现代电力电子技术的广泛应用-电力电子装置的控制.doc

摘 要 电 力 电 子 技 术 日 趋 广 泛 地 应 用 于 能 源 工 业 信 息 家 电 消 费 品 等 领 域 根 据 电 力 电 子 装 置 控 制 器 在 硬 件 软 件 和 开 发 途 径 三 个 方 面 具 有 的 广 泛 共 性 完 全 可 以 研 制 一 种 通 用 的 电 力 电 子 装 置 数 字 控 制 器 开 发 平 台 本 文 针 对 电 力 电 子 装 置 控 制 器 的 通 用 性 特 点 和 要 求 设 计 并 实 现 了 一 种 通 用 电 力 电 子 装 置 数 字 控 制 平 台 该 平 台 采 用 TI 公 司 的 32 位 浮 点 DSP TMS320VC33 为 核 心 以 满 足 电 力 电 子 装 置 控 制 高 精 度 高 实 时 性 的 要 求 在 此 硬 件 平 台 上 移 植 了 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 C OS II 并 扩 充 了 电 力 电 子 控 制 所 必 需 的 基 础 模 块 使 该 操 作 系 统 适 用 于 电 力 电 子 装 置 控 制 并 具 有 很 好 的 可 移 植 性 该 控 制 平 台 为 从 事 电 力 电 子 科 研 和 教 学 的 研 究 人 员 提 供 了 通 用 的 软 硬 件 开 发 平 台 具 有 很 大 的 实 际 意 义 关 键 词 电 力 电 子 DSP 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 RTOS C OS II ABSTRACT The technology of Power Electronic has been widely applied in the many fields There is abroad commonness in aspects of hardware software and development of control system of the power electronic devices So it is possible to design a universal digital development platform for the control system of the power electronic devices A universal digital development platform for power electronic control system has been implemented DSP TMS320VC33 which can meet the requirement of high precision and real time was used in the platform An embedded RTOS C OS II was transplanted into the plat and some basic function blocks were appended into the RTOS It is a universal hardware and software development platform for the research personnel of power electronic And it has highly practice meaning Liu Jin Power Electronics and Electric Drives Directed by Prof Zhang Yigong KEY WORDS Power electronics DSP RTOS C OS II 目 录 中 文 摘 要 英 文 摘 要 第 一 章 引 言 1 1 1 现 代 电 力 电 子 技 术 的 广 泛 应 用 1 1 2 电 力 电 子 装 置 的 控 制 2 1 3 电 力 电 子 装 置 通 用 控 制 平 台 2 第 二 章 硬 件 平 台 的 设 计 与 调 试 5 2 1 控 制 平 台 硬 件 结 构 5 2 2 32 位 浮 点 DSP TMS320VC33 6 2 3 控 制 平 台 功 能 分 配 8 2 3 1 电 源 管 理 及 看 门 狗 8 2 3 2 数 据 采 集 9 2 3 3 开 关 量 输 入 出 10 2 3 4 串 口 通 信 10 2 3 5 引 导 加 载 程 序 Bootloader 12 2 3 6 系 统 扩 展 12 第 三 章 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 C OS II 13 3 1 C OS 文 件 结 构 与 硬 件 平 台 关 系 13 3 2 嵌 入 式 系 统 14 3 3 嵌 入 式 操 作 系 统 15 3 3 1 前 后 台 系 统 15 3 3 2 实 时 多 任 务 操 作 系 统 RTOS 15 3 3 3 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 17 3 4 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 C OS II 17 第 四 章 操 作 系 统 的 移 植 20 4 1 C OS 的 移 植 20 4 1 1 INCLUDES H 文 件 20 4 1 2 OS CPU H H 文 件 20 4 1 3 OS CPU A ASM 文 件 21 4 1 4 OS CPU C C 文 件 22 4 2 C OS 移 植 代 码 的 测 试 23 第 五 章 基 于 C OS 的 嵌 入 式 系 统 构 件 25 5 1 嵌 入 