基于μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)的AMP板卡設計

千佳琦

（西安翔迅科技有限責任公司，陜西西安，710000）

0 引言

軌道交通是一個國家重要的基礎設施組成，影響著國家的經(jīng)濟發(fā)展。我國現(xiàn)有軌道電通系統(tǒng)中電力機車與內(nèi)燃機車并存，其中絕大多數(shù)為電力機車。AMP 作為電力機車中的重要設備，目前技術(shù)仍不開放，設備從不進行更新?lián)Q代，所使用的芯片老舊，處理能力較為落后，價格居高不下，不利于降低成本。目前主流處理器，無論從安全性，穩(wěn)定性，使用年限，價格以及運行速度上均有較大提升，通過設計研發(fā)AMP 板卡能夠有效降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性與安全性，降低設備故障頻率，對車載設備的發(fā)展有積極意義。

1 模擬監(jiān)測保護裝置AMP

模擬監(jiān)測保護單元AMP1 和AMP2是專門用于網(wǎng)側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電流監(jiān)測和保護的專用控制裝置。當網(wǎng)側(cè)電壓偏離允許值或網(wǎng)側(cè)電流的有效值或浪涌值在一定時間內(nèi)超過保護極限值時，AMP 串連在主斷路器線圈中的觸點將被打開，直接以硬線方式實現(xiàn)快速跳主斷，同時 MVB 網(wǎng)絡將此信息通知機車微機控制系統(tǒng)VCU，完成在微機顯示屏上的故障信息顯示。機車控制系統(tǒng)VCU 通過控制AMP，實現(xiàn)對機車主斷路器的開閉控制。網(wǎng)側(cè)電路見圖1。

圖1 網(wǎng)側(cè)電路

1.1 模擬量測量

AMP 針對不同的傳感器信號（主要指的是電壓和電流傳感器提供的電壓和電流信號）提供了一套模擬量輸入通道，這些模擬量輸入信號在AMP 內(nèi)部被整流和濾波之后，再通過機車總線MVB 的數(shù)據(jù)傳輸接口提供給機車微機控制系統(tǒng)VCU，進而對機車進行控制（總的來說AMP 共有4 個模擬量輸入通道，2 個數(shù)字量輸出通道）。

1.2 機車保護

被測量出來的模擬量的值可以被用作保護功能，如果其值高過管理者所設定的值時，供電電路將被切斷。這項功能由AMP 自主完成，與機車微機控制系統(tǒng)VCU 無關(guān)。

1.3 干擾電流的測量

AMP 通過內(nèi)部的帶通濾波器來測量線路電流中特定頻率的干擾電流，并將測量的值發(fā)往VCU 進行進一步處理。

2 處理器選擇

處理器需要具備的條件有：能夠運行μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)；具有至少一路SPI 總線；具有至少一路AD 采集接口；具有至少一路UART 接口；具有外部總線可訪問外部并行設備；可在列車上的惡劣環(huán)境使用，電磁干擾，震動干擾等；工作溫度范圍：-40℃～+105℃。

可選取市場上成熟的低成本處理器如stm32f4 系列。stm32f429 基于ARM? Cortex?-M4 架構(gòu)，具有硬件浮點執(zhí)行單元，具有豐富的產(chǎn)品線。在高達180 MHz 的工作頻率下通過閃存執(zhí)行時其處理性能達到225 DMIPS/608 CoreMark，這是迄今所有基于Cortex-M 內(nèi)核的微控制器產(chǎn)品所達到的最高基準測試分數(shù)。具有多達20 個通信接口（包括4 個USART、4個速度達11.25 Mbit/s 的UART、6 個速度達45 Mbit/s 的SPI、3 個具有新型可選數(shù)字濾波器功能的I2C、2 個CAN、SDIO），具有兩個12 位DAC，三個速度可達2.4 MSPS 或7.2 MSPS（交錯模式下）的12 位ADC，并有多達17 個定時器：16位和32 位，工作頻率可達180 MHz，具有512KB～2MB Flash。具有256KB SRAM。溫度可選范圍-40～105℃，支持μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)，stm32f4 系列硬件引腳兼容，以便于日后升級硬件。

3 主控板硬件設計

AMP 模塊主要用來測量傳感器過來的交流和直流電壓和電流信號，監(jiān)測過載或者干擾，并且提供保護電路來關(guān)斷功率電路。AMP 板卡硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 AMP 板卡硬件結(jié)構(gòu)

