

此電路用于采集開關(guān)量信號(hào)，開關(guān)量信號(hào)的電壓變動(dòng)范圍為77VDC～137.5VDC。

為滿足高安全性、高可靠性的要求，在進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)，做了如下處理。

1）在設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路(如圖3)時(shí)，外部輸入信號(hào)與內(nèi)部電路之間，采用光電隔離來消除干擾。同時(shí)應(yīng)用了冗余設(shè)計(jì)思想，即對(duì)每一種信號(hào)都進(jìn)行兩路采集，兩路中只要有一路信號(hào)有輸入，則認(rèn)為該信號(hào)有效。同時(shí)軟件中進(jìn)行了互斥判斷，一旦發(fā)生信號(hào)互斥，則進(jìn)行報(bào)警。

圖3 信號(hào)采集電路

2）在信號(hào)輸入側(cè)布置了電阻R8和R9、壓敏電阻VR3、安規(guī)電容C3、二極管D1和穩(wěn)壓管DZ1等器件，以防止外部高電壓對(duì)后續(xù)電路的損害，濾除外界干擾信號(hào)，限制電路電流，并起到防止外部信號(hào)反接造成光藕反向擊穿等作用。

2.2.3 電源調(diào)理電路

擁有可靠的電源輸入對(duì)DCU的正常工作起至關(guān)重要的作用，所以在進(jìn)行電源調(diào)理電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用了多級(jí)處理電路(如圖4、5、6所示)，以確保電源調(diào)理電路的可靠性。

圖4 電源調(diào)理前置電路

圖5 兩級(jí)濾波電路

圖6 電壓變換電路

在進(jìn)行電源調(diào)理電路設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了電源的可靠性及EMC設(shè)計(jì)。

1）在電源調(diào)理前置電路中布置了壓敏電阻VR1、安規(guī)電容C1等，以防止外部高電壓對(duì)后續(xù)電路的損害，如圖4所示。

2）在兩級(jí)濾波電路中布置了防雷管SA1、高壓電容C16，C17、防反接二極管D3、壓敏電阻SK1、SK2及T1、T2兩級(jí)共模電感等來進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，如圖5所示。

3）如圖6所示，在電壓變換電路中選用了低紋波、寬輸入電壓的DC/DC隔離模塊，以滿足列車上對(duì)77VDC～137.5VDC的寬供電電壓范圍，同時(shí)在DC/DC隔離模塊的輸入及輸出端布置了吸收高頻及低頻干擾的濾波電容，以進(jìn)一步消除紋波干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。圖7給出了邏輯控制的完整有限狀態(tài)機(jī)切換圖?？刂破髟诿糠N狀態(tài)下不斷判斷轉(zhuǎn)移條件，若轉(zhuǎn)移條件為真，則狀態(tài)改變。

圖7 邏輯控制單元有限狀態(tài)機(jī)切換圖

3 DCU軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，除了要實(shí)現(xiàn)“1.1功能要求”所描述基本功能外，還要考慮系統(tǒng)對(duì)高安全性、高可靠性的要求。

3.1 門狀態(tài)及有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行軟件邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)門的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)定了如表1所示的狀態(tài)機(jī)變量。

表1 狀態(tài)機(jī)變量

3.2 DCU主程序設(shè)計(jì)

主程序由多個(gè)任務(wù)和數(shù)據(jù)緩沖池構(gòu)成，除了有持續(xù)執(zhí)行的循環(huán)任務(wù)外，還有空閑任務(wù)和中斷任務(wù)[6]。系統(tǒng)提供1 ms的時(shí)鐘中斷，任務(wù)的執(zhí)行以此時(shí)間片為基準(zhǔn)。

障礙物檢測(cè)任務(wù)、輸入信號(hào)檢測(cè)任務(wù)、輸入信號(hào)互斥監(jiān)控任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)以及故障檢測(cè)任務(wù)將每 100ms執(zhí)行一次[7]。PTE數(shù)據(jù)通訊任務(wù)與TCMS數(shù)據(jù)通訊任務(wù)則是在接收到來自PTE或TCMS的請(qǐng)求幀后，才會(huì)被執(zhí)行。DCU與PTE、DCU與TCMS之間采用Modbus主從通訊協(xié)議，DCU作為從機(jī)，在中斷中接收來自PTE或 TCMS的請(qǐng)求幀，并置位相應(yīng)的標(biāo)志位，然后在主程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和發(fā)送。主程序框圖如圖8所示。