式 系 统 构 件 的 思 想 25 5 2 开 关 量 输 入 输 出 模 块 DIO 26 5 2 1 头 文 件 DIO H 27 5 2 2 硬 件 抽 象 层 和 硬 件 驱 动 层 DIO 模 块 27 5 2 3 应 用 函 数 接 口 28 5 3 数 据 采 集 模 块 AI 29 5 3 1 头 文 件 AI H 29 5 3 2 硬 件 抽 象 层 和 硬 件 驱 动 层 AI 模 块 29 5 3 3 应 用 函 数 接 口 30 5 3 4 采 样 数 据 的 处 理 30 5 4 通 信 模 块 UART 30 5 4 1 接 收 数 据 31 5 4 2 发 送 数 据 31 5 4 3 串 口 UART 模 块 32 5 5 CPLD 脉 宽 调 制 发 生 模 块 PWM 33 5 5 1 用 CPLD 实 现 的 PWM 控 制 器 33 5 5 2 软 件 模 块 PWM 34 5 5 3 用 CPLD 实 现 空 间 矢 量 SVPWM 控 制 器 35 5 6 控 制 算 法 模 块 38 5 6 1 平 均 值 滤 波 模 块 38 5 6 2 数 字 滤 波 模 块 38 5 6 3 abc dq 变 换 与 dq abc 反 变 换 模 块 38 5 6 4 abc dq0 派 克 变 换 变 换 与 dq0 abc 反 变 换 模 块 39 5 6 5 PID 模 块 39 5 7 用 户 应 用 程 序 模 块 39 5 7 1 用 户 主 程 序 基 本 结 构 39 5 7 2 用 户 任 务 程 序 基 本 结 构 40 第 六 章 结 论 与 展 望 41 参 考 文 献 42 致 谢 44 第 一 章 引 言 电 力 电 子 技 术 以 功 率 处 理 为 对 象 以 实 现 高 效 率 用 电 和 高 品 质 用 电 为 目 标 通 过 采 用 电 力 半 导 体 器 件 并 综 合 自 动 控 制 计 算 机 微 处 理 器 等 技 术 实 现 电 能 的 获 取 传 输 变 换 和 利 用 随 着 电 力 电 子 技 术 在 能 源 工 业 信 息 家 电 消 费 品 等 领 域 的 广 泛 应 用 以 及 电 力 电 子 功 率 器 件 控 制 技 术 微 处 理 器 技 术 的 飞 速 发 展 对 于 电 力 电 子 装 置 的 控 制 提 出 了 更 高 的 要 求 其 控 制 器 逐 步 向 数 字 化 模 块 化 智 能 化 发 展 1 1 现代电力电子技术的广泛应用 以 功 率 MOSFET 和 IGBT 为 代 表 的 集 高 频 高 电 压 和 大 电 流 于 一 身 的 功 率 半 导 体 复 合 器 件 和 以 微 处 理 器 为 主 的 数 字 控 制 技 术 的 应 用 表 明 已 经 进 入 现 代 电 力 电 子 技 术 时 代 电 力 电 子 技 术 在 交 流 变 频 调 速 供 电 电 源 电 力 系 统 输 配 电 照 明 电 能 质 量 控 制 等 方 面 已 经 获 得 日 益 广 泛 的 应 用 同 时 光 伏 风 力 燃 料 电 池 等 新 能 源 发 电 技 术 和 电 动 汽 车 的 推 广 需 要 电 力 电 子 技 术 的 支 持 并 将 形 成 电 力 电 子 产 品 的 巨 大 市 场 在 信 息 产 业 中 信 息 电 子 应 用 以 及 采 用 现 代 最 新 技 术 的 汽 车 电 子 和 家 用 电 器 将 有 可 能 成 为 现 代 电 力 电 子 技 术 重 要 的 应 用 方 向 大 功 率 高 频 化 低 功 耗 是 功 率 器 件 发 展 的 重 要 特 征 电 力 电 子 器 件 的 工 作 频 率 已 经 提 高 到 了 数 十 千 赫 兹 电 力 电 子 电 路 功 率 变 换 技 术 与 电 力 电 子 器 件 同 步 发 展 除 发 明 了 众 多 功 率 变 换 的 电 路 拓 扑 还 提 出 了 如 吸 收 多 重 化 谐 振 开 关 多 电 平 等 概 念 在 控 制 技 术 方 面 出 现 了 相 控 PWM 控 制 空 间 矢 量 控 制 以 状 态 空 间 平 均 法 为 代 表 的 动 态 建 模 理 论 神 经 网 络 模 糊 控 制 等 技 术 它 们 无 论 对 改 造 传 统 工 业 如 电 力 机 械 矿 冶 汽 车 船 舶 等 还 是 对 高 技 术 产 业 航 空 航 天 激 光 通 信 等 的 发 展 和 高 效 利 用 能 源 都 将 起 到 至 关 重 要 的 作 用 在 电 力 变 换 和 控 制 中 采 用 可 编 程 数 字 信 号 处 理 技 术 DSP 半 导 体 元 器 件 的 集 成 技 术 等 方 面 的 发 展 为 电 力 电 子 控 制 提 供 了 新 的 控 制 方 式 随 着 功 率 器 件 高 频 化 控 制 技 术 多 样 化 实 现 功 能 复 杂 化 和 微 处 理 器 各 项 功 能 的 飞 速 发 展 电 力 电 子 装 置 的 控 制 器 也 从 以 前 的 模 拟 型 简 单 功 能 型 向 现 代 的 数 字 化 复 杂 功 能 型 转 化 并 要 求 具 有 高 精 度 高 实 时 性 和 高 可 靠 性 1 2 电力电子装置的控制 早 期 电 力 电 子 装 置 采 用 模 拟 电 路 进 行 控 制 其 主 要 缺 点 有 硬 件 修 改 困 难 设 计 成 本 高 抗 干 扰 能 力 差 存 在 元 件 老 化 问 题 等 随 着 微 处 理 器 技 术 的 飞 速 发 展 单 片 机 数 字 信 号 处 理 器 DSP 可 编 程 器 件 CPLD FPGA 等 越 来 越 多 地 应 用 到 电 力 电 子 装 置 控 制 中 数 字 控 制 具 有 较 高 的 灵 活 性 可 以 通 过 修 改 软 件 来 修 改 控 