電力電子裝置在調(diào)試和研發(fā)的過程中，需要經(jīng)常性地改動相關(guān)的控制參數(shù)，同時需要實時監(jiān)測裝置運行過程中的各關(guān)鍵點處的電量波形?，F(xiàn)在的電力電子裝置，其控制板的主控芯片通常采用 DSP（數(shù)字信號處理器），由于其硬件條件的限制，進行控制參數(shù)（如 PID的各控制系數(shù)）的修改時，往往需要不斷地更改和燒寫程序，很難實時地在線進行參數(shù)修改，同時也很難向裝置發(fā)送復(fù)雜的控制指令；另外，現(xiàn)在裝置的調(diào)試過程中，在需要監(jiān)測相關(guān)點處的電量波形時，往往采用多通道隔離示波器進行。這一方面大大增加了裝置的研發(fā)成本，同時由于示波器的通道數(shù)有限，不能隨時增加和變更所監(jiān)測的波形點，另外示波器的探頭受到電磁兼容性的制約，長度有限，調(diào)試時使用起來也造成了很多不便。
筆者所在的課題組承擔(dān)了 100%低地板輕軌車的研制任務(wù)，在裝置的開發(fā)過程中，由于前述的原因，需要開發(fā)一款用于參數(shù)設(shè)定、裝置控制和實現(xiàn)模擬波形輸出的通用控制器。該控制器利用裝置所支持的通訊協(xié)議向裝置發(fā)送命令以及進行參數(shù)的在線修改，同時實時查看裝置的工況，接收裝置發(fā)送的數(shù)字量和數(shù)字化的模擬量等運行數(shù)據(jù)。此外，控制器具有多路 DA輸出,在 DA輸出端接上示波器就可以通過按鍵選擇查看遠(yuǎn)程裝置上模擬量的基本情況，以實現(xiàn)示波器的遠(yuǎn)距離電量監(jiān)測?？刂破骺梢造`活更改各 DA通道所對應(yīng)的電量，大大增加了示波器采樣通道的利用率。在通訊協(xié)議上，控制器支持 RS232、RS485、CAN總線和以太網(wǎng)協(xié)議以最大限度地滿足不同裝置的通訊需求。同時，控制器對于相關(guān)裝置所發(fā)送過來的數(shù)字量參數(shù)，可以使用液晶進行實時顯示。對于數(shù)字化的模擬量參數(shù)，控制器一方面可以實時計算出其平均值、有效值等特征量使用液晶單元進行顯示，另一方面可通過 8路 DA轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換后輸出到示波器的采樣通道進行顯示?？刂破鞯囊壕卧陲@示數(shù)據(jù)時，可以自動根據(jù)該數(shù)據(jù)的大小決定其小數(shù)部分的位數(shù)，以始終保留 4位有效數(shù)字。所有相關(guān)的參數(shù)設(shè)置和接收到的數(shù)據(jù)，控制器均可以儲存到鐵電存儲器中，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，方便下次繼續(xù)使用。
2 控制器的硬件組成及功能
通用控制器系統(tǒng)硬件組成如圖 1所示。