圖8 主程序框圖

3.3 障礙物檢測(cè)

在執(zhí)行關(guān)門指令時(shí)，DCU會(huì)對(duì)關(guān)門過程進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)控到敏感膠條受壓信號(hào)或者關(guān)門10 s(該參數(shù)可設(shè)定)后還未收到門關(guān)到位信號(hào)時(shí)，則認(rèn)為關(guān)門過程中遇到了障礙物，DCU發(fā)出開門指令，進(jìn)行開門動(dòng)作。執(zhí)行開門動(dòng)作10s(該參數(shù)可設(shè)定)后，再次嘗試關(guān)門動(dòng)作，如此往復(fù)3次(該參數(shù)可設(shè)定)之后，如果門還沒有關(guān)到位，則執(zhí)行開門動(dòng)作并保持門開狀態(tài)[8]。DCU將反饋障礙物信息至TCMS，在DCU內(nèi)部進(jìn)行一次故障記錄并發(fā)出報(bào)警。障礙物檢測(cè)程序框，如圖9所示。

圖9 障礙物檢測(cè)程序流程圖

4 結(jié)語

詳細(xì)介紹了基于 TMS320LF2812A的側(cè)拉門控制器的設(shè)計(jì)方法。目前，該產(chǎn)品已經(jīng)順利通過了功能試驗(yàn)、絕緣耐壓試驗(yàn)、EMC試驗(yàn)、沖擊振動(dòng)試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)以及耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)魯棒性強(qiáng)，能滿足系統(tǒng)要求。

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DNV GL集團(tuán)在中國(guó)總部上海舉辦未來六大主旨內(nèi)部發(fā)布會(huì)

為慶?；鸾M織DNV成立150周年暨與GL的合并元年，DNV GL集團(tuán)于2014年6月26日在中國(guó)總部上海舉辦了未來六大主旨的內(nèi)部發(fā)布會(huì)，DNV GL集團(tuán)上海地區(qū)200多名員工參加這一盛會(huì)。

DNV GL集團(tuán)區(qū)域總裁Torgeir Sterri先生及可持續(xù)發(fā)展執(zhí)行官Bj?rn Kj Haugland先生致開幕詞?？沙掷m(xù)發(fā)展副主席Sven Mollekleiv先生主持了精彩的脫口秀問答環(huán)節(jié)，并向所有員工介紹了安全及可持續(xù)發(fā)展的未來。

醫(yī)療衛(wèi)生戰(zhàn)略及研發(fā)中心總監(jiān)Rune Torhaug先生和高級(jí)研發(fā)人員Eva Turk先生向大家介紹了醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域技術(shù)轉(zhuǎn)型所帶來的影響力。

國(guó)際海事方面的專家Tore Longva先生則向與會(huì)員工詳細(xì)分析了船運(yùn)業(yè)的未來。

隨后，戰(zhàn)略研發(fā)中心的高層們則帶來了一系列在氣候變化、電力未來及未來風(fēng)險(xiǎn)分析等方面的主旨演講。

這是DNV GL集團(tuán)成立一年來首次舉辦的內(nèi)部分享會(huì)，建立信心是公司的核心，信任也是我們的經(jīng)營(yíng)理念。DNV GL集團(tuán)現(xiàn)在展示的是更寬廣的視野，并協(xié)助客戶向著更安全、更智能、更環(huán)保的未來邁進(jìn)！

（DNV GL）

Study on Side Door Control Unit Based on TMS320LF2812A

QIU Wei-bin1, YAN Yan2, HUANG Qiao-liang2, OU Hong-xiang3
(1.KTK Group Co., Ltd., Changzhou 213102, China; 2.Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,China; 3.Changzhou University, Changzhou 213164, China)

To avoid the shortcomings of hard line control on railway passenger car pneumatic side door, the side door control unit(DCU) based on TMS320LF2812A is studied.The hardware block diagram, schematic diagram and software control algorithm of DCU are elaborated.The opening and closing of the door is controlled by monitoring the external signal and the current state of the door.The obstacle detection is performed by using sensitive edge detection method and timing method.The reliable hardware structure and enhanced state machine algorithm can achieve the reliable control of the side door.The results show that the design is robust，which can meet the system requirements.

DCU; TMS320F2812A; PTE

TP23

A

仇維斌（1972-），男，高級(jí)工程師，碩士。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞骷夹g(shù)及傳動(dòng)控制。