制 算 法 能 够 实 现 复 杂 的 控 制 算 法 性 能 稳 定 可 靠 性 高 抗 干 扰 能 力 强 等 优 点 从 而 逐 渐 取 代 了 传 统 的 模 拟 控 制 技 术 目 前 电 力 电 子 装 置 控 制 器 的 开 发 方 法 主 要 是 从 硬 件 到 软 件 的 统 一 集 中 设 计 即 首 先 进 行 硬 件 电 路 的 设 计 制 作 和 调 试 然 后 再 进 行 控 制 软 件 的 设 计 并 且 软 件 设 计 的 成 功 与 否 很 大 程 度 上 取 决 于 设 计 人 员 对 微 处 理 器 的 了 解 程 度 和 使 用 的 熟 练 程 度 许 多 运 行 于 没 有 内 存 管 理 的 CPU 之 上 的 程 序 都 是 一 些 比 较 简 单 的 控 制 程 序 系 统 大 多 数 工 作 在 超 级 循 环 加 事 件 中 断 的 方 式 下 在 系 统 控 制 的 外 设 和 担 负 的 任 务 不 多 的 时 候 这 种 方 式 可 以 满 足 要 求 但 是 当 有 多 任 务 需 要 处 理 要 求 对 外 部 事 件 做 出 实 时 响 应 任 务 之 间 存 在 信 息 传 递 甚 至 多 个 微 处 理 器 协 同 工 作 时 这 种 传 统 的 程 序 设 计 方 法 就 会 面 临 许 多 问 题 另 外 程 序 设 计 人 员 要 十 分 了 解 硬 件 的 特 性 结 构 及 其 专 用 的 汇 编 语 言 这 样 就 要 求 在 开 发 之 前 先 去 学 习 硬 件 知 识 和 汇 编 语 言 这 些 都 阻 碍 了 电 力 电 子 应 用 工 程 师 快 速 高 效 地 致 力 于 控 制 算 法 软 件 的 研 究 与 设 计 并 且 对 于 新 的 项 目 要 进 行 类 似 的 重 复 工 作 1 3 电力电子装置通用控制平台 从 主 回 路 拓 扑 结 构 上 看 许 多 电 力 电 子 装 置 具 有 相 同 或 相 近 的 主 回 路 结 构 其 功 能 的 不 同 大 多 依 赖 于 控 制 器 的 控 制 算 法 从 电 力 电 子 装 置 控 制 器 结 构 组 成 上 看 基 本 上 是 由 信 号 调 理 电 路 A D 转 换 电 路 微 处 理 器 DSP 或 单 片 机 核 心 电 路 PWM 发 生 器 D A 转 换 电 路 开 关 量 输 入 输 出 与 上 位 机 的 通 信 串 口 或 USB 口 电 路 程 序 数 据 存 储 器 等 部 分 组 成 其 结 构 示 意 图 如 图 1 1 所 示 因 此 以 微 处 理 器 为 基 础 的 电 力 电 子 装 置 控 制 器 具 有 广 泛 的 共 性 其 共 性 集 中 表 现 在 硬 件 软 件 和 开 发 途 径 三 个 方 面 从 有 利 于 加 快 电 力 电 子 装 置 的 研 制 开 发 控 制 算 法 的 试 验 提 高 效 率 和 缩 短 开 发 周 期 的 观 点 来 看 研 制 一 种 电 力 电 子 装 置 通 用 数 字 控 制 器 开 发 平 台 很 有 必 要 对 它 进 行 研 究 必 将 促 进 电 力 电 子 装 置 控 制 算 法 的 研 究 和 电 力 电 子 产 品 的 开 发 从 控 制 器 的 硬 件 结 构 上 考 虑 可 以 设 计 一 个 通 用 的 硬 件 平 台 以 满 足 大 多 数 电 力 电 子 装 置 的 控 制 要 求 应 包 括 图 1 1 中 的 几 个 部 分 信 号 调 理 电 路 A D 转 换 电 路 D A 转 换 电 路 DSP 核 心 电 路 开 关 量 输 入 输 出 电 路 PWM 控 制 波 形 发 生 电 路 程 序 数 据 存 储 电 路 以 及 通 信 接 口 电 路 等 部 分 由 于 电 力 电 子 装 置 的 控 制 往 往 是 由 多 个 控 制 要 求 任 务 组 成 如 数 据 采 集 数 据 的 处 理 控 制 算 法 的 实 现 控 制 信 号 的 输 出 与 上 位 机 的 通 信 以 及 对 于 电 力 电 子 装 置 主 回 路 的 保 护 等 任 务 也 就 是 说 电 力 电 子 装 置 控 制 系 统 是 一 个 的 多 任 务 的 控 制 系 统 所 以 在 控 制 软 件 的 设 计 上 借 鉴 了 的 PC 机 采 用 操 作 系 统 如 Windows 来 对 多 任 务 进 行 管 理 这 同 以 前 的 超 级 循 环 加 事 件 中 断 方 式 有 本 质 的 区 别 近 年 来 华 北 电 力 大 学 北 京 电 力 电 子 研 究 所 一 直 在 进 行 电 力 电 子 装 置 控 制 通 用 数 字 化 开 发 平 台 的 研 究 1 其 控 制 平 台 由 最 初 的 单 片 机 发 展 到 现 在 的 DSP 控 制 器 但 由 于 开 发 工 具 的 限 制 其 编 程 语 言 一 直 限 于 汇 编 语 言 由 于 不 同 的 处 理 器 有 其 不 同 的 汇 编 语 言 这 样 就 限 制 了 该 开 发 平 台 的 通 用 性 延 长 了 控 制 算 法 的 开 发 周 期 本 文 借 鉴 原 有 的 定 点 DSP TMS320F240 控 制 平 台 的 设 计 思 想 引 入 了 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 C OS II 完 成 了 浮 点 DSP TMS320VC33 通 用 控 制 平 台 的 硬 件 部 分 的 设 计 和 调 试 在 该 硬 件 平 台 上 进 行 了 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 C OS II 的 移 植 根 据 电 力 电 子 装 置 的 