基于μC/OS-Ⅲ系統的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，影響著國家的經濟發展。我國現有軌道電通系統中電力機車與內燃機車并存，其中絕大多數為電力機車。AMP 作為電力機車中的重要設備，目前技術仍不開放，設備從不進行更新換代，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AMP 板卡能夠有效降低生產成本，提高產品穩定性與安全性，降低設備故障頻率，對車載設備的發展有積極意義。

1 模擬監測保護裝置AMP

模擬監測保護單元AMP1 和AMP2是專門用于網側電壓和網側電流監測和保護的專用控制裝置。當網側電壓偏離允許值或網側電流的有效值或浪涌值在一定時間內超過保護極限值時，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快速跳主斷，同時 MVB 網絡將此信息通知機車微機控制系統VCU，完成在微機顯示屏上的故障信息顯示。機車控制系統VCU 通過控制AMP，實現對機車主斷路器的開閉控制。網側電路見圖1。

圖1 網側電路

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 內部被整流和濾波之后，再通過機車總線MVB 的數據傳輸接口提供給機車微機控制系統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VCU 無關。

1.3 干擾電流的測量

AMP 通過內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；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，具有硬件浮點執行單元，具有豐富的產品線。在高達180 MHz 的工作頻率下通過閃存執行時其處理性能達到225 DMIPS/608 CoreMark，這是迄今所有基于Cortex-M 內核的微控制器產品所達到的最高基準測試分數。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，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，監測過載或者干擾，并且提供保護電路來關斷功率電路。AMP 板卡硬件結構見圖2。

圖2 AMP 板卡硬件結構

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)數字量輸出（兩路主斷控制，一路跳開，一路閉合）；

(6)+15v 電壓監視；

(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)看門狗及電壓監視。

4 μC/OS-Ⅲ系統的特點

μC/OS-Ⅲ系統是一個可裁剪、可固化、可剝奪的占先式實時多任務系統，是μC/OS 的第三代內核，彌補了μC/OS-Ⅱ對任務數量的限制，以及不支持任務時間片輪轉的缺陷，同時優化了內存管理。它具有可剝奪多任務管理，同優先級任務的時間片輪轉調度，極短的關中斷時間，任務數目不受限制，優先級數量不受限制，內核對象數目不受限制，軟件定時器，同時等待多個內核對象，直接向任務發送信號，直接向任務發送消息，任務寄存器，任務級時鐘節拍處理，防止死鎖，時間戳等眾多功能。μC/OS-Ⅲ發布至今已經移植到了幾乎所有知名的CPU 上，它具有良好的穩定性和可靠的安全性，有豐富的資料可以查閱，可十分便捷的開發新應用。μC/OS-Ⅲ系統結構見圖3。

圖3 μC/OS 系統結構

5 AMP 板卡運行狀態

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

圖4 AMP 狀態

6 基于μC/OS-Ⅲ系統的AMP 板卡

AMP 軟件主要實現的功能包括：MVB 設備地址配置與通信功能；蓄電池電壓監測；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行框架。之后對功能逐一進行分解，單個功能分別實現后再加入到整體框架之中進行聯調。AMP 板卡軟件結構見圖5。

圖5 AMP 板卡軟件結構

7 結束語

AMP 板設計設計難點體現在于AMP 有配置狀態、操作狀態、隔離狀態和觸發狀態四種狀態，四種狀態間可由自身控制進行切換，也可由VCU 通過MVB 總線發送指令進行切換，AMP 所處的各種狀態所實現的功能各不相同，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品成本，增加可選產品種類，提高主機廠的利潤水平。