基于TMS320F28335的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)邏輯控制單元設(shè)計(jì)

摘要：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)需與DCS通信，對(duì)進(jìn)出線斷路器、接觸器等電氣設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢測、動(dòng)作控制，并對(duì)這些開關(guān)量的時(shí)序進(jìn)行記錄與查詢，以提高系統(tǒng)的安全性和智能化水平?，F(xiàn)針對(duì)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)量信號(hào)檢測、控制、記錄與查詢，介紹了基于DSP的邏輯控制單元的原理、硬件和軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：DSP;高壓變頻調(diào)速系統(tǒng);開關(guān)量;邏輯控制單元

0? ? 引言

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、化工等行業(yè)，對(duì)進(jìn)出線斷路器等電氣設(shè)備的通斷檢測與控制、DCS控制命令響應(yīng)與反饋、設(shè)備故障的檢測與處理等是其安全運(yùn)行的必要條件。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的邏輯控制單元主要完成開關(guān)量輸入信號(hào)檢測，開關(guān)量輸出信號(hào)控制，電氣設(shè)備的控制、保護(hù)、聯(lián)鎖，外部故障檢測，運(yùn)行事件記錄與查詢，與主控、觸摸屏通信，以提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和智能化水平。

1? ? 系統(tǒng)簡介

邏輯控制單元以0.5 ms為周期，對(duì)開關(guān)量輸入信號(hào)進(jìn)行檢測，經(jīng)邏輯處理后控制輸出繼電器動(dòng)作。

如圖1所示，邏輯控制單元與主控間用CAN通信，其向主控發(fā)送設(shè)備信息、邏輯處理結(jié)果，并從主控接收運(yùn)行信息，此外兩者間還用GPIO直接連接，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的緊急任務(wù)，主控操作GPIO觸發(fā)邏輯控制單元的外部中斷XINT，邏輯控制單元及時(shí)響應(yīng)以避免CAN通信延時(shí);邏輯控制單元檢測DCS發(fā)出的控制命令，并向DCS做出反饋;觸摸屏與邏輯單元通過RS485總線連接。

2? ? 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1? ? DSP系統(tǒng)及工作原理

邏輯單元由DSP系統(tǒng)、開關(guān)量電路、通信接口電路組成，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

DSP采用TMS320F28335，該器件采用Harvard總線架構(gòu)，最高主頻150 MHz，可快速中斷響應(yīng)和處理，外部接口XINTF地址范圍超過2M×16，片內(nèi)集成了常用接口如SCI、SPI、CAN等，是一款高性能低功耗DSP[1]。

TMS320F28335外部接口（XINTF）是一種異步總線，可以訪問片外存儲(chǔ)空間。XINTF被映射到3個(gè)固定區(qū)域0、6、7，每個(gè)區(qū)域可被設(shè)定為具有不同的等待狀態(tài)、建立和保持時(shí)序，每個(gè)區(qū)域都有相關(guān)區(qū)域芯片選擇信號(hào)，并且當(dāng)執(zhí)行到一個(gè)特定區(qū)域的訪問時(shí)，由區(qū)域芯片選擇切換支持，這些特性可實(shí)現(xiàn)XINTF到多個(gè)外部存儲(chǔ)器和外設(shè)的無縫連接[1]。因此，本文把DI、DO通道連接到DSP數(shù)據(jù)線，且DI、DO映射到不同的XINTF區(qū)域，用DSP的XINTF訪問外部存儲(chǔ)空間的方式訪問DI、DO，即在DSP程序內(nèi)定義位于不同的XINTF區(qū)域的若干地址，然后讀寫這些地址空間。

如圖2所示，讀DI時(shí)以讀信號(hào)XRD、XINTF的7區(qū)芯片選擇信號(hào)XZCS7、復(fù)位信號(hào)XRS作為譯碼器SN74LVC138A的使能輸入，以DSP地址線XA[3：5]作為譯碼器的選擇輸入，用譯碼器的輸出作為電平轉(zhuǎn)換芯片SN74ALVC164245的輸出使能信號(hào)。本文DI通道使用3片SN74ALVC164245，因此需在程序中定義3個(gè)相應(yīng)地址。SN74ALVC164245的輸出為三態(tài)，使能端為高電平時(shí)輸出為高阻，3片分別使能就避免了總線沖突。

同理，寫DO時(shí)以寫信號(hào)XWE、XINTF的0區(qū)芯片選擇信號(hào)XZCS0、復(fù)位信號(hào)XRS作為譯碼器SN74LVC138A的使能輸入，以DSP地址線XA[3：5]作為譯碼器的選擇輸入，用譯碼器的輸出作為D型邊沿觸發(fā)器SN74ACT574的clock信號(hào)，本文DO通道使用4片SN74ACT574作為鎖存寄存器，2片用于系統(tǒng)內(nèi)DO，2片用于DCS通信，因此需在程序中定義2個(gè)相應(yīng)地址。SN74ACT574的輸出為三態(tài)，使能端為高電平時(shí)輸出為高阻態(tài)。DSP的GPIO0在復(fù)位時(shí)默認(rèn)是輸入方向，且禁用內(nèi)部上拉電阻，因此用GPIO0作為使能端信號(hào)，并在外部使用電阻上拉，那么在復(fù)位時(shí)SN74ACT574輸出為高阻，DO繼電器可設(shè)置為斷開狀態(tài)。