控 制 特 点 和 要 求 扩 充 了 电 力 电 子 控 制 所 必 需 的 基 础 模 块 使 其 成 为 适 用 与 电 力 电 子 控 制 的 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 编 写 了 与 硬 件 平 台 相 关 的 硬 件 驱 动 程 序 使 得 操 作 系 统 可 以 方 便 的 通 过 系 统 调 用 来 操 作 硬 件 进 行 了 操 作 系 统 的 图 1 1 电 力 电 子 装 置 主 回 路 与 控 制 器 结 构 示 意 图 测 试 该 平 台 提 供 了 与 定 点 DSP 控 制 平 台 兼 容 的 外 部 接 口 从 而 可 以 根 据 不 同 的 控 制 要 求 来 选 择 定 点 DSP 和 浮 点 DSP 控 制 平 台 后 续 开 发 人 员 可 以 不 需 要 深 入 了 解 硬 件 平 台 在 该 嵌 入 式 操 作 系 统 平 台 上 用 C 语 言 进 行 二 次 开 发 从 而 致 力 于 控 制 算 法 的 研 究 大 大 缩 短 了 控 制 算 法 的 开 发 周 期 第 二 章 硬 件 平 台 的 设 计 与 调 试 现 代 电 力 电 子 装 置 的 控 制 要 求 具 有 高 精 度 高 实 时 性 和 高 可 靠 性 本 文 所 完 成 的 硬 件 平 台 的 CPU 采 用 美 国 TI 公 司 的 32 位 浮 点 DSP TMS320VC33 工 作 频 率 可 达 到 150MHz A D 转 换 芯 片 采 用 MAXIM 公 司 的 MAX125 精 度 为 14 位 采 样 速 率 最 高 可 达 250ksps 单 通 道 能 够 进 行 8 路 信 号 的 采 样 4 路 同 时 采 样 每 路 信 号 的 转 换 时 间 为 3 微 秒 因 此 该 硬 件 平 台 能 够 满 足 大 多 数 的 电 力 电 子 装 置 对 于 精 度 和 实 时 性 的 控 制 要 求 从 而 保 证 了 平 台 的 通 用 性 2 1 控制平台硬件结构 大 多 数 电 力 电 子 装 置 的 控 制 流 程 为 1 通 过 电 压 和 电 流 互 感 器 得 到 三 相 电 压 和 三 相 电 流 需 测 量 电 压 电 流 及 其 相 数 是 根 据 控 制 对 象 和 要 求 来 确 定 的 2 测 得 的 电 压 电 流 量 通 过 信 号 调 理 电 路 调 整 为 A D 转 换 芯 片 所 要 求 的 电 压 范 围 3 A D 芯 片 把 来 自 调 理 电 路 的 模 拟 电 压 电 流 量 转 换 为 数 字 量 4 微 控 制 器 根 据 这 些 数 字 量 进 行 控 制 算 法 的 运 算 得 出 需 要 由 电 力 电 子 主 回 路 输 出 的 控 制 波 形 数 据 5 将 控 制 波 形 的 数 据 送 到 PWM 发 生 电 路 形 成 各 个 开 关 的 PWM 控 制 信 号 6 通 过 隔 离 和 放 大 电 路 将 控 制 信 号 送 到 各 个 开 关 的 驱 动 电 路 7 驱 动 电 路 工 作 控 制 主 回 路 输 出 需 要 的 波 形 因 此 电 力 电 子 装 置 控 制 器 基 本 上 是 由 信 号 调 理 电 路 A D 输 入 DSP 核 心 单 元 PWM 发 生 器 等 组 成 另 外 还 有 一 些 辅 助 功 能 电 路 如 D A 输 出 开 关 量 输 入 输 出 与 上 位 机 通 信 串 口 或 USB 口 程 序 和 数 据 存 储 器 等 部 分 组 成 本 文 设 计 的 硬 件 平 台 采 用 TMS320VC33 为 主 控 芯 片 除 实 现 数 据 处 理 和 控 制 算 法 外 还 要 进 行 系 统 外 设 的 管 理 包 括 A D 串 口 通 信 开 关 量 输 入 出 Bootloader 等 DSP 通 过 控 制 算 法 得 出 的 与 PWM 控 制 有 关 的 数 据 送 到 CPLD PWM 发 生 器 中 从 而 产 生 6 路 PWM 控 制 信 号 送 到 主 回 路 驱 动 控 制 模 块 实 现 对 电 力 电 子 装 置 的 实 时 控 制 硬 件 平 台 的 结 构 框 图 如 图 2 1 所 示 2 2 32 位 浮 点 DSP TMS320VC33 在 定 点 DSP 芯 片 中 采 用 定 点 数 进 行 数 值 运 算 其 操 作 数 一 般 采 用 整 型 数 来 表 示 一 个 整 型 数 的 最 大 表 示 范 围 取 决 于 DSP 芯 片 所 给 定 的 字 长 字 长 越 长 所 能 表 示 的 数 的 范 围 越 大 精 度 也 越 高 6 对 于 定 点 数 而 言 数 值 范 围 与 精 度 是 一 对 矛 盾 一 个 变 量 要 想 能 够 表 示 比 较 大 的 数 值 范 围 必 须 以 牺 牲 精 度 为 代 价 要 想 提 高 精 度 数 的 表 示 范 围 就 相 应 地 减 小 在 定 点 DSP 上 进 行 浮 点 运 算 时 则 需 将 浮 点 运 算 改 写 为 定 点 算 法 其 在 动 态 范 围 和 精 度 要 求 上 存 在 矛 盾 而 且 将 降 低 DSP 的 运 算 速 度 由 于 浮 点 DSP 芯 片 有 支 持 浮 点 加 法 和 乘 法 的 硬 件 结 构 从 而 具 有 运 算 精 度 高 浮 点 运 算 快 编 程 方 便 和 容 易 支 持 高 级 语 言 等 特 点 正 是 基 于 浮 点 DSP 的 这 些 优 点 在 控 制 平 台 中 选 用 了 浮 点 DSP TMS320VC33 作 为 硬 件 平 台 的 CPU TMS320C3X 系 列 芯 片 是 美 国 TI 公 司 推 出 的 第 一 代 