     其中，控制器的 CPU單元采用 TMS320C28X系列中的 DSP2812，它具有串行外圍接口（SPI）、兩個串行通信接口（ SCIs）、改進的局域網(wǎng)絡(luò)（ eCAN）、多通道緩沖串行接口（McBSP）。DSP2812主頻高，能夠滿足通用控制器的通訊速率，同時可以很好地支持通用控制器所需要的 RS232、RS485、CAN總線、以太網(wǎng)、 DA轉(zhuǎn)換等外圍設(shè)備，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。
     系統(tǒng)中的液晶顯示單元采用 LCM128645ZK型中文液晶顯示模塊。該模塊電源操作范圍寬（2.7V to 5.5V），其低功耗設(shè)計可滿足產(chǎn)品的省電要求；同時，模塊與微控器的接口界面靈活（三種模式：并行 8 位/4位，串行 3 線/2線），可實現(xiàn)漢字、 ASCII 碼、點陣圖形的同屏顯示, 支持所有的主流液晶操作指令，預(yù)留多種控制線（復(fù)位/串并選擇/亮度調(diào)整）供用戶靈活使用。DSP2812使用通用 I/O口與 LCM128645ZK進行通訊，發(fā)送相關(guān)的控制指令和數(shù)據(jù)控制其執(zhí)行相應(yīng)的操作。
     控制器所包括的功能鍵，包括頁面和菜單項的向上/向下移動、參數(shù)數(shù)據(jù)的增加/減少、當(dāng)前參數(shù)的修改 /確認(rèn)、系統(tǒng)各項功能的選擇等。按鍵采取行列掃描方式進行排列。在掃描按鍵時，先進行行掃描，再進行列掃描。通過行列掃描的結(jié)構(gòu)共同判定當(dāng)前是哪個按鍵被按下。同時，通過軟件實現(xiàn)了按鍵消抖，提高了操作的準(zhǔn)確性和可靠性。按鍵與 DSP2812的 I/O接口相連，最大可擴展為 16個（4*4）按鍵陣列，以滿足各項操作的要求。
     D/A轉(zhuǎn)換選擇了 12位 8路的 DA芯片 AD5328，其 DAC更新速率為 167ksps，DAC設(shè)置時間為 6μs，DAC形式為電壓型。DA轉(zhuǎn)換器通過 DSP2812的 SPI總線進行數(shù)據(jù)交互，并用 DSP的 2個 I/O接口與之相連作為控制信號。
     RS232通訊模塊使用 MAX232作為總線的接口芯片，與 DSP的 SCI接口相連。 RS232主要用于控制器與 PC機之間的通訊及實現(xiàn) DSP程序的遠(yuǎn)程燒寫。
     RS485通訊模塊使用 MAX485作為總線的接口芯片，與 DSP的 SCI接口相連。模塊內(nèi)部采用了 HCPL2610高速隔離光耦用作電平轉(zhuǎn)換和信號隔離，模塊的輸出側(cè)裝設(shè)了的防過壓涌流和抗干擾電路，以提高通訊的可靠性。
      CAN通訊模塊選用了 DSP2812的增強型區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制器（ eCAN），與現(xiàn)行的 CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)兼容。它可強電子噪聲的環(huán)境中與其他控制器可靠地進行通訊。借助 32個完全可配置的郵箱和時間標(biāo)志特性，eCAN模塊提供了一種具有通用性和魯棒性的串行通信接口。
      以太網(wǎng)通訊模塊選用 LAN91C111作為控制芯片，使用數(shù)據(jù)線、地址線以及 I/O口與DSP2812相連接。 LAN91C111的主要功能如下：自適應(yīng)的傳輸速率，支持 100M／10Mbps；支持突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸；8kb的內(nèi)部存儲器件用于接收和發(fā)送的緩存；支持 8位，16位，32位的數(shù)據(jù)傳輸方式；提前發(fā)送和接收功能。
     除此之外，我們還選用鐵電存儲器 FRAM，通過 I/O接口擴展了 DSP 2812的 RAM。 TMS320F2812內(nèi)部已經(jīng)集成了 18KB的 RAM，對于一般的應(yīng)用來說，已經(jīng)無須再擴展外部 RAM。片內(nèi) RAM能以 150MIPS的速度進行訪問，在對運算速度要求很高的處理程序中，通常將經(jīng)常訪問的程序段放到內(nèi)部 RAM中運行，這樣能大大提高運行速度。而本系統(tǒng)是一個網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，將來會用于進行大量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，因而應(yīng)外擴 RAM作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。RAM選用 Ramtron公司的FRAM，F(xiàn)RAM具有 RAM和 ROM優(yōu)點，讀寫速度快，并可以像非易失性存儲器一樣使用。
通用控制器的實物圖如圖 2所示。