如圖3所示，每個(gè)XINTF訪問由三部分組成：建立、有效和跟蹤[2]。讀DI時(shí)，在XRD有效期間對(duì)XINTF的7區(qū)地址譯碼以使能相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換芯片，把DI通道連接到數(shù)據(jù)總線，在XRD上升沿后數(shù)據(jù)保持。寫DO時(shí)，XWE有效期間，數(shù)據(jù)到達(dá)D觸發(fā)器D輸入端，對(duì)XINTF的0區(qū)地址譯碼，在XWE的上升沿Q端輸出D端數(shù)據(jù)。

2.1.1? ? 復(fù)位電路

啟用DSP片內(nèi)看門狗，在主循環(huán)和中斷服務(wù)程序中喂狗。在DSP片外，用電源監(jiān)控芯片TPS3305-18 RESET連接DSP的XRS。該芯片為雙電源監(jiān)測電路，監(jiān)測1.9 V和3.3 V，其上電復(fù)位發(fā)生器有固定延時(shí)200 ms。當(dāng)芯片電源VDD≥1.1 V時(shí)RESET輸出。XRS有效時(shí)，SN74LVC138A的輸出均為高電平。

2.1.2? ? 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行事件的記錄與查詢中時(shí)間信息必不可少，特別是在分析設(shè)備開關(guān)動(dòng)作時(shí)序時(shí)時(shí)間信息尤為重要，本文中采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS3231，并附加電池供電，在必要時(shí)自動(dòng)切換至備用電源保持準(zhǔn)確的時(shí)間。此RTC維護(hù)秒、分、時(shí)、日、月和年信息，為提高時(shí)間的分辨率，在DSP內(nèi)使用定時(shí)器維護(hù)毫秒信息。

2.1.3? ? 存儲(chǔ)電路

運(yùn)行事件單條記錄包括時(shí)間信息、事件類型（開關(guān)量狀態(tài)）、存儲(chǔ)序號(hào)，為增加存儲(chǔ)空間外擴(kuò)SPI接口FLASH存儲(chǔ)器W25Q128JV。芯片陣列被組織成65 536個(gè)可編程頁面，每個(gè)頁面256個(gè)字節(jié)，一次最多可編程256個(gè)字節(jié)，頁面可以4 kB扇區(qū)、32 kB塊、64 kB塊或整個(gè)芯片進(jìn)行擦除，小型4 kB扇區(qū)操作在應(yīng)用程序中靈活性更大。在使用標(biāo)準(zhǔn)串行外圍接口（SPI）時(shí)支持高達(dá)133 MHz的時(shí)鐘頻率，本文使用DSP SPI接口能達(dá)到的最高時(shí)鐘頻率是12.5 MHz。此外，該器件數(shù)據(jù)保留期超過20年。

2.1.4? ? 通信電路

邏輯單元作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的一部分，為了對(duì)邏輯單元進(jìn)行時(shí)間設(shè)置、配置參數(shù)，查詢系統(tǒng)運(yùn)行事件記錄數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了RS485通信接口，與系統(tǒng)觸摸屏連接。DSP的SCI接口外接RS485收發(fā)器ADM2587E。ADM2587E內(nèi)部集成隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，提供2.5 kV信號(hào)和電源隔離、±15 kV ESD保護(hù)，最高數(shù)據(jù)速率500 kb/s，共模瞬變抗擾度>25 kV/μs，本文中配置為半雙工模式。該器件具有電流限制和熱關(guān)斷功能，以防出現(xiàn)輸出短路和總線競爭可能導(dǎo)致過度功耗的情況。如圖4所示，L1為共模電感，能夠衰減共模干擾;C1、C2為濾波電容，給干擾提供低阻抗的回流路徑;D1、D2、D3為TVS，抑制瞬變和浪涌干擾。

2.2? ? 開關(guān)量輸入信號(hào)采集電路

開關(guān)量采集電路是將斷路器、接觸器等設(shè)備的輔助觸點(diǎn)類無源開關(guān)信號(hào)送入DSP，如圖5所示。為保證在工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境下系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，輸入信號(hào)經(jīng)EMC處理，以提高抗干擾能力，再經(jīng)光耦隔離、濾波、波形整形，然后通過具有三態(tài)輸出的電平轉(zhuǎn)換收發(fā)器SN74ALVC164245連接DSP數(shù)據(jù)總線XD[0：15]。接觸器等設(shè)備機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)在動(dòng)作過程中存在抖動(dòng)，為確保開關(guān)量采集的準(zhǔn)確性需在DSP程序中對(duì)開關(guān)量進(jìn)行防抖處理。

