基于TMS320F2812的新型發電機控制器設計

孟武勝，馮動動，張新偉

(西北工業大學自動化學院，西安710129)

1 引言

隨著電子技術的高速發展，機載電氣設備的不斷增加，對飛機電源的質量和可靠性有了更高的要求［1］。飛機發電機控制器(GCU，Generator control unit)作為飛機供配電系統重要的控制和保護部分，為了適應新的發展需要，研究一種新型的發電機控制器具有非常重要的意義。現役飛機發電機控制器大都采用模擬電路進行控制保護，其可靠性和實時性都需要進一步提高。系統所設計的基于TMS320F2812的新型發電機控制器，在控制保護、故障診斷、信息傳輸等方面都有了很大提高，能更好的滿足先進飛機性能方面的要求。

2 系統組成及工作原理

GCU的主要任務是根據發電機的端電壓來穩定發電機的輸出，同時檢測發電機的各狀態量和控制各數字開關的通斷。在系統中，通過分析系統功能和對各微處理器的性能比較，選擇了TMS320F2812作為控制系統的核心。系統采用嵌入式硬件和軟件設計方法，構建了一個高性能的控制系統，其結構原理框圖如圖1所示。

該發電機控制器主要實現對發電機的電壓和發電機斷路器、匯流條斷路器等的控制以及對發電機出現過壓、欠壓、過頻、欠頻、過流、過熱等的狀態保護。

3 硬件設計

3.1 最小系統設計

在最小系統中，包括時鐘電路、復位電路、外擴SRAM、驅動電路和控制電路等。系統選擇32位定點DSP微處理器TMS320F2812［2-3］作為核心器件，它采用經典的哈佛總線結構，程序存儲器和數據存儲器分開使用，獨立編址、獨立訪問，使之具有強大的數字處理能力，且還有很強的事件管理能力和嵌入式控制功能。TMS320F2812的指令周期為6.7ns，完全能滿足系統所需要的實時處理要求。由于TMS320F2812的工作頻率為 40MHz，因此選用10MHz的時鐘，在TMS320F2812內部通過4倍頻獲得40MHz的系統時鐘。盡管TMS320F2812內部集成了可獨立運行的看門狗單元，但為了防止因程序跑飛而修改與看門狗有關的內部寄存器進而使內部看門狗失效的情況出現，需要外加硬件看門狗電路，使整個系統的工作更加可靠。系統選用TI公司生產的TPS3823-33芯片，其固定復位信號時間長達200ms，能滿足系統中所有芯片的復位要求。圖2為最小系統的原理框圖。

圖1 GCU結構原理框圖

圖2 DSP最小系統組成框圖

設計中采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)實現系統邏輯控制與保護。選用Lattice公司推出的ISPLSI1032，可用資源為64I/O，8個專用輸入端，4個專用時鐘輸入端，6000門。邏輯控制功能是CPLD完成DSP下發數據的邏輯運算和數據處理，然后由I/O口輸出邏輯控制命令。同時掃描I/O口以監測各開關量的狀態，并將開關量的狀態通過外部中斷通知給DSP，再由DSP讀取數據并送給供電系統處理機。在保護單元中，當系統檢測到發電機的輸出電壓低于或高于額定值時，DSP產生的PWM波經CPLD邏輯綜合后驅動勵磁電路進行勵磁電流的調節，從而達到穩定電壓的目的。

3.2 模擬量的采集

系統模擬量主要包括發電機的輸出電壓、輸出電流和發電機頻率。系統需要實時的采集電壓、電流等信號來完成對飛機電源系統的監測和控制。電壓和電流的檢測與調理實際上就是把傳感器輸出的弱電信號轉化成適合DSP采樣的信號［4］。圖3即為電壓采樣信號的調理電路圖。TMS320F2812的A/D轉換器可輸入的電壓范圍是0V-3V，因此采樣進來的模擬信號必須經過調理電路轉化為0-3V的電壓。該電路是把電壓傳感器輸出的電壓先經過電壓跟隨器進行調理，再通過比例縮放電路加上電壓抬升電路輸出給DSP的A/D轉換器的輸入管腳。同理，電流信號調理電路與電壓調理電路類似。