浮 点 DSP 芯 片 具 有 丰 富 的 指 令 集 很 高 的 运 算 速 度 较 大 的 寻 址 空 间 和 较 高 的 性 价 比 在 各 领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 6 图 2 1 硬 件 平 台 结 构 框 图 TMS320VC3DP电 源 管 理看 门 狗 EPROM Botlad 开 关 量 输 出 8路 UART系 统 扩 展 地 址 数 据 开 关 量 输 入 8路 A D MX125 控 制 逻 辑 RS23 驱 动 电 路CPLD WM发 生 器 14位 8路8路 6路 TMS320VC33 是 一 种 低 功 耗 高 性 能 的 浮 点 DSP VC33 能 工 作 在 150MHz 的 时 钟 频 率 下 指 令 运 行 速 度 达 到 150 MFLOPS 对 TMS320VC33 进 行 开 发 可 以 使 用 汇 编 语 言 也 可 以 使 用 C 语 言 使 用 汇 编 语 言 的 优 点 在 于 运 行 速 度 快 可 以 充 分 利 用 芯 片 的 硬 件 特 性 但 开 发 速 度 较 慢 程 序 的 可 读 性 差 而 C 语 言 的 优 势 在 于 编 程 容 易 调 试 快 可 读 性 好 可 以 大 大 缩 短 开 发 周 期 TMS320VC33 芯 片 的 组 成 如 图 2 2 所 示 7 32 位 CPU 34K 字 静 态 RAM 可 满 足 大 多 数 系 统 对 RAM 的 要 求 1 个 DMA 通 道 1 个 串 口 2 个 定 时 器 引 导 加 载 程 序 BootLoader 64 32 位 的 指 令 Cache 用 来 存 储 经 常 使 用 的 代 码 块 这 图 2 2 TMS320VC33 功 能 结 构 图 可 大 大 减 少 片 外 访 问 的 次 数 从 而 提 高 程 序 运 行 速 度 另 外 还 有 如 下 的 通 用 寄 存 器 8 个 40bit 的 寄 存 器 R0 R7 可 以 用 来 存 放 32bit 的 整 数 同 时 也 可 以 用 来 存 放 40bit 的 扩 展 精 度 的 浮 点 数 8 个 32bit 的 辅 助 寄 存 器 AR0 AR7 它 们 的 主 要 作 用 是 存 储 地 址 参 与 各 种 模 式 的 寻 址 等 也 可 以 作 为 一 般 的 寄 存 器 来 使 用 状 态 寄 存 器 ST 含 全 局 中 断 使 能 位 堆 栈 寄 存 器 SP 中 断 标 志 寄 存 器 IF 中 断 使 能 寄 存 器 IE I O 标 志 寄 存 器 IOF 数 据 页 指 针 寄 存 器 DP 索 引 寄 存 器 IR0 IR1 块 寄 存 器 BK 重 复 执 行 寄 存 器 RS 块 起 始 地 址 RE 块 终 止 地 址 RC 重 复 次 数 分 开 的 程 序 总 线 数 据 总 线 和 DMA 总 线 使 得 取 指 读 写 数 据 和 DMA 操 作 可 并 行 进 行 由 于 主 总 线 的 地 址 总 线 是 24 位 因 此 TMS320VC33 可 以 访 问 多 达 16M 的 32 位 字 的 存 储 器 空 间 其 中 程 序 数 据 和 I O 空 间 都 包 含 在 这 16M 字 的 空 间 中 从 软 件 资 源 上 看 TMS320VC33 有 丰 富 的 指 令 系 统 灵 活 的 程 序 流 控 制 流 水 线 操 作 和 多 种 寻 址 方 式 2 3 控 制 平 台 功 能 分 配 2 3 1 电 源 管 理 及 看 门 狗 TMS320VC33 为 双 电 源 供 电 接 口 电 源 电 压 为 3 3V 内 核 电 源 电 压 为 1 8V 采 用 TI 公 司 的 线 性 稳 压 器 TPS767D318 为 DSP 芯 片 供 电 该 芯 片 专 门 为 DSP 的 应 用 设 计 具 有 双 电 压 输 出 其 输 入 电 压 为 5V 输 出 电 压 为 3 3V 和 1 8V 可 以 提 供 高 达 1A 的 电 流 并 有 两 路 电 源 监 视 复 位 功 能 提 供 两 个 宽 度 为 200ms 的 低 电 平 复 位 脉 冲 分 别 对 内 核 和 I O 进 行 复 位 由 于 VC33 接 口 电 源 电 压 为 3 3V 复 位 信 号 低 电 平 有 效 选 用 了 MAXIM 公 司 的 MAX706T 芯 片 可 监 测 3 3V 电 压 监 控 电 路 如 图 2 3 所 示 该 电 路 实 现 了 系VC REST MR WDIWDOPFO GN IMAX706T VC RESTXF1TMS320VC REST16C50C3 v 图 2 3 MAX706T 监 控 电 路 原 理 图 统 上 电 自 动 复 位 手 动 复 位 电 源 低 压 报 警 和 看 门 狗 软 件 监 视 等 功 能 MAX706T 的 复 位 输 出 RESET 是 低 电 平 有 效 直 接 送 往 VC33 的 复 位 端 复 位 信 号 被 反 相 后 送 往 串 行 通 信 接 口 芯 片 TL16C550C 复 位 信 号 高 电 平 有 效 的 复 位 端 当 3 3V 电 源 电 压 低 于 MAX706T 的 复 位 门 限 2 93V 或 MR 端 复 位 按 键 按 下 时 MAX706T 的 RESET 端 输 出 低 电 平 复 位 VC33 和 TL16C550C 当 3 3V 电 源 电 压 高 于 2 93V 时 或 MR 端 复 位 按 键 弹 起 时 MAX706T 的 RESET 端 的 低 电 平 维 持 200ms 后 变 为 高 电 平 与 电 阻 电 容 和 反 相 器 所 构 成 的 普 通 复 位 电 路 相 比 MAX706T 复 位 