基于嵌入式技術(shù)的整流器控制系統(tǒng)

許敬濤，陳紅波（廣州電器科學(xué)研究院，廣東廣州510300）

基于嵌入式技術(shù)的整流器控制系統(tǒng)

許敬濤，陳紅波（廣州電器科學(xué)研究院，廣東廣州510300）

介紹了以ARM和FPGA等作為硬件基礎(chǔ)，采用μC/OS-II實(shí)時嵌入式系統(tǒng)作為軟件平臺，實(shí)現(xiàn)了可應(yīng)用于電化學(xué)、金屬加工、電子、電力等行業(yè)的整流器控制系統(tǒng)。

整流器；控制系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；ARM；FPGA

數(shù)字式調(diào)節(jié)器大多采用IntelX86系列、DSP系列或多CPU框架結(jié)構(gòu)，存在軟硬件功能欠缺或硬件復(fù)雜的問題。

隨著數(shù)字集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)更新?lián)Q代的周期愈來愈短，集成度愈來愈高，功能愈來愈強(qiáng)大。現(xiàn)場可編程邏輯陣列控制器（FPGA）和以ARM系列單片機(jī)為代表的高性能精減指令架構(gòu)（RISC）處理器日趨完善。這2類器件都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬、功耗低、開發(fā)工具先進(jìn)、開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

在新型控制系統(tǒng)中，采用了ARM+FPGA組合架構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)的需求，充分利用ARM和FPGA的各自優(yōu)勢，配合完成調(diào)節(jié)器功能。ARM指令靈活，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制；FPGA時序控制能力和并行處理能力強(qiáng)，適合固定的算法和時序邏輯處理，可以實(shí)現(xiàn)頻率測量、同步采樣、FFT、同步檢測、脈沖形成和冗余邏輯。這種架構(gòu)組成的系統(tǒng)不僅集成度高、功耗小，脈沖輸出組態(tài)靈活，而且提升了系統(tǒng)的性能和可靠性，降低了系統(tǒng)成本。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 硬件組態(tài)

控制系統(tǒng)可組態(tài)為單通道和雙通道，其模式分別見圖1、圖2。其硬件分別為：1個或2個調(diào)節(jié)通道（含主控板、模擬量板、IO板）；1塊開關(guān)量板；2塊通訊模塊；1套人機(jī)接口單元。

圖1 單通道模式

在雙通道模式中，2個調(diào)節(jié)通道互為熱備用，使用對等冗余技術(shù)。2套調(diào)節(jié)器的冗余接口通過電纜進(jìn)行交叉連接，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行/備用狀態(tài)的自動切換，不需要第3方模塊參與，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通道冗余的前提條件是能夠正確有效地對調(diào)節(jié)器的失效進(jìn)行檢測和處理。調(diào)節(jié)器失效分為以下2種情況。

（1）外部條件不具備。在檢測到外部條件不具備時，系統(tǒng)將設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行級別，由冗余控制邏輯來控制系統(tǒng)進(jìn)行切換或繼續(xù)運(yùn)行。

（2）內(nèi)部系統(tǒng)故障。系統(tǒng)使用了多路電源，1個ARM和1個FPGA以及部分邏輯芯片。在這些器件中，邏輯芯片的故障率最低，如74LCX245為1.4FIT（1FIT表示1 000個樣品工作106 h，只有1個發(fā)生故障），可以認(rèn)為它是可靠的。其他如電源系統(tǒng)故障、ARM和FPGA的失效則需要監(jiān)視。由于沒有第3方監(jiān)視模塊，調(diào)節(jié)器內(nèi)部必須完成實(shí)時監(jiān)視，在發(fā)生任何一個嚴(yán)重故障時，立即退出運(yùn)行。

ARM內(nèi)部集成Watchdog，并周期性輸出信號給FPGA，由Watchdog和FPGA同時監(jiān)視ARM的執(zhí)行，在ARM死機(jī)的情況下，F(xiàn)PGA立即閉鎖信號輸出，自動退出運(yùn)行。