AMP 板卡硬件主要包括以下幾個部分：

(1)模擬量輸入功能（4 路）；

(2)模擬量峰值判斷；

(3)模擬量均值判斷；

(4)頻率量采集；

(5)數(shù)字量輸出（兩路主斷控制，一路跳開，一路閉合）；

(6)+15v 電壓監(jiān)視；

(7)蓄電池電壓測量；

(8)故障報警繼電器輸出；

(9)RS232 接口1 路；

(10)通信板狀態(tài)指示燈；

(11)MVB 設備地址配置硬線（8bit）；

(12)可編程邏輯接口（FPGA）；

(13)看門狗及電壓監(jiān)視。

4 μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)的特點

μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)是一個可裁剪、可固化、可剝奪的占先式實時多任務系統(tǒng)，是μC/OS 的第三代內(nèi)核，彌補了μC/OS-Ⅱ?qū)θ蝿諗?shù)量的限制，以及不支持任務時間片輪轉(zhuǎn)的缺陷，同時優(yōu)化了內(nèi)存管理。它具有可剝奪多任務管理，同優(yōu)先級任務的時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，極短的關(guān)中斷時間，任務數(shù)目不受限制，優(yōu)先級數(shù)量不受限制，內(nèi)核對象數(shù)目不受限制，軟件定時器，同時等待多個內(nèi)核對象，直接向任務發(fā)送信號，直接向任務發(fā)送消息，任務寄存器，任務級時鐘節(jié)拍處理，防止死鎖，時間戳等眾多功能。μC/OS-Ⅲ發(fā)布至今已經(jīng)移植到了幾乎所有知名的CPU 上，它具有良好的穩(wěn)定性和可靠的安全性，有豐富的資料可以查閱，可十分便捷的開發(fā)新應用。μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 μC/OS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 AMP 板卡運行狀態(tài)

AMP 板卡有四種運行狀態(tài)。分別為配置狀態(tài)、操作狀態(tài)、隔離狀態(tài)、觸發(fā)狀態(tài)。通過VCU 命令來控制進入哪種狀態(tài)。AMP 上電默認處于配置狀態(tài)，此時從MVB 總線讀取電流和電壓保護參數(shù)，接收到啟動指令后進入操作狀態(tài)。AMP 處于操作狀態(tài)之時，按配置參數(shù)對電流和電壓進行監(jiān)測，如檢測到任何電壓或電流故障則上報故障狀態(tài)，進入觸發(fā)狀態(tài)。AMP處觸發(fā)狀態(tài)時，向VCU 發(fā)送觸發(fā)信息，等待VCU 指令，VCU 可將AMP 重新設置為操作狀態(tài)或者為隔離狀態(tài)；當MVB 總線超時時，AMP 自行進入隔離狀態(tài)；VCU 也可直接將其設置為隔離狀態(tài)。AMP 處于隔離時，AMP 只能等待VCU 將其重新設為配置狀態(tài)。AMP 四種狀態(tài)切換見圖4。

圖4 AMP 狀態(tài)

6 基于μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)的AMP 板卡

AMP 軟件主要實現(xiàn)的功能包括：MVB 設備地址配置與通信功能；蓄電池電壓監(jiān)測；shell 交互終端設計；模擬量采集與輸出功能；與邏輯處理器FPGA 通信功能；設備指示燈以及看門狗喂狗；AMP 運行狀態(tài)切換功能。

由于AMP 板卡軟件比較復雜，在軟件設計之初應先設計主題執(zhí)行框架。之后對功能逐一進行分解，單個功能分別實現(xiàn)后再加入到整體框架之中進行聯(lián)調(diào)。AMP 板卡軟件結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 AMP 板卡軟件結(jié)構(gòu)

7 結(jié)束語

AMP 板設計設計難點體現(xiàn)在于AMP 有配置狀態(tài)、操作狀態(tài)、隔離狀態(tài)和觸發(fā)狀態(tài)四種狀態(tài)，四種狀態(tài)間可由自身控制進行切換，也可由VCU 通過MVB 總線發(fā)送指令進行切換，AMP 所處的各種狀態(tài)所實現(xiàn)的功能各不相同，設計時要趙忠考慮整體框架的設計。該設備的成功研制有利于降低產(chǎn)品成本，增加可選產(chǎn)品種類，提高主機廠的利潤水平。