基于TMS320LF2812A的側拉門控制器研究

仇維斌，嚴 巖，黃巧亮，歐紅香

● （1.今創集團股份有限公司，江蘇常州 213102；2.江蘇科技大學，江蘇鎮江 212003；3.常州大學，江蘇常州213164）

基于TMS320LF2812A的側拉門控制器研究

仇維斌1，嚴 巖2，黃巧亮2，歐紅香3

● （1.今創集團股份有限公司，江蘇常州 213102；2.江蘇科技大學，江蘇鎮江 212003；3.常州大學，江蘇常州213164）

針對動車組氣動側拉門硬線控制的不足，開展了基于TMS320LF2812A的側拉門控制器的研究。分析了該門控制器的硬件框圖、原理圖以及軟件控制算法，對外部硬線信號的監控以及當前門狀態的分析進行開關門動作。同時采用敏感膠條檢測法和時間檢測法對障礙物進行檢測。可靠的硬件結構及增強的狀態機算法，實現了可靠的側拉門控制。結果表明，該設計魯棒性強，能滿足系統要求。

門控制器；TMS320F2812A；PTE

0 引言

隨經濟發展，我國的鐵路先后迎來了幾次大提速，這對客車的安全性要求提出了更大挑戰。動車組氣動側拉門控制系統作為鐵道客車最重要的組成部分之一，自然對它的安全性，也提出了更高要求[1]。目前動車組氣動側拉門一般都由硬線信號直接控制，而硬線控制只能機械地執行開關門及壓門動作，不能將門狀態反饋到司機室的顯示屏上進行監控。此外，當關門遇到障礙物時，也不能做出相應的開門動作，無法防止車門夾人的事件發生，這很難滿足鐵道客車對安全性的要求。針對這些不足之處，本文給出了一種新型的側拉門控制器(下文簡稱為DCU)。

本文給出的DCU作為側拉門控制系統的一個主要部件，接收來自硬線的控制命令并控制相關繼電器的動作，從而執行開關門及壓門動作。在關門遇到障礙物時，能作出相應的開門動作及聲光報警。同時通過SPI串口通訊，將系統參數以及系統故障存于外擴的存儲芯片中，以便需要時進行讀取。此外門控器也可與 TCMS(Train Control and Management System，列車控制和管理系統)進行數據通訊，將門系統的運行狀態、系統參數以及實時故障反饋到司機室的顯示界面上[2]。

DCU的可靠性將極大決定了整個氣動側拉門控制系統的可靠性。為滿足鐵路運行的復雜干擾環境，本次研究在硬件架構及軟件算法的設計方面充分考慮了電磁兼容性，以保證DCU運行的可靠性。

1 系統功能

1.1 功能要求

作為門系統的核心部件，DCU具有以下主要功能：

1）接收硬線開關門指令、壓門指令、5km/h信號、關門到位信號、敏感膠條受壓信號，并在檢測到障礙物情況下輸出開門命令及音響控制命令。

2）設計PTE(Portable Test Equipment，手持式測試設備)軟件，通過PTE軟件可對DCU內部參數進行設定、讀取門的狀態、查詢門的故障情況等。

3）DCU內部存儲關門受阻時重關門延遲時間和重關門次數等參數，這些參數都能根據實際情況，通過 PTE軟件作出適當調整。

4）與TCMS進行數據通訊，將門的狀態信息、系統參數以及門的故障事件反饋到司機室的顯示屏上，以便司機實時了解門系統的狀況。

5）軟件具有自診斷能力。

1.2 控制原理

在本設計中，采用DCU與硬線相冗余的方式實現對氣動側拉門的控制，從而滿足鐵道客車對安全性的要求[3]。在正常情況下，DCU內的開門繼電器不得電，此時開關門命令完全由來自司機室的硬線信號控制。僅當DCU檢測到障礙物后，線路板上的開門繼電器線圈才得電，輸出開門信號，同時音響控制繼電器線圈得電，發出聲光(音響)信號。當發生諸如DCU電源故障、CPU損壞、內部系統故障等情況時，來自硬線的開關門命令、壓緊命令還能不經過DCU直接控制門的開關，系統僅喪失障礙物檢測功能部分。

為防止輸入信號故障而導致車門誤動作，DCU同時接收列車5km/h信號，當列車時速高于5km/h時，DCU不執行任何動作。控制系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 控制系統硬件框圖

2 DCU硬件電路設計

為了保證DCU硬件的可靠性，設計了信號采集電路、電源調理電路對輸入DCU的信號和電源進行處理。同時,通過RS485模塊實現通信電平的隔離，以避免外部電平變動對DCU內部硬件電路的影響。此外，考慮到鐵路運行的復雜干擾環境，本設計采用抗干能力強的DSP芯片來作為本DCU的處理器。

