基于ARM和DSP的直流牽引系統(tǒng)饋線保護裝置設(shè)計

陳　瑤，喬卿陽（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

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基于ARM和DSP的直流牽引系統(tǒng)饋線保護裝置設(shè)計

陳瑤，喬卿陽
（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

摘要：地鐵直流牽引系統(tǒng)饋線保護是直流系統(tǒng)的核心組件，是安全運營的前提保障。而隨著微型計算機的發(fā)展，其在直流牽引系統(tǒng)方面的應(yīng)用也越來越廣泛。該論文闡述了基于ARM和DSP雙CPU饋線保護裝置的設(shè)計，對保護裝置的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計方案進行了詳細的分析。該裝置模塊化的設(shè)計方案，集測量、控制、保護、通訊于一體的功能，完全適用于綜合自動化的管理。該裝置已用于武漢三號線、四號線，成為全國首個全國產(chǎn)化線。隨著全國直流牽引系統(tǒng)的發(fā)展，此裝置有著更廣泛的前景與經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：地鐵直流牽引系統(tǒng)保護裝置DSPARM

0　引言

隨著地鐵系統(tǒng)的快速發(fā)展，直流牽引供電系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其核心技術(shù)是直流供電控制與保護，但國內(nèi)主要城市的地鐵直流保護設(shè)備基本來自國外，代表性的產(chǎn)品是瑞士賽雪龍和德國西門子的產(chǎn)品。但是國產(chǎn)化的方向勢不可擋。我所自主研發(fā)的保護裝置已在武漢地鐵三號線，四號線投入運行，且取得了很好的應(yīng)用效果，為我國的地鐵直流牽引供電系統(tǒng)的全面國產(chǎn)化提供了很好的幫助。本文就我所研制的保護裝置的硬件設(shè)計和控制邏輯進行了闡述。

1　芯片功能簡介

1.1TMS320F28335簡介

TMS320F28335型數(shù)字信號處理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器。與以往的定點DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等。 它具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮 點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出 （HRPWM），12位16通道ADC。得益于其浮點運算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間和精力，與前代DSP相比，平均性能提高50%，并與定點C28x控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

1.2STM32F103ZE簡介

STM32F103ZE是STM32F103系列高端配置芯片，cortex-M3內(nèi)核的32位處理器（內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑，寄存器，存儲器都是32位），采用哈佛結(jié)構(gòu)，72M主頻，LQFP144封裝，片上有512K的flash和64K的SRAM。

2　硬件設(shè)計介紹

本設(shè)計中的硬件主要構(gòu)架為DSP+ARM模式。DSP的任務(wù)：

1）讀取模擬量及IO量，對其進行濾波處理；

2）實現(xiàn)保護算法；

3）完成邏輯控制；

4）完成事件記錄及數(shù)據(jù)錄波任務(wù)。

ARM的任務(wù)：

1）完成與上位機通訊功能；

2）完成與人機界面的通訊功能；

3）完成事件記錄和數(shù)據(jù)錄波的掉電存儲。

兩CPU按照一定的通訊協(xié)議，通過雙口RAM完成數(shù)據(jù)的讀取或存儲。事件記錄存儲在EEPROM中，可掉電保存1000條，數(shù)據(jù)錄波存儲在FLASH中，可掉電保存30條

硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1。

3　軟件設(shè)計介紹

本設(shè)計軟件設(shè)計分位兩個部分，DSP和ARM

3.1DSP部分軟件設(shè)計

DSP芯片主要有一個主循環(huán)和一個微秒級的定時中斷程序處理。在主循環(huán)中，查詢定值修改標記，將修改后的定值存儲于EEPROM中，掉電保存。微秒級定時中斷程序，要完成多個保護算法，對開入狀態(tài)進行濾波及檢測，且完成控制邏輯等輸出。將IO、模擬量、定值等值傳給ARM。DSP的軟件流程圖，子程序流程圖、中斷子程序流程圖如圖2、圖3、圖4。

3.2ARM軟件結(jié)構(gòu)

ARM芯片運行的是ucos系統(tǒng)，其完成的主要工作就是兩個任務(wù)，兩個定時器中斷程序，一個接收中斷。一個微秒級的定時器中斷程序，要完成模擬量的讀取，且完成故障錄波任務(wù)，具體就是查詢故障錄波啟動標記，當故障啟動后，則存儲故障前后點數(shù)，存儲完畢后寫入FLASH，每個故障存儲三條曲線，電流、電壓、電流變化率。一個毫秒級的定時器中斷程序，完成對IO量的讀取，事件記錄的讀取，其他標記字的讀取。以太網(wǎng)任務(wù)完成的是與后臺通訊的解析等。串口任務(wù)完成的是與人機界面的通訊。

圖1　硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2　DSP軟件總流程圖

圖5、圖6、圖7分別為ARM軟件總流程圖、定時器1中斷程序流程圖、定時器2中斷服務(wù)程序流程圖。

圖3　主循環(huán)程序流程圖

圖4　定時器中斷子程序流程圖

圖5　ARM軟件總流程圖

圖6　定時器1中斷服務(wù)子程序流程圖

圖7　定時器2中斷服務(wù)子程序流程圖

4　結(jié)束語

基于ARM和DSP的直流牽引系統(tǒng)饋線保護裝置利用雙CPU模式，軟硬件模塊化的設(shè)計，很好的實現(xiàn)了饋線保護、控制的功能，是電氣化鐵道變電站自動化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

參考文獻：

［1］李斌，隆賢林.電力系統(tǒng)繼電保護及自動裝置［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［2］羅承廉.繼電保護及自動化新原理、新技術(shù)研究及用用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

［3］劉學(xué)軍，段慧達，辛濤 編著.繼電保護原理［M］.北京：中國電力出版社，2012（4）.

An ARM and DSP-based Equipment for DC Traction Power Supply System

Chen Yao，Qiao Qingyang
（Wuhan Insititute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract：The protection equipment is the core components for DC traction power supply system.As the development of microcomputer，it is widely used in DC traction power supply.This paper describes the DSP and ARM-based protection equipment for DC traction power supply system.It integrates measurement，control，protection and communication functions.This protection equipment has been used in Wuhan metro line-3.line-4.With the development of city metro，the protection equipment has broad prospect and great economic benefit.

Keywords:metro； DC traction power supply system； protection equipment； DSP； ARM

中圖分類號：TM588

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0040-03

收稿日期：2016-03-10

作者簡介：陳瑤（1983-），女，碩士，工程師。研究方向：電器控制。