對于發電機頻率的采集，系統采用硬件測頻法，即通過DSP的捕獲口實現頻率測量。由永磁機輸出的電壓信號經分壓濾波以及跟隨電路作為頻率采集信號。頻率輸入信號通過施密特比較器過零電壓比較電路整形后輸出與正弦波同頻率的方波信號，由方波信號的上升沿或下降沿向DSP處理器申請中斷，DSP處理器通過計算相鄰兩個中斷間的時間間隔來求取交流信號的周期，進而得到發電機的頻率值。頻率采集電路圖如圖4所示。

3.3 通信接口電路設計

根據GCU的功能需要，可將通信模塊分為兩部分:在飛機飛行過程中，GCU需要把處理完的狀態信息送到供電系統處理機，但不接收供電系統處理機的控制命令。該模塊采用1553B總線接口來實現;在飛機進行地面維護時，通過RS485接口進行 GCU的維護。

1553B［5］總線是一種飛機內部時分制指令/響應式多路傳輸數據總線，是一種滿足實時性、數據完整性和系統可靠性的通用機載串行多路總線標準。對于1553B通訊總線，系統采用 HOLT公司的HI1567作為收發器，同時為提高系統的可靠性，系統選用HOLT公司的PMDB2725EX為隔離變壓器提供總線驅動電壓。圖5即為1553B總線數據收發原理框圖。

圖5 1553B總線收發原理框圖

RS485總線接口電路采用DSP內部串行總線接口SCI外加高性能多協議收發器件MAX3160實現。圖6為RS485總線接口電路圖。MAX3160可通過引腳設置來選擇工作模式，系統置 RS485/RS232為高電平，MAX3160配置為RS485模式。因FAST直接接在3.3V的高電平上，使得RS485方式傳輸速率高達10Mbit/s。

4 軟件設計

GCU要實時采集發電機調壓點電壓，控制各接觸器和繼電器的狀態，通過數據傳輸總線向上位機傳輸信息，其軟件體系應具有如下功能:

圖6 RS485總線接口電路

(1)實時監測發電機的主要參數并進行故障隔離;

(2)實時監控斷路器的狀態和控制其通斷;

軟件程序編寫采用c語言和匯編語言混合編程方式。由于系統采用的TMS320F2812控制器在硬件功能上完全滿足μC/OS-Ⅱ的要求，因此選擇了源代碼公開的嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ［6］作為GCU的執行軟件，提高了程序的可讀性和可移植性，便于軟件的修改和升級。

根據GCU系統的需要，系統中主要設計了以下子程序:AD采樣、數據處理、中斷服務、實時監測、過壓保護、欠壓保護、過頻保護、欠頻保護、相序保護、缺相保護和短路保護。其軟件主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

5 結果分析

表1為模擬系統在過壓、欠壓、過頻及欠頻等故障狀態下的實驗結果，以驗證GCU的保護功能。結果表明該控制器故障診斷能力強，實時性好，可靠性高。

表1 GCU模擬故障實驗結果

6 結束語

課題充分利用TMS320F2812強大的數字信號處理能力和豐富的片內資源，實現了發電機控制器可靠性高，實時性好，故障診斷能力強的功能，既提高了飛機電源的供電質量，又降低了飛機故障率和維護難度，對先進飛機的研制具有重要意義。

［1］ 沈頌華.航空航天供電系統［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［2］ TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual［Z］.Texas Instruments，2003.

［3］ 韓安太.DSP控制器原理及其在運動控制系統中的應用［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［4］ 脫秀林，申強，劉成.基于TMS320F2812與 μC/OS-Ⅱ交流采樣遠程終端的設計［J］.計算機測量與控制，2010(3):699-702.

［5］ 王志宏.基于MIL-STD-1553B總線的航空電子綜合系統總線通訊研究［D］.南京:南京理工大學，2006.

［6］ Jean J.Labrosse.C/OS-:源代碼公開的實時嵌入式操作系統［M］.北京:中國電力出版社，2001.