2.3? ? 開關(guān)量輸出電路

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)邏輯控制單元采集系統(tǒng)運(yùn)行所需的各個(gè)設(shè)備信息，經(jīng)過邏輯分析和判斷，以開關(guān)形式輸出控制信號(hào)，控制系統(tǒng)本地設(shè)備并與DCS通信，使系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行。

圖6所示為開關(guān)量輸出電路，DSP輸出信號(hào)經(jīng)觸發(fā)器鎖存、光耦隔離后驅(qū)動(dòng)三極管控制繼電器線圈。由上文可知，在DSP復(fù)位和上/下電時(shí)SN74ACT574輸出為高阻，則光耦U2的原邊開路，副邊的三極管截止，因此三極管T1的基極為低電平，繼電器U3的線圈無驅(qū)動(dòng)電流，其輸出開路，這是一確定狀態(tài)，從而避免了繼電器在上下電時(shí)誤動(dòng)作。二極管D1用于繼電器的驅(qū)動(dòng)線圈在關(guān)斷時(shí)續(xù)流。圖6中光耦實(shí)現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換以及高、低壓的電氣隔離，繼電器在提供大負(fù)載能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)與外部強(qiáng)電的隔離，提高了DSP系統(tǒng)抗干擾能力。

3? ? 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

邏輯單元軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序用于上電初始化和循環(huán)進(jìn)行通信接收處理、運(yùn)行事件緩存寫入FLASH。中斷服務(wù)程序?yàn)镃PU定時(shí)器周期中斷和通信接收中斷。

3.1? ? 主程序

系統(tǒng)上電后進(jìn)入主程序，總體流程圖如圖7所示。進(jìn)入主程序先關(guān)閉看門狗，接著進(jìn)行系統(tǒng)初始化，關(guān)全局中斷、外設(shè)中斷設(shè)置、外設(shè)初始化、軟件相關(guān)初始化、同步RTC時(shí)間、啟動(dòng)定時(shí)器、記錄上電事件信息，再使能外設(shè)中斷、全局中斷、使能看門狗，最后進(jìn)入主循環(huán)。通信接收處理包括串口通信處理和CAN通信處理，前者是指判斷通信接收狀態(tài)和對(duì)在通信接收中斷服務(wù)程序中存儲(chǔ)的報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如設(shè)置時(shí)間、查詢事件信息，并根據(jù)需要調(diào)用發(fā)送程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答和數(shù)據(jù)傳送;后者是根據(jù)標(biāo)志位啟動(dòng)CAN發(fā)送程序，標(biāo)志位和郵箱數(shù)據(jù)在0.5 ms定時(shí)器中斷更新和設(shè)置。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)因其電壓高的特點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，而寫FLASH速度相對(duì)較慢，特別是在故障時(shí)短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，為提高處理速度，在記錄運(yùn)行事件數(shù)據(jù)時(shí)先將數(shù)據(jù)放入RAM內(nèi)，然后在主程序中把新數(shù)據(jù)寫入FLASH。

3.2? ? 定時(shí)器中斷服務(wù)程序

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)開關(guān)量采集、輸出的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性都有較高要求，應(yīng)在準(zhǔn)確的前提下提高實(shí)時(shí)性，避免誤判和誤動(dòng)作。為提高開關(guān)量變位時(shí)間分辨率，本文設(shè)置CPU定時(shí)器中斷周期為0.5 ms。如圖8所示，首先在ISR內(nèi)進(jìn)行軟件計(jì)時(shí)，提高緩存運(yùn)行事件時(shí)讀取時(shí)間數(shù)據(jù)的速度，接著讀取開關(guān)量并進(jìn)行防抖處理，以提高準(zhǔn)確性，再綜合信息進(jìn)行邏輯分析與判斷，對(duì)判斷結(jié)果以繼電器通斷方式輸出，然后判斷運(yùn)行事件變化并進(jìn)行緩存，最后以最新數(shù)據(jù)更新CAN發(fā)送郵箱并設(shè)置發(fā)送標(biāo)志位。

4? ? 結(jié)語

開關(guān)量信號(hào)的檢測、控制、記錄與查詢，對(duì)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)十分重要，本文中的邏輯控制單元已在電力、化工等行業(yè)投入使用，各項(xiàng)性能指標(biāo)皆達(dá)到原設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行可靠，狀況良好，特別是運(yùn)行事件記錄與查詢?cè)诠收戏治鲋邪l(fā)揮了關(guān)鍵、高效的作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Texas Instruments Incorporated.TMS320F2833x/TMS320F-

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[2] Texas Instruments Incorporated.TMS320x2833x，TMS320x-

2823x Technical Reference Manual[EB/OL].[2020-08-20]. https：//www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/sprui07.

收稿日期：2020-08-25

作者簡介：畢濤（1983—），男，江蘇南京人，碩士，工程師，研究方向：電力自動(dòng)化計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。