功 能 的 实 现 更 为 方 便 并 且 复 位 准 确 可 靠 看 门 狗 功 能 电 路 是 将 MAX706T 的 WDI 端 与 VC33 的 输 出 引 脚 XF1 相 连 WDO 端 通 过 二 极 管 D 与 MR 端 相 连 在 VC33 正 常 运 行 时 VC33 每 隔 一 定 时 间 小 于 1 6s 改 变 XF1 引 脚 的 状 态 1 次 刷 新 MAX706T 的 内 部 定 时 器 WDO 维 持 高 电 平 当 VC33 运 行 失 控 时 VC33 无 法 定 期 改 变 XF1 引 脚 状 态 这 样 MAX706T 的 内 部 定 时 器 就 会 溢 出 WDO 变 为 低 电 平 二 极 管 D 导 通 造 成 复 位 端 RESET 输 出 低 电 平 强 行 复 位 VC33 和 TL16C550C 这 样 由 系 统 控 制 软 件 通 过 定 时 喂 狗 来 实 现 看 门 狗 的 功 能 防 止 控 制 程 序 跑 飞 2 3 2 数 据 采 集 数 据 采 集 芯 片 选 用 了 MAXIM 公 司 的 MAX125 芯 片 MAX125 有 8 个 数 据 采 集 通 道 能 同 时 采 集 4 路 信 号 每 路 信 号 的 转 换 时 间 为 3 s 14 位 分 辨 率 工 作 频 率 从 0 1Hz 到 16MHz 采 样 频 率 单 通 道 可 以 达 到 250ksps 有 高 速 并 行 DSP 接 口 通 过 编 程 进 行 转 换 通 道 的 选 择 在 转 换 结 束 信 号 有 效 后 通 过 连 续 读 操 作 可 以 依 次 读 取 每 个 通 道 的 转 换 结 果 由 于 MAX125 是 5V 供 电 而 TMS320VC33 的 I O 是 3 3V 供 电 在 两 者 的 数 据 线 之 间 用 TLVC16245 进 行 电 平 转 换 数 据 采 集 部 分 如 图 2 4 所 示 CH1A A0 D21 CH3B D74 8CLK D13MAX125 R W CS INT OV16MHz输 入 信 号 TLVC16245DIR GTMS320VC3控 制 平 台14位 GAL16V8控 制 逻 辑14位 图 2 4 MAX125 与 VC33 系 统 接 口 电 路 框 图 MAX125 的 使 用 步 骤 如 下 1 设 定 工 作 方 式 MAX125 有 8 种 转 换 工 作 方 式 及 省 电 模 式 初 始 上 电 时 器 件 工 作 于 缺 省 方 式 即 每 次 只 转 换 A 组 的 通 道 1 可 以 通 过 编 程 选 择 每 次 转 换 A 组 或 B 组 中 的 一 个 两 个 三 个 四 个 通 道 当 选 定 的 所 有 通 道 转 换 结 束 后 INT 信 号 变 为 低 电 平 表 明 转 换 结 束 可 以 使 用 INT 作 为 中 断 请 求 信 号 或 查 询 方 式 下 的 转 换 结 束 信 号 2 启 动 转 换 在 编 程 MAX125 的 工 作 方 式 后 提 供 给 CONVST 一 个 低 电 平 脉 冲 可 以 启 动 一 次 转 换 过 程 MAX125 在 CONVST 信 号 的 上 升 沿 采 样 模 拟 信 号 3 读 取 转 换 结 果 把 A D 转 换 结 果 最 多 可 达 4 个 通 道 自 动 存 储 在 MAX125 的 片 内 RAM 中 在 接 受 到 INT 信 号 有 效 后 为 了 获 取 转 换 结 果 可 以 执 行 最 多 4 次 连 续 的 读 操 作 当 CS 为 低 电 平 首 先 读 取 的 是 通 道 1 的 转 换 结 果 在 第 一 次 RD 的 上 升 沿 将 INT 复 位 为 高 电 平 在 每 个 RD 信 号 的 上 升 沿 片 内 地 址 指 针 前 移 一 步 如 果 编 程 为 每 次 转 换 一 个 通 道 只 需 要 一 次 读 操 作 对 于 多 通 道 转 换 方 式 可 以 最 多 在 4 个 RD 信 号 的 下 降 沿 顺 序 读 取 通 道 1 至 通 道 4 的 转 换 结 果 对 于 n 通 道 的 转 换 过 程 1 n 4 在 n 个 RD 脉 冲 后 地 址 指 针 复 位 至 通 道 1 2 3 3 开 关 量 输 入 出 开 关 量 输 入 出 部 分 由 数 据 地 址 总 线 和 74LVC244 和 74LS273 构 成 开 关 量 的 输 入 通 过 74LVC244 转 换 为 3 3V 电 平 送 入 VC33 开 关 量 通 过 锁 存 器 74LS273 输 出 用 来 控 制 信 号 灯 和 继 电 器 等 以 实 现 调 试 指 示 保 护 动 作 等 功 能 2 3 4 串 口 通 信 控 制 平 台 与 上 位 机 通 信 采 用 异 步 串 口 通 信 方 式 TMS320VC33 只 有 同 步 串 口 为 了 实 现 异 步 串 行 通 信 使 用 了 TI 公 司 的 UART 通 用 异 步 串 口 芯 片 TLC16C550C 其 总 线 连 接 逻 辑 包 括 I O 数 据 总 线 地 址 线 读 写 信 号 线 等 通 过 总 线 可 直 接 与 DSP 实 现 连 接 TL16C550C 硬 件 逻 辑 连 接 如 图 2 5 所 示 D0 D08A01A02 INT SIN SOUT RCLKBAUDOT CSRD WL16C50TMS320VC3 MAX23控 制 逻 辑 PC机8位3位 图 2 5 串 口 通 信 结 构 示 意 图 TL16C550C 内 部 寄 存 器 主 要 有 接 收 缓 冲 寄 存 器 RBR 发 送 保 持 寄 存 器 THR 中 断 允 许 寄 存 器 IER FIFO 控 制 寄 存 器 FCR 中 断 状 态 寄 