FPGA由ARM和內(nèi)部的監(jiān)視單元同時監(jiān)視，在出現(xiàn)問題時，由CPU或監(jiān)視單位控制置FPGA到復(fù)位狀態(tài)，邏輯電路自動閉鎖輸出。

1.2 調(diào)節(jié)通道

調(diào)節(jié)器的核心是嵌入式ARM處理器和現(xiàn)場可編程邏輯陣列控制器（FPGA）。

ARM處理器采用RISC架構(gòu)，具有體積小、低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點(diǎn)，集成有豐富的外設(shè)，包括存儲器、通訊接口等，第3方開發(fā)工具多，支持嵌入式操作系統(tǒng)。

此系統(tǒng)充分利用ARM處理器的優(yōu)勢，使用它來完成調(diào)節(jié)運(yùn)算和對外通訊。ARM從FPGA讀取開關(guān)量、模擬量，執(zhí)行控制流程，形成控制信號以及通道冗余控制信息，再寫入FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)這些信息，形成脈沖。

FPGA采用Altera公司的EP2C8型芯片，它屬于CYCLONE II系列。其內(nèi)部邏輯可以自由定義，具有精確時序和同步、快速決策及任務(wù)并行執(zhí)行等優(yōu)點(diǎn)。FPGA內(nèi)部集成大容量RAM和多個DSP單元，可以完成高密度的數(shù)字信號處理。利用FPGA的特點(diǎn)，在1個芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個相互獨(dú)立的模塊，所有模塊并行操作。這些模塊包括同步采樣、交流采樣算法、平均值算法、頻率補(bǔ)償、同步接口、同步備用、脈沖形成、通道冗余邏輯等，極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計。FPGA具有良好的可配置特性，不需要修改電路板就可以完成很多功能的調(diào)整，使設(shè)備的升級變得非常容易，也可使控制系統(tǒng)滿足不同行業(yè)整流設(shè)備的要求，比如十二相整流、正負(fù)不對稱脈沖電源等。在該系統(tǒng)的設(shè)計中，F(xiàn)PGA發(fā)揮了非常重要的作用。

1.3 開關(guān)量板

對24 V的輸入信號進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的24 V信號經(jīng)過扁線送給IO擴(kuò)展板，IO擴(kuò)展板上的輸出信號通過扁線到開關(guān)量板，由開關(guān)量板經(jīng)過隔離轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動24 V繼電器輸出。

1.4 通訊模塊

2個通訊模塊實(shí)現(xiàn)的功能一樣，通訊模塊1采集CAN總線上的數(shù)據(jù)后，置于相應(yīng)的寄存器地址中，屏幕可對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作；通訊模塊2采集CAN總線上數(shù)據(jù)，置于相應(yīng)的寄存器地址中，供給外部監(jiān)控使用。2個模塊中的寄存器對應(yīng)的數(shù)據(jù)可根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行變更。

1.5 人機(jī)界面

人機(jī)界面是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器與運(yùn)行操作人員交流的媒介。它負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)故障信息的顯示及用戶操作指令解釋與傳送。人機(jī)界面可以是觸摸屏，也可以是后臺微機(jī)，它們采用相同的連接方式接入控制系統(tǒng)中。

1.6 部分技術(shù)指標(biāo)

低功耗ARM處理器，F(xiàn)PGA具有全并行DSP單元，每秒可完成10萬次FFT；A/D轉(zhuǎn)換分辨率達(dá)16位，12通道，量程±12 V，采樣頻率200 kHz/通道；具有48路光隔離開關(guān)量輸入，32路繼電器輸出；2路DA輸出，分辨率12位，電壓范圍0～24 V；可控硅控制角分辨率為0.002 7；移相范圍為0～180°。

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序任務(wù)2個部分。為了保證多個任務(wù)實(shí)時運(yùn)行，本系統(tǒng)采用了μC/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)作為軟件平臺。

2.1 μC/OS-II

μC/OS-II是可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，已在工控行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。μC/OS-II的源代碼完全開放，它面向嵌入式應(yīng)用，其大部分源代碼用可移植性的C語言編寫，在設(shè)計之初，就充分考慮了可移植性。

