一種基于DSP的直流電源供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為了提高系統(tǒng)電源供電的可靠性和智能化，提出了一種以TI高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812為控制器且基于CAN總線的直流電源供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)詳細(xì)討論了基于CAN總線的系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)和調(diào)試方法。
關(guān)鍵詞：DSP；直流電源；CAN總線；參數(shù)采集

O 引言
    電源在系統(tǒng)中可靠、安全的運(yùn)行離不開(kāi)對(duì)它的實(shí)時(shí)臨測(cè)和控制。為了提高系統(tǒng)供電電源的可靠性，本文以集成有eCAN模塊和ADC采集模塊
的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器作為核心控制器，提出一種直流電源供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)系統(tǒng)電壓、電流參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和
對(duì)過(guò)流、欠壓保護(hù)的快速響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)直流供電的智能化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    實(shí)際系統(tǒng)通常有多路負(fù)載，為研究方便，在此以單路來(lái)進(jìn)行討論。其系統(tǒng)組成如圖1所示。其中電源管理器是該供電系統(tǒng)的控制核心，包括DSP處理器、CAN接口、電流及電壓檢測(cè)電路等。系統(tǒng)上電后，即可對(duì)蓄電池的電壓和電流進(jìn)行不間斷監(jiān)控。混合充電器可接受直流或交流供電輸入，其中：直流來(lái)自車(chē)輛發(fā)電機(jī)組，當(dāng)電源管理器檢測(cè)到車(chē)輛發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)高于某一設(shè)定值時(shí)，即接通繼電器l實(shí)現(xiàn)直流供電，反之則斷開(kāi)；交流供電來(lái)自市電220 V，當(dāng)電源管理器檢測(cè)到市電接入時(shí)，將斷開(kāi)繼電器1以實(shí)現(xiàn)交流優(yōu)先供電。繼電器2作為系統(tǒng)中的控制元件，可在電流傳感器檢測(cè)到系統(tǒng)過(guò)流時(shí)馬上斷開(kāi)。上位機(jī)與電源管理器之間可通過(guò)CAN進(jìn)行通信。系統(tǒng)上電后，可由電源管理器向上位機(jī)發(fā)送電壓、電流信號(hào)的采集信息，同時(shí)，電源管理器可接收來(lái)自上位機(jī)的指令信息。

2 硬件實(shí)現(xiàn)
    本直流電源供電系統(tǒng)的電源管理器采用TMS320F2812為處理器，該芯片是美國(guó)TI公司2000系列的32位低功耗定點(diǎn)DSP，主頻高達(dá)150MHz，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和快速的中斷響應(yīng)能力。TMS320F2812片內(nèi)有128Kxl6位Flash和18Kxl6位高速RAM。片上還集成了豐富的外設(shè)資源，其中包括SPI、SCI、eCAN和MeBSP等串口外圍設(shè)備，以及16通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和56個(gè)獨(dú)立的可編程、多用途的通用輸入輸出接口(GPIO)等。本文用到的資源有eCAN、ADC、CAP和GPIO。

    本系統(tǒng)的硬件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，蓄電池電壓經(jīng)電壓檢測(cè)電路采集后，便可進(jìn)入ADC的CHO通道，蓄電池的電流信號(hào)經(jīng)電流傳感器和信號(hào)調(diào)理電路后即可進(jìn)入ADC的CHl通道；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)由DSP的外設(shè)模塊事件管理器(EV)捕獲單元CAP以實(shí)現(xiàn)采集；DSP內(nèi)嵌的eCAN控制器則可通過(guò)CAN收發(fā)器后與上位機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信控制；另有3路GPIO口分別用于實(shí)現(xiàn)AC220V接入檢測(cè)及繼電器1、繼電器2的通斷控制；其它電路還包括電源、復(fù)位電路和JTAG。下面詳細(xì)討論該系統(tǒng)的參數(shù)采集設(shè)計(jì)和CAN接口設(shè)計(jì)。[!--empirenews.page--]
2．1 參數(shù)采集
    (1)電壓采集
    蓄電池的電壓信號(hào)采集通?？梢杂删€性光耦HCNR201和運(yùn)算放大器LM358P來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具體的電壓采集電路如圖3所示。HCNR201是美國(guó)Ag-
ilent公司生產(chǎn)的高精度模擬光耦，具有成本低、線性度高、穩(wěn)定性高、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，它由一個(gè)高性能的發(fā)光二極管(LED)和兩個(gè)光敏二極管PDl、PD2組成。