2.1 TMS320F2812A芯片簡介

TMS320F2812A是TI公司主推的一種高性能、低價格和低功耗的DSP處理器，它具有如下特點：1）處理速度達到150MIPS，具有很好的數字處理能力。2）內部具有兩套互相獨立的事件管理器，每套都包含：兩個16位通用定時器，8個16位的PWM通道。

3）高性能的12位ADC的轉換時間為80ns，提供多達16路的模擬輸入。

4）內部集成串行通信接口SCI及同步串行外圍的接口SPI，集成了增強型的局域網絡控制器eCAN和多通道緩沖串行端口McBSP[4]。

氣動側拉門控制系統是在公眾場合下應用的一種要求高度安全、高可靠性的部件，而TMS320F2812A是一款針對工業控制領域的數字信號處理器。所以本設計采用TMS-320F2812A作為控制器的核心單元無論在控制實時性還是可靠性方面都能得到保證。

2.2 DCU硬件設計

2.2.1 DCU 硬件電路原理框圖

DCU硬件電路以集成有RAM、SCI、數字I/O、SPI等資源的TMS320F2812A控制器為核心部件，并外擴時鐘芯片、EEPROM等資源[5]，硬件框圖如圖2所示。

圖2 DCU硬件框圖

1）PTE單元和TCMS單元通過RS485模塊進行電平隔離及轉換后通過SCI與DCU進行通信。

2）數字I/O端口通過光電隔離電路進行隔離，以隔絕外部干擾信號對內部電路的影響。

3）為了消除外部電源電壓波動對DCU的影響，在進行電路設計時，增加了電源調理電路。

4）EEPROM和SD2200時鐘芯片分別通過SPI模塊和I2C模塊與DSP芯片進行通信。

2.2.2 信號采集電路

此電路用于采集開關量信號，開關量信號的電壓變動范圍為77VDC～137.5VDC。

為滿足高安全性、高可靠性的要求，在進行信號采集時，做了如下處理。

1）在設計信號采集電路(如圖3)時，外部輸入信號與內部電路之間，采用光電隔離來消除干擾。同時應用了冗余設計思想，即對每一種信號都進行兩路采集，兩路中只要有一路信號有輸入，則認為該信號有效。同時軟件中進行了互斥判斷，一旦發生信號互斥，則進行報警。

圖3 信號采集電路

2）在信號輸入側布置了電阻R8和R9、壓敏電阻VR3、安規電容C3、二極管D1和穩壓管DZ1等器件，以防止外部高電壓對后續電路的損害，濾除外界干擾信號，限制電路電流，并起到防止外部信號反接造成光藕反向擊穿等作用。

2.2.3 電源調理電路

擁有可靠的電源輸入對DCU的正常工作起至關重要的作用，所以在進行電源調理電路設計時，采用了多級處理電路(如圖4、5、6所示)，以確保電源調理電路的可靠性。

圖4 電源調理前置電路

圖5 兩級濾波電路

圖6 電壓變換電路

在進行電源調理電路設計時，充分考慮了電源的可靠性及EMC設計。

1）在電源調理前置電路中布置了壓敏電阻VR1、安規電容C1等，以防止外部高電壓對后續電路的損害，如圖4所示。

2）在兩級濾波電路中布置了防雷管SA1、高壓電容C16，C17、防反接二極管D3、壓敏電阻SK1、SK2及T1、T2兩級共模電感等來進行EMC設計，如圖5所示。

3）如圖6所示，在電壓變換電路中選用了低紋波、寬輸入電壓的DC/DC隔離模塊，以滿足列車上對77VDC～137.5VDC的寬供電電壓范圍，同時在DC/DC隔離模塊的輸入及輸出端布置了吸收高頻及低頻干擾的濾波電容，以進一步消除紋波干擾對系統的影響。圖7給出了邏輯控制的完整有限狀態機切換圖。控制器在每種狀態下不斷判斷轉移條件，若轉移條件為真，則狀態改變。

圖7 邏輯控制單元有限狀態機切換圖

3 DCU軟件設計

在軟件設計時，除了要實現“1.1功能要求”所描述基本功能外，還要考慮系統對高安全性、高可靠性的要求。

3.1 門狀態及有限狀態機設計

在進行軟件邏輯設計時，根據門的運動狀態設定了如表1所示的狀態機變量。

表1 狀態機變量

3.2 DCU主程序設計

主程序由多個任務和數據緩沖池構成，除了有持續執行的循環任務外，還有空閑任務和中斷任務[6]。系統提供1 ms的時鐘中斷，任務的執行以此時間片為基準。

障礙物檢測任務、輸入信號檢測任務、輸入信號互斥監控任務、數據處理任務以及故障檢測任務將每 100ms執行一次[7]。PTE數據通訊任務與TCMS數據通訊任務則是在接收到來自PTE或TCMS的請求幀后，才會被執行。DCU與PTE、DCU與TCMS之間采用Modbus主從通訊協議，DCU作為從機，在中斷中接收來自PTE或 TCMS的請求幀，并置位相應的標志位，然后在主程序中進行數據的準備和發送。主程序框圖如圖8所示。