存 器 ISR 线 路 控 制 寄 存 器 LCR 线 路 状 态 寄 存 器 LSR MODEM 控 制 寄 存 器 MCR MODEM 状 态 寄 存 器 MSR 临 时 数 据 寄 存 器 SCR 波 特 率 除 数 锁 存 器 低 位 LSB 波 特 率 除 数 锁 存 器 高 位 MSB 在 16C550 中 使 用 3 位 地 址 线 定 义 了 11 个 内 部 寄 存 器 除 之 外 012A LCR 7 DLAB 参 与 了 辅 助 定 义 当 LCR 7 0 且 000 001 时 定 义 访 问 波 特12A 率 除 数 锁 存 器 LSB MSB 当 LCR 7 0 且 000 时 定 义 访 问 接 收 缓 冲 发 送 保 持 寄 存 器 RBR THR 当 UART 接 收 数 据 时 在 接 收 时 钟 信 号 RCLK 的 作 用 下 将 SIN 输 入 端 上 的 数 据 串 行 移 入 接 收 缓 冲 寄 存 器 RBR 供 DSP 读 取 当 UART 发 送 数 据 时 在 发 送 时 钟 信 号 的 作 用 下 将 数 据 总 线 上 的 数 据 写 入 到 发 送 寄 存 器 THR 再 从 SOUT 端 上 串 行 输 出 对 16C550 的 编 程 主 要 包 括 两 部 分 初 始 化 和 数 据 收 发 初 始 化 编 程 主 要 完 成 对 其 工 作 模 式 的 设 定 及 内 部 寄 存 器 的 设 置 对 于 数 据 的 收 发 一 般 采 用 中 断 方 式 开 始复 位MCBL MP 1 是 INT3中 断 是 INT0中 断 是 INT1中 断 是 INT2中 断 串 口 装 载存 储 器 装 载从 10H开 始 存 储 器 装 载从 F0H开 始存 储 器 装 载从 40H开 始否否否 是 是是是 存 储 器 装 载跳 转 至 BOT1 BOT2 3 读 取 块 大 小设 置 存 储 器 配置 控 制 字决 定 装 载 模 式是 8 1632位 块 大 小 为 0 装 载 目 标 地 址从 原 地 址 向 目 标 地 址 传 输 数 据块 大 小 1读 取 块 大 小跳 转 至 所 装 载 的 第 一 个 块 的 首 地 址 块 大 小 为 0 是否 是否 开 始 执 行 程 序 图 2 6 引 导 加 载 程 序 的 流 程 图 2 3 5 引 导 加 载 程 序 Bootloader TMS320VC33 可 运 行 于 微 计 算 机 模 式 或 微 处 理 器 模 式 下 当 MCBL MP 引 脚 为 高 电 平 时 VC33 将 运 行 于 微 计 算 机 模 式 下 在 上 电 后 通 过 VC33 内 部 自 带 的 引 导 程 序 将 存 储 在 慢 速 存 储 器 件 里 的 数 据 装 载 到 VC33 片 内 的 高 速 RAM 中 来 运 行 从 而 降 低 了 系 统 的 成 本 方 便 了 系 统 设 计 VC33 提 供 了 四 种 引 导 模 式 通 过 硬 件 和 控 制 逻 辑 的 合 理 设 计 进 行 不 同 模 式 的 选 择 其 中 三 种 模 式 可 以 选 择 外 部 的 存 储 空 间 进 行 引 导 一 种 模 式 可 以 通 过 串 口 进 行 引 导 VC33 引 导 加 载 程 序 流 程 如 图 2 6 所 示 本 系 统 的 Bootloader 采 用 了 TMS320VC33 的 中 断 1 INT1 引 导 方 式 系 统 上 电 后 将 根 据 内 部 的 引 导 程 序 从 EEPROM 中 将 程 序 读 入 DSP 内 部 的 高 速 RAM 中 运 行 EEPROM 选 用 了 SST 公 司 的 SST29LE010 芯 片 3 3V 供 电 容 量 为 128KX8 位 用 来 存 放 系 统 程 序 SST29LE010 具 有 以 下 主 要 特 点 可 电 擦 除 可 编 程 存 储 读 取 时 间 150ns 分 页 程 序 操 作 擦 除 编 程 单 向 循 环 方 式 可 超 过 10000 次 1024 页 分 区 128 字 节 页 内 部 地 址 和 128 位 数 据 锁 存 硬 件 和 软 件 数 据 保 护 快 速 的 分 页 编 程 2 3 6 系 统 扩 展 为 了 以 后 根 据 需 要 对 系 统 进 行 功 能 扩 展 该 平 台 扩 展 出 了 8 位 地 址 总 线 和 16 位 数 据 总 线 提 供 了 与 CPLD 控 制 板 的 扩 展 接 口 包 括 地 址 数 据 总 线 控 制 逻 辑 信 号 锁 相 同 步 信 号 以 及 中 断 信 号 等 能 方 便 地 与 CPLD 控 制 板 进 行 通 信 第 三 章 嵌入式实时操作系统 C OS II 在 传 统 的 嵌 入 式 系 统 软 件 设 计 中 多 采 用 单 任 务 循 环 加 事 件 中 断 机 制 此 机 制 的 优 势 在 于 流 程 直 观 但 它 常 常 会 带 来 一 个 重 要 问 题 系 统 安 全 性 差 即 程 序 运 行 中 任 何 一 个 环 节 出 错 都 会 导 致 系 统 的 混 乱 只 能 靠 看 门 狗 进 行 复 位 重 新 运 行 不 适 合 处 理 多 任 务 的 控 制 系 统 实 时 多 任 务 操 作 系 统 Real Time multi tasking Operation System RTOS 是 嵌 入 式 应 用 软 件 的 基 础 和 开 发 平 台 RTOS 将 应 用 分 解 成 多 个 任 务 简 化 了 应 用 系 统 软 件 的 设 计 良 好 的 多 任 务 设 计 有 助 于 提 高 系 统 的 稳 定 性 和 可 靠 性 基 于 RTOS 开 发 出 的 程 序 绝 大 部 分 代 码 与 硬 件 平 台 无 关 具 有 