基于TMS320F28335的高壓變頻調速系統邏輯控制單元設計

摘要：高壓變頻調速系統需與DCS通信，對進出線斷路器、接觸器等電氣設備進行狀態檢測、動作控制，并對這些開關量的時序進行記錄與查詢，以提高系統的安全性和智能化水平。現針對高壓變頻調速系統的開關量信號檢測、控制、記錄與查詢，介紹了基于DSP的邏輯控制單元的原理、硬件和軟件設計。

關鍵詞：DSP;高壓變頻調速系統;開關量;邏輯控制單元

0? ? 引言

高壓變頻調速系統廣泛應用于電力、化工等行業，對進出線斷路器等電氣設備的通斷檢測與控制、DCS控制命令響應與反饋、設備故障的檢測與處理等是其安全運行的必要條件。高壓變頻調速系統的邏輯控制單元主要完成開關量輸入信號檢測，開關量輸出信號控制，電氣設備的控制、保護、聯鎖，外部故障檢測，運行事件記錄與查詢，與主控、觸摸屏通信，以提高系統的安全性、可靠性和智能化水平。

1? ? 系統簡介

邏輯控制單元以0.5 ms為周期，對開關量輸入信號進行檢測，經邏輯處理后控制輸出繼電器動作。

如圖1所示，邏輯控制單元與主控間用CAN通信，其向主控發送設備信息、邏輯處理結果，并從主控接收運行信息，此外兩者間還用GPIO直接連接，對于實時性要求高的緊急任務，主控操作GPIO觸發邏輯控制單元的外部中斷XINT，邏輯控制單元及時響應以避免CAN通信延時;邏輯控制單元檢測DCS發出的控制命令，并向DCS做出反饋;觸摸屏與邏輯單元通過RS485總線連接。

2? ? 硬件設計及實現

2.1? ? DSP系統及工作原理

邏輯單元由DSP系統、開關量電路、通信接口電路組成，電路結構框圖如圖2所示。

DSP采用TMS320F28335，該器件采用Harvard總線架構，最高主頻150 MHz，可快速中斷響應和處理，外部接口XINTF地址范圍超過2M×16，片內集成了常用接口如SCI、SPI、CAN等，是一款高性能低功耗DSP[1]。

TMS320F28335外部接口（XINTF）是一種異步總線，可以訪問片外存儲空間。XINTF被映射到3個固定區域0、6、7，每個區域可被設定為具有不同的等待狀態、建立和保持時序，每個區域都有相關區域芯片選擇信號，并且當執行到一個特定區域的訪問時，由區域芯片選擇切換支持，這些特性可實現XINTF到多個外部存儲器和外設的無縫連接[1]。因此，本文把DI、DO通道連接到DSP數據線，且DI、DO映射到不同的XINTF區域，用DSP的XINTF訪問外部存儲空間的方式訪問DI、DO，即在DSP程序內定義位于不同的XINTF區域的若干地址，然后讀寫這些地址空間。

如圖2所示，讀DI時以讀信號XRD、XINTF的7區芯片選擇信號XZCS7、復位信號XRS作為譯碼器SN74LVC138A的使能輸入，以DSP地址線XA[3：5]作為譯碼器的選擇輸入，用譯碼器的輸出作為電平轉換芯片SN74ALVC164245的輸出使能信號。本文DI通道使用3片SN74ALVC164245，因此需在程序中定義3個相應地址。SN74ALVC164245的輸出為三態，使能端為高電平時輸出為高阻，3片分別使能就避免了總線沖突。