圖8 主程序框圖

3.3 障礙物檢測

在執行關門指令時，DCU會對關門過程進行監控，當監控到敏感膠條受壓信號或者關門10 s(該參數可設定)后還未收到門關到位信號時，則認為關門過程中遇到了障礙物，DCU發出開門指令，進行開門動作。執行開門動作10s(該參數可設定)后，再次嘗試關門動作，如此往復3次(該參數可設定)之后，如果門還沒有關到位，則執行開門動作并保持門開狀態[8]。DCU將反饋障礙物信息至TCMS，在DCU內部進行一次故障記錄并發出報警。障礙物檢測程序框，如圖9所示。

圖9 障礙物檢測程序流程圖

4 結語

詳細介紹了基于 TMS320LF2812A的側拉門控制器的設計方法。目前，該產品已經順利通過了功能試驗、絕緣耐壓試驗、EMC試驗、沖擊振動試驗、溫度試驗以及耐久性試驗，試驗結果表明該設計魯棒性強，能滿足系統要求。

[1]陳倩.地鐵車輛客室塞拉門運動仿真及安裝工藝分析[D].成都:西南交通大學, 2012.

[2]朱書娟,徐剛,陳勇勝,等.淺談高速動車組車門通信系統[J].中國科技博覽, 2013 (24): 464-464.

[3]尚江傲.上海軌道交通11號線北段車輛車門控制系統設計[J].電力機車與城軌車輛, 2012(1): 9-12.

[4]TMS320F/C281X DSP Controllers Reference Guide[C]//TI,2012.

[5]徐科軍,陳志輝,傅大豐.DSP應用技術[M].北京:科學出版社, 2012.

[6]孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發[M].北京:清華大學出版社, 2008.

[7]仇維斌,歐紅香.一種基于 TMS320LF2407A 的地鐵屏蔽門門機控制器設計[J].微電機, 2009, 42(9):37-39.

[8]司尚卓,周利.上海地鐵 11號南項目車門控制系統設計[J].科教導刊, 2012 (3): 200-201.

DNV GL集團在中國總部上海舉辦未來六大主旨內部發布會

為慶祝基金組織DNV成立150周年暨與GL的合并元年，DNV GL集團于2014年6月26日在中國總部上海舉辦了未來六大主旨的內部發布會，DNV GL集團上海地區200多名員工參加這一盛會。

DNV GL集團區域總裁Torgeir Sterri先生及可持續發展執行官Bj?rn Kj Haugland先生致開幕詞。可持續發展副主席Sven Mollekleiv先生主持了精彩的脫口秀問答環節，并向所有員工介紹了安全及可持續發展的未來。

醫療衛生戰略及研發中心總監Rune Torhaug先生和高級研發人員Eva Turk先生向大家介紹了醫療衛生領域技術轉型所帶來的影響力。

國際海事方面的專家Tore Longva先生則向與會員工詳細分析了船運業的未來。

隨后，戰略研發中心的高層們則帶來了一系列在氣候變化、電力未來及未來風險分析等方面的主旨演講。

這是DNV GL集團成立一年來首次舉辦的內部分享會，建立信心是公司的核心，信任也是我們的經營理念。DNV GL集團現在展示的是更寬廣的視野，并協助客戶向著更安全、更智能、更環保的未來邁進！

（DNV GL）

Study on Side Door Control Unit Based on TMS320LF2812A

QIU Wei-bin1, YAN Yan2, HUANG Qiao-liang2, OU Hong-xiang3
(1.KTK Group Co., Ltd., Changzhou 213102, China; 2.Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,China; 3.Changzhou University, Changzhou 213164, China)

To avoid the shortcomings of hard line control on railway passenger car pneumatic side door, the side door control unit(DCU) based on TMS320LF2812A is studied.The hardware block diagram, schematic diagram and software control algorithm of DCU are elaborated.The opening and closing of the door is controlled by monitoring the external signal and the current state of the door.The obstacle detection is performed by using sensitive edge detection method and timing method.The reliable hardware structure and enhanced state machine algorithm can achieve the reliable control of the side door.The results show that the design is robust，which can meet the system requirements.

DCU; TMS320F2812A; PTE

TP23

A

仇維斌（1972-），男，高級工程師，碩士。主要研究方向為電力電子變流技術及傳動控制。