一種基于DSP的直流電源供電系統(tǒng)的設(shè)計

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)計方法。同時詳細(xì)討論了基于CAN總線的系統(tǒng)軟件流程設(shè)計和調(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、安全的運行離不開對它的實時臨測和控制。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)計方法。該系統(tǒng)可通過對系統(tǒng)電壓、電流參數(shù)的實時監(jiān)控和
對過流、欠壓保護(hù)的快速響應(yīng)來實現(xiàn)系統(tǒng)直流供電的智能化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    實際系統(tǒng)通常有多路負(fù)載，為研究方便，在此以單路來進(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、電流及電壓檢測電路等。系統(tǒng)上電后，即可對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：直流來自車輛發(fā)電機組，當(dāng)電源管理器檢測到車輛發(fā)電機的轉(zhuǎn)速信號高于某一設(shè)定值時，即接通繼電器l實現(xiàn)直流供電，反之則斷開；交流供電來自市電220 V，當(dāng)電源管理器檢測到市電接入時，將斷開繼電器1以實現(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到系統(tǒng)過流時馬上斷開。上位機與電源管理器之間可通過CAN進(jìn)行通信。系統(tǒng)上電后，可由電源管理器向上位機發(fā)送電壓、電流信號的采集信息，同時，電源管理器可接收來自上位機的指令信息。

2 硬件實現(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TI公司2000系列的32位低功耗定點DSP，主頻高達(dá)150MHz，具有強大的數(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個獨立的可編程、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)電壓檢測電路采集后，便可進(jìn)入ADC的CHO通道，蓄電池的電流信號經(jīng)電流傳感器和信號調(diào)理電路后即可進(jìn)入ADC的CHl通道；發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號由DSP的外設(shè)模塊事件管理器(EV)捕獲單元CAP以實現(xiàn)采集；DSP內(nèi)嵌的eCAN控制器則可通過CAN收發(fā)器后與上位機相連，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的通信控制；另有3路GPIO口分別用于實現(xiàn)AC220V接入檢測及繼電器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)計和CAN接口設(shè)計。[!--empirenews.page--]
2．1 參數(shù)采集
    (1)電壓采集
    蓄電池的電壓信號采集通?？梢杂删€性光耦HCNR201和運算放大器LM358P來實現(xiàn)，其具體的電壓采集電路如圖3所示。HCNR201是美國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)計靈活等特點，它由一個高性能的發(fā)光二極管(LED)和兩個光敏二極管PDl、PD2組成。

   由于這種DSP信號處理器內(nèi)嵌的ADC采集模塊的信號輸入幅值范圍為0～3 V，故需將蓄電池的端電壓信號先經(jīng)電阻R3分壓處理，以保證光耦
輸出的信號電平符合DSP的輸入要求，在軟件編程時，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R3后的信號為Vin，光耦輸出的信號為Vout，則有：
    Vout=KVinR2／R1 (1)
式中，K為傳輸增益，對于每一只HCNR201來說，K是恒定的，其值在1+0．05之間，典型值為1?？梢钥闯?，通過調(diào)節(jié)R1、R2的值可改變該隔離電路的增益。本例中，選擇R1=R2，即僅實現(xiàn)電壓信號的隔離而不放大。Cl、C2作為反饋電容，主要用于信號濾波，具體參數(shù)的選擇請參考相關(guān)文獻(xiàn)。但在設(shè)計中要特別注意：必須保證U2、U3是分開供電的。
    (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，可通過一個副邊線圈的電流Im所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補償，從而使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補償電流產(chǎn)生的磁場在磁芯中達(dá)到平衡時，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，通過測量副邊補償電流Im的大小，即可推算出原邊電流In的值，從而實現(xiàn)原邊電流的隔離測量。
    本設(shè)計采用閉環(huán)霍爾電流傳感器來采集蓄電池的電流信號，該霍爾電流傳感器的輸出信號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)電機輸出的轉(zhuǎn)速是一個近似的正弦信號，其峰峰電壓值在l～20 V之間。轉(zhuǎn)速信號采集電路的原理如圖6所示，輸入的轉(zhuǎn)速信號經(jīng)整流、限幅并在三極管的開關(guān)作用下可變?yōu)榉讲ㄐ盘?，然后?jīng)過光電隔離后輸入到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分別來自TMS320F2812(176PGF)的腳87和引腳89，設(shè)計中，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，而且接口簡單。在輸出信號CAN_H、CAN-L之間并聯(lián)一個120 Ω的電阻可進(jìn)行阻抗匹配，以抑制反射波的干涉。

[!--empirenews.page--]

3 軟件設(shè)計
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)開機后進(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)載開機控制。中斷程序負(fù)責(zé)從上位機接收CAN數(shù)據(jù)。

3．2 CAN通信設(shè)計
    TMS320F2812數(shù)字信號處理器所集成的增強型CAN控制器通信接口與CAN2．0B協(xié)議完全兼容，其32個可以獨立配置的郵箱及其時間標(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，設(shè)置相應(yīng)郵箱的傳送請求標(biāo)志(TRS)為1啟動發(fā)送，當(dāng)相應(yīng)郵箱的傳送應(yīng)答標(biāo)志(TA)置位時表明發(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；對于接收郵箱，每個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并初始化一個中斷，讀取數(shù)據(jù)后需要清除RMP位。

4 結(jié)束語
    本文基于帶有CAN總線控制器的DSP芯片TMS320F2812設(shè)計了一種直流電源供電系統(tǒng)，同時詳細(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，可為工程測量領(lǐng)域提供一種完備的測試方案，具有較強的工程應(yīng)用價值。