同理，寫DO時以寫信號XWE、XINTF的0區芯片選擇信號XZCS0、復位信號XRS作為譯碼器SN74LVC138A的使能輸入，以DSP地址線XA[3：5]作為譯碼器的選擇輸入，用譯碼器的輸出作為D型邊沿觸發器SN74ACT574的clock信號，本文DO通道使用4片SN74ACT574作為鎖存寄存器，2片用于系統內DO，2片用于DCS通信，因此需在程序中定義2個相應地址。SN74ACT574的輸出為三態，使能端為高電平時輸出為高阻態。DSP的GPIO0在復位時默認是輸入方向，且禁用內部上拉電阻，因此用GPIO0作為使能端信號，并在外部使用電阻上拉，那么在復位時SN74ACT574輸出為高阻，DO繼電器可設置為斷開狀態。

如圖3所示，每個XINTF訪問由三部分組成：建立、有效和跟蹤[2]。讀DI時，在XRD有效期間對XINTF的7區地址譯碼以使能相應的電平轉換芯片，把DI通道連接到數據總線，在XRD上升沿后數據保持。寫DO時，XWE有效期間，數據到達D觸發器D輸入端，對XINTF的0區地址譯碼，在XWE的上升沿Q端輸出D端數據。

2.1.1? ? 復位電路

啟用DSP片內看門狗，在主循環和中斷服務程序中喂狗。在DSP片外，用電源監控芯片TPS3305-18 RESET連接DSP的XRS。該芯片為雙電源監測電路，監測1.9 V和3.3 V，其上電復位發生器有固定延時200 ms。當芯片電源VDD≥1.1 V時RESET輸出。XRS有效時，SN74LVC138A的輸出均為高電平。

2.1.2? ? 實時時鐘電路

對系統運行事件的記錄與查詢中時間信息必不可少，特別是在分析設備開關動作時序時時間信息尤為重要，本文中采用實時時鐘芯片DS3231，并附加電池供電，在必要時自動切換至備用電源保持準確的時間。此RTC維護秒、分、時、日、月和年信息，為提高時間的分辨率，在DSP內使用定時器維護毫秒信息。

2.1.3? ? 存儲電路

運行事件單條記錄包括時間信息、事件類型（開關量狀態）、存儲序號，為增加存儲空間外擴SPI接口FLASH存儲器W25Q128JV。芯片陣列被組織成65 536個可編程頁面，每個頁面256個字節，一次最多可編程256個字節，頁面可以4 kB扇區、32 kB塊、64 kB塊或整個芯片進行擦除，小型4 kB扇區操作在應用程序中靈活性更大。在使用標準串行外圍接口（SPI）時支持高達133 MHz的時鐘頻率，本文使用DSP SPI接口能達到的最高時鐘頻率是12.5 MHz。此外，該器件數據保留期超過20年。

2.1.4? ? 通信電路

邏輯單元作為變頻調速系統的一部分，為了對邏輯單元進行時間設置、配置參數，查詢系統運行事件記錄數據，本文設計了RS485通信接口，與系統觸摸屏連接。DSP的SCI接口外接RS485收發器ADM2587E。ADM2587E內部集成隔離式DC/DC轉換器，提供2.5 kV信號和電源隔離、±15 kV ESD保護，最高數據速率500 kb/s，共模瞬變抗擾度>25 kV/μs，本文中配置為半雙工模式。該器件具有電流限制和熱關斷功能，以防出現輸出短路和總線競爭可能導致過度功耗的情況。如圖4所示，L1為共模電感，能夠衰減共模干擾;C1、C2為濾波電容，給干擾提供低阻抗的回流路徑;D1、D2、D3為TVS，抑制瞬變和浪涌干擾。

2.2? ? 開關量輸入信號采集電路

開關量采集電路是將斷路器、接觸器等設備的輔助觸點類無源開關信號送入DSP，如圖5所示。為保證在工業現場復雜電磁環境下系統安全可靠運行，輸入信號經EMC處理，以提高抗干擾能力，再經光耦隔離、濾波、波形整形，然后通過具有三態輸出的電平轉換收發器SN74ALVC164245連接DSP數據總線XD[0：15]。接觸器等設備機械執行機構在動作過程中存在抖動，為確保開關量采集的準確性需在DSP程序中對開關量進行防抖處理。