以嵌入式處理器為中心搭建好硬件電路時僅提供了裸機(jī)運(yùn)行平臺，要使整個系統(tǒng)有限的硬件資源充分利用起來，還需要嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）的軟件支持。之所以在控制器中應(yīng)用實(shí)時操作系統(tǒng)，是因?yàn)镽TOS將應(yīng)用分解成多個任務(wù)，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè)計；RTOS也使控制系統(tǒng)的實(shí)時性得到保證，可以接近理論水平；良好的多任務(wù)設(shè)計，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2.2 應(yīng)用程序任務(wù)

應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)、調(diào)試接口以及邏輯控制等功能。應(yīng)用程序中包含通訊接口（串行口、CAN）的驅(qū)動功能，負(fù)責(zé)各種狀態(tài)信息的整理。

（1）閉環(huán)調(diào)節(jié)

根據(jù)工作模式實(shí)現(xiàn)正向、反向閉環(huán)控制，峰值、谷值閉環(huán)控制。

（2）調(diào)試接口

提供和調(diào)試軟件的接口。PC通過該接口完成系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整、功能測試、狀態(tài)監(jiān)測、示波器等任務(wù)。調(diào)試接口是控制系統(tǒng)性能參數(shù)調(diào)整的功能最完整的接口，供生產(chǎn)廠家與高級用戶使用。

（3）過程控制邏輯

根據(jù)運(yùn)行操作人員設(shè)置的工作模式、工藝曲線參數(shù)，控制整流設(shè)備輸出。

軟啟動/軟停機(jī)過程的定時給定調(diào)節(jié)；根據(jù)α角自動調(diào)節(jié)有載開關(guān)檔位；自動/手動跟蹤與切換；直流反饋故障時自動切換到交流反饋；根據(jù)故障等級發(fā)出報警、封鎖脈沖、跳高壓開關(guān)等動作信號；A/B通道跟蹤與切換。

（4）定時中斷任務(wù)

定時中斷服務(wù)程序通過信號量控制主調(diào)節(jié)任務(wù)的執(zhí)行，定時間隔即為調(diào)節(jié)周期。由于調(diào)節(jié)任務(wù)是獨(dú)立的任務(wù)，只能由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度，調(diào)節(jié)任務(wù)同定時器之間需要通過信號量完成同步。

（5）通訊任務(wù)

通訊任務(wù)包括RS232串行口和CAN 2種不同方式的接口實(shí)現(xiàn)。其中，串行口用于和調(diào)試軟件的連接，提供控制系統(tǒng)全部功能控制接口；CAN口用于同控制系統(tǒng)其他網(wǎng)絡(luò)器件交換信息，提供狀態(tài)采集與部分控制功能接口。

3 脈沖組態(tài)

系統(tǒng)提供12路脈沖輸出，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求靈活組態(tài)。對于簡單的6脈波、12脈波、正反向6脈波均可以十分容易地實(shí)現(xiàn)，并可以根據(jù)需要提供單向疊加脈沖波形和正反向快速脈沖波形。

4 結(jié)語

基于嵌入式技術(shù)的整流器控制系統(tǒng)充分利用了微電子領(lǐng)域的前沿技術(shù)和嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的優(yōu)勢。在硬件設(shè)計上，采用RISC結(jié)構(gòu)的微處理器+大規(guī)模可編程邏輯器件模式，一方面，使硬件電路具有較強(qiáng)的可重塑性和廣泛的適應(yīng)性，另一方面，減小電路功耗，提高集成度和可靠性；在軟件設(shè)計上，采用嵌入式操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，完善多任務(wù)運(yùn)行機(jī)制，提高系統(tǒng)實(shí)時性和軟件運(yùn)行可靠性。

Rectifier control system based on embedded technology

XU Jing-tao,CHEN Hong-bo
(Guangzhou Electric Apparatus Research Institute,Guangzhou 510300,China)

The rectifier control system that was applied in electrochemistry industry and metal working, electronics and power industry was introduced,which was ARM and FPGA as the hardware basis and μC/ OS-Ⅱreal time embedded technology as software platform.

rectifier;control system;embedded system;ARM;FPGA

TM461

B

1009－1785(2010)10－0001-03

2009-09-16