   由于這種DSP信號(hào)處理器內(nèi)嵌的ADC采集模塊的信號(hào)輸入幅值范圍為0～3 V，故需將蓄電池的端電壓信號(hào)先經(jīng)電阻R3分壓處理，以保證光耦
輸出的信號(hào)電平符合DSP的輸入要求，在軟件編程時(shí)，再乘以相應(yīng)的倍數(shù)，即可恢復(fù)電壓的原始值。若經(jīng)過(guò)R3后的信號(hào)為Vin，光耦輸出的信號(hào)為Vout，則有：
    Vout=KVinR2／R1 (1)
式中，K為傳輸增益，對(duì)于每一只HCNR201來(lái)說(shuō)，K是恒定的，其值在1+0．05之間，典型值為1?？梢钥闯?，通過(guò)調(diào)節(jié)R1、R2的值可改變?cè)摳綦x電路的增益。本例中，選擇R1=R2，即僅實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的隔離而不放大。Cl、C2作為反饋電容，主要用于信號(hào)濾波，具體參數(shù)的選擇請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)。但在設(shè)計(jì)中要特別注意：必須保證U2、U3是分開(kāi)供電的。
    (2)電流采集

    閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理如圖4所示，它的原邊電流In所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，可通過(guò)一個(gè)副邊線圈的電流Im所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而使霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁芯中達(dá)到平衡時(shí)，即有如下等式：
    NIn=MIm (2)
式中：In為原邊電流；N為原邊線圈的匝數(shù)；Im為副邊補(bǔ)償電流；M為副邊線圈的匝數(shù)。由上式可以看出，在已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)
時(shí)，通過(guò)測(cè)量副邊補(bǔ)償電流Im的大小，即可推算出原邊電流In的值，從而實(shí)現(xiàn)原邊電流的隔離測(cè)量。
    本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)霍爾電流傳感器來(lái)采集蓄電池的電流信號(hào)，該霍爾電流傳感器的輸出信號(hào)Sensor_IN進(jìn)入儀表放大器AD620調(diào)理后，即可進(jìn)入DSP的ADC通道ADC_CHl，圖5所示是其電流采集電路。

    (3)轉(zhuǎn)速采集
    發(fā)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速是一個(gè)近似的正弦信號(hào)，其峰峰電壓值在l～20 V之間。轉(zhuǎn)速信號(hào)采集電路的原理如圖6所示，輸入的轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)整流、限幅并在三極管的開(kāi)關(guān)作用下可變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，然后經(jīng)過(guò)光電隔離后輸入到DSP控制引腳CAP2，即可進(jìn)行捕獲。

2．2 CAN接口
    本系統(tǒng)中的CAN接口電路如圖7所示，其CAN_TX、CAN_RX分別來(lái)自TMS320F2812(176PGF)的腳87和引腳89，設(shè)計(jì)中，需配置該引腳為CAN外設(shè)模式。CTM8251AT芯片內(nèi)部集成有CAN隔離及CAN收發(fā)器件，可將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，且具有高達(dá)DC 2500V的隔離電壓，而且接口簡(jiǎn)單。在輸出信號(hào)CAN_H、CAN-L之間并聯(lián)一個(gè)120 Ω的電阻可進(jìn)行阻抗匹配，以抑制反射波的干涉。

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3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件流程
    本系統(tǒng)的主程序和CAN接收中斷程序流程如圖8所示。工作流程：系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后進(jìn)行上電自檢、初始化設(shè)置，如有故障則進(jìn)行故障排除，無(wú)故障則程序進(jìn)入while循環(huán)，在該循環(huán)內(nèi)進(jìn)行參數(shù)采集、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、負(fù)載開(kāi)機(jī)控制。中斷程序負(fù)責(zé)從上位機(jī)接收CAN數(shù)據(jù)。

3．2 CAN通信設(shè)計(jì)
    TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器所集成的增強(qiáng)型CAN控制器通信接口與CAN2．0B協(xié)議完全兼容，其32個(gè)可以獨(dú)立配置的郵箱及其時(shí)間標(biāo)志特性有力地保證了電磁噪聲環(huán)境下與其他控制器的串口通信能力。

    設(shè)計(jì)中，配置郵箱0為查詢方式發(fā)送，郵箱16為中斷方式接收，數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀(11位ID)格式，相應(yīng)的信息發(fā)送和接收流程如圖9所
示。當(dāng)配置為發(fā)送時(shí)，設(shè)置相應(yīng)郵箱的傳送請(qǐng)求標(biāo)志(TRS)為1啟動(dòng)發(fā)送，當(dāng)相應(yīng)郵箱的傳送應(yīng)答標(biāo)志(TA)置位時(shí)表明發(fā)送數(shù)據(jù)成功，清除應(yīng)
答標(biāo)志TA等待下一次發(fā)送；對(duì)于接收郵箱，每個(gè)郵箱成功接收到信息后，郵箱的接收數(shù)據(jù)懸掛寄存器(RMP)相應(yīng)的位為l并初始化一個(gè)中斷，讀取數(shù)據(jù)后需要清除RMP位。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文基于帶有CAN總線控制器的DSP芯片TMS320F2812設(shè)計(jì)了一種直流電源供電系統(tǒng)，同時(shí)詳細(xì)闡述了該電源供電系統(tǒng)參數(shù)的采集方法和CAN總線接口的設(shè)計(jì)技巧。使用表明，該系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下具有良好的工作性能，可為工程測(cè)量領(lǐng)域提供一種完備的測(cè)試方案，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。