3 控制器的軟件設(shè)計
    實際使用過程中，下級電力電子裝置的通訊協(xié)議可以選擇 RS232/RS485/CAN/以太網(wǎng)中的任意一種。圖 3為使用控制器時，某電力電子裝置系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
    如圖 3所示，系統(tǒng)由主控單元 MCU和輔助控制單元 ACU組成，其中 MCU使用 2個 DSP作為主控芯片。圖中每個 DSP都配置了相應(yīng)的通訊模塊。用戶需要對 MCU或 ACU的相應(yīng)參數(shù)進行高采樣頻率的實時監(jiān)測時，通過控制器的以太網(wǎng)接口使能目標(biāo)單元中的以太網(wǎng)模塊，該模塊即可以通過以太網(wǎng)開始向控制器傳輸指定的參數(shù)和數(shù)據(jù)。圖中使用控制器的 CAN通訊接口連接了 MCU和 ACU的內(nèi)部 CAN控制網(wǎng)絡(luò)，進行控制指令的發(fā)送、相關(guān)運行參數(shù)的查看和設(shè)置、系統(tǒng)控制過程中時間和指令的同步以及發(fā)送周期性的心跳幀進行系統(tǒng)通訊狀態(tài)的判斷，同時 CAN網(wǎng)絡(luò)也可以傳輸某些低采樣頻率的運行數(shù)據(jù)。圖中的 RS485總線作為備用通訊總線，在 CAN總線出現(xiàn)故障時投入運行。
3.1 系統(tǒng)總體軟件流程
    根據(jù)上述的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可設(shè)計系統(tǒng)總體軟件流程，系統(tǒng)的軟件流程如圖 4所示。
    系統(tǒng)首先上電初始化，初始化后系統(tǒng)先對 CPU和液晶進行初始化，設(shè)置必要的寄存器，清空液晶的顯示數(shù)據(jù)，使其進入相應(yīng)的工作方式。
程序中每隔 10ms對按鍵掃描一次，檢查是否有鍵按下，如果有按鍵按下，則根據(jù)預(yù)先確定的工作時序控制液晶的顯示，實現(xiàn)頁面的翻轉(zhuǎn)、菜單項的移動、相關(guān)參數(shù)的修改和顯示等功能。通訊數(shù)據(jù)的接收是通過相應(yīng)通訊接口的標(biāo)準(zhǔn)位查詢或接收中斷進行的。
 
圖4 系統(tǒng)的軟件流程圖                圖 5 CAN通訊子程序流程圖

3.2 CAN通訊實現(xiàn) 
    控制器的軟件設(shè)計涉及到基于 RS232總線、RS485總線、CAN總線以及以太網(wǎng)等 DSP數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計，限于篇幅考慮，現(xiàn)僅簡單介紹一下 CAN通信的實現(xiàn)，其他通訊協(xié)議的實現(xiàn)與之原理大致相同。
   主程序中進入相應(yīng)的通訊模塊后，調(diào)用子程序，進行數(shù)據(jù)傳輸。子程序流程圖如圖 5所示。
    初始化 CAN模塊,使能 CAN模塊時鐘,設(shè)置波特率及發(fā)送接收郵箱標(biāo)識符,配置發(fā)送接收郵箱指向及字節(jié)數(shù),使能所有郵箱。
判斷是否需要發(fā)送數(shù)據(jù)，如現(xiàn)在模式為向目標(biāo) DSP發(fā)送命令或者發(fā)送更改的參數(shù),則進入發(fā)送數(shù)據(jù)程序,清除所有發(fā)送郵箱的發(fā)送響應(yīng)位,把命令或參數(shù)數(shù)據(jù)寫入郵箱數(shù)據(jù)區(qū) ,置位發(fā)送請求寄存器中的響應(yīng)標(biāo)志來啟動消息發(fā)送,直到相應(yīng)郵箱的發(fā)送響應(yīng)標(biāo)志被置位。
     如果無發(fā)送指令或發(fā)送已完成,則進入接收程序。當(dāng)收發(fā)器接收到總線數(shù)據(jù)時，接收郵箱未決寄存器中的相應(yīng)標(biāo)志位被置位。查詢這一位狀態(tài)，即可判斷是否收到數(shù)據(jù)，讀取接收郵箱里的數(shù)據(jù)后重置接收標(biāo)志 RMP，等待下一次接收。
    接收到數(shù)據(jù)后，數(shù)字量即可在液晶上顯示，模擬量可以通過 DA轉(zhuǎn)換器用示波器觀察。

4 總結(jié)
本文作者的創(chuàng)新點為該通用控制器可以通過 CAN、以太網(wǎng)、RS485、RS232等通訊方式實現(xiàn)對電力電子設(shè)備參數(shù)的修改及設(shè)置，并可通過液晶顯示。經(jīng)過實際的調(diào)試和使用，本文設(shè)計的通用控制器已經(jīng)應(yīng)用于某牽引供電系統(tǒng)的電力電子裝置上，運行良好，抗干擾性和可靠性達到了設(shè)計要求。根據(jù)其它電力電子裝置的調(diào)試需求，本通用控制器可以靈活進行更改，操作簡便。