2.3? ? 開關量輸出電路

高壓變頻調速系統邏輯控制單元采集系統運行所需的各個設備信息，經過邏輯分析和判斷，以開關形式輸出控制信號，控制系統本地設備并與DCS通信，使系統能夠安全可靠地運行。

圖6所示為開關量輸出電路，DSP輸出信號經觸發器鎖存、光耦隔離后驅動三極管控制繼電器線圈。由上文可知，在DSP復位和上/下電時SN74ACT574輸出為高阻，則光耦U2的原邊開路，副邊的三極管截止，因此三極管T1的基極為低電平，繼電器U3的線圈無驅動電流，其輸出開路，這是一確定狀態，從而避免了繼電器在上下電時誤動作。二極管D1用于繼電器的驅動線圈在關斷時續流。圖6中光耦實現了電平轉換以及高、低壓的電氣隔離，繼電器在提供大負載能力的同時，實現了控制系統與外部強電的隔離，提高了DSP系統抗干擾能力。

3? ? 軟件設計及實現

邏輯單元軟件采用模塊化設計，主要包括主程序和中斷服務子程序。主程序用于上電初始化和循環進行通信接收處理、運行事件緩存寫入FLASH。中斷服務程序為CPU定時器周期中斷和通信接收中斷。

3.1? ? 主程序

系統上電后進入主程序，總體流程圖如圖7所示。進入主程序先關閉看門狗，接著進行系統初始化，關全局中斷、外設中斷設置、外設初始化、軟件相關初始化、同步RTC時間、啟動定時器、記錄上電事件信息，再使能外設中斷、全局中斷、使能看門狗，最后進入主循環。通信接收處理包括串口通信處理和CAN通信處理，前者是指判斷通信接收狀態和對在通信接收中斷服務程序中存儲的報文數據進行處理，如設置時間、查詢事件信息，并根據需要調用發送程序進行標準應答和數據傳送;后者是根據標志位啟動CAN發送程序，標志位和郵箱數據在0.5 ms定時器中斷更新和設置。高壓變頻調速系統因其電壓高的特點對實時性要求很高，而寫FLASH速度相對較慢，特別是在故障時短時間內產生大量數據，為提高處理速度，在記錄運行事件數據時先將數據放入RAM內，然后在主程序中把新數據寫入FLASH。

3.2? ? 定時器中斷服務程序

高壓變頻調速系統對開關量采集、輸出的準確性和實時性都有較高要求，應在準確的前提下提高實時性，避免誤判和誤動作。為提高開關量變位時間分辨率，本文設置CPU定時器中斷周期為0.5 ms。如圖8所示，首先在ISR內進行軟件計時，提高緩存運行事件時讀取時間數據的速度，接著讀取開關量并進行防抖處理，以提高準確性，再綜合信息進行邏輯分析與判斷，對判斷結果以繼電器通斷方式輸出，然后判斷運行事件變化并進行緩存，最后以最新數據更新CAN發送郵箱并設置發送標志位。

4? ? 結語

開關量信號的檢測、控制、記錄與查詢，對高壓變頻調速系統十分重要，本文中的邏輯控制單元已在電力、化工等行業投入使用，各項性能指標皆達到原設計要求，運行可靠，狀況良好，特別是運行事件記錄與查詢在故障分析中發揮了關鍵、高效的作用。

[參考文獻]

[1] Texas Instruments Incorporated.TMS320F2833x/TMS320F-

2823x 數字信號控制器（DSCs）[EB/OL].[2020-08-20]. https：//www.ti.com.cn/cn/lit/gpn/tms320f28335.

[2] Texas Instruments Incorporated.TMS320x2833x，TMS320x-

2823x Technical Reference Manual[EB/OL].[2020-08-20]. https：//www.ti.com.cn/cn/lit/pdf/sprui07.

收稿日期：2020-08-25

作者簡介：畢濤（1983—），男，江蘇南京人，碩士，工程師，研究方向：電力自動化計算機應用技術。