较 高 的 可 移 植 性 嵌 入 式 软 件 的 函 数 化 产 品 化 能 够 提 高 软 件 的 可 重 用 性 减 少 软 件 的 重 复 开 发 提 高 应 用 算 法 的 研 发 效 率 针 对 电 力 电 子 装 置 控 制 的 多 任 务 性 实 时 性 算 法 的 多 样 性 和 复 杂 性 本 文 选 用 了 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 C OS II 作 为 应 用 软 件 的 基 础 和 开 发 平 台 由 操 作 系 统 来 管 理 电 力 电 子 多 个 控 制 任 务 这 样 既 满 足 了 电 力 电 子 的 控 制 要 求 又 可 以 提 高 控 制 软 件 的 重 用 性 减 少 重 复 劳 动 提 高 了 工 作 效 率 3 1 C OS 文 件 结 构 与 硬 件 平 台 关 系 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统 C OS 的 内 核 文 件 结 构 与 硬 件 平 台 的 关 系 如 图 3 1 所 示 3 可 以 看 出 C OS 内 核 介 于 硬 件 平 台 和 用 户 应 用 程 序 之 间 通 过 与 CPU 相 关 的 几 个 模 块 与 硬 件 平 台 进 行 交 互 为 用 户 应 用 程 序 提 供 良 好 的 应 用 程 序 接 口 API 操 作 系 统 把 系 统 软 件 和 硬 件 部 分 隔 离 开 来 这 样 就 使 得 系 统 的 设 备 操 作 程 序 与 硬 件 设 备 无 关 从 而 大 大 提 高 了 系 统 的 可 移 植 性 从 软 硬 件 测 试 角 度 来 看 软 硬 件 的 测 试 工 作 都 可 分 别 基 于 操 作 系 统 来 完 成 使 得 软 硬 件 的 测 试 工 作 的 并 行 进 行 成 为 可 能 根 据 电 力 电 子 控 制 的 特 点 将 重 要 的 必 不 可 少 的 电 力 电 子 控 制 基 础 程 序 作 为 操 作 系 统 的 扩 充 部 分 包 括 对 A D 数 据 的 读 取 数 据 的 简 单 处 理 开 关 量 的 输 入 输 出 与 上 位 机 的 通 信 等 将 操 作 系 统 修 改 为 适 用 于 电 力 电 子 控 制 的 专 用 操 作 系 统 这 样 开 发 人 员 可 以 在 操 作 系 统 的 基 础 上 方 便 地 进 行 控 制 算 法 开 发 减 少 了 编 写 基 础 程 序 工 作 量 提 高 了 控 制 算 法 的 开 发 效 率 3 2 嵌 入 式 系 统 嵌 入 式 系 统 是 以 应 用 为 中 心 以 计 算 机 技 术 为 基 础 软 件 硬 件 可 裁 剪 适 应 应 用 系 统 对 功 能 可 靠 性 成 本 体 积 功 耗 严 格 要 求 的 专 用 计 算 机 系 统 它 由 硬 件 和 软 件 组 成 2 嵌 入 式 系 统 一 般 由 嵌 入 式 微 处 理 器 外 围 硬 件 设 备 嵌 入 式 操 作 系 统 以 及 特 定 的 应 用 程 序 等 4 个 部 分 组 成 用 于 实 现 对 其 它 设 备 的 控 制 监 视 或 管 理 功 能 很 多 简 单 的 嵌 入 式 系 统 如 大 多 数 单 片 机 系 统 是 不 需 要 操 作 系 统 的 但 一 些 功 能 复 杂 的 嵌 入 式 系 统 如 机 顶 盒 有 自 己 的 操 作 系 统 从 硬 件 方 面 来 讲 各 式 各 样 的 嵌 入 式 处 理 器 是 嵌 入 式 系 统 硬 件 中 最 核 心 的 部 分 包 括 嵌 入 式 微 控 制 器 MicroController Unit MCU 其 典 型 代 表 是 单 片 机 嵌 入 式 DSP 处 理 器 Digital Signal Processor DSP 嵌 入 式 微 处 理 器 MicroProcessor Unit MPU 和 嵌 入 式 片 上 系 统 System On Chip SOC 目 前 嵌 入 式 系 统 的 软 件 主 要 有 两 大 类 实 时 系 统 和 分 时 系 统 其 中 实 时 系 统 又 分 为 两 类 硬 实 时 系 统 和 软 实 时 系 统 图 3 1 C OS 硬 件 与 软 件 体 系 结 构 图 CPU 定 时 器移 植 uC OS I 与 处 理 器 类 型 有 关 的 代 码 OS CPU HASMOS CPU C 应 用 软 件 用 户 代 码 uC OS I 与 处 理 器 类 型 无 关 的 代 码 OS CRE C uC OS I CMBOX HOS E CQOS EM C TAKOS IME C uC OS I配 置 文 件 与 应 用 程 序 有 关 OS CFG HINLUDES软 件硬 件 平 台 3 3 嵌 入 式 操 作 系 统 3 3 1 前 后 台 系 统 不 复 杂 的 小 系 统 一 般 设 计 成 如 图 3 2 所 示 这 种 系 统 可 称 为 前 后 台 系 统 或 超 循 环 系 统 Super Loops 应 用 程 序 是 一 个 无 限 的 循 环 循 环 中 调 用 相 应 的 函 数 完 成 相 应 的 操 作 这 部 分 可 以 看 成 后 台 行 为 background 中 断 服 务 程 序 处 理 异 步 事 件 这 部 分 可 以 看 成 前 台 行 为 foreground 后 台 也 可 以 叫 做 任 务 级 前 台 也 叫 中 断 级 时 间 相 关 性 很 强 的 关 键 操 作 Critical operation 一 定 是 靠 中 断 服 务 来 保 证 的 因 为 中 断 服 务 提 供 的 信 息 一 直 要 等 到 后 台 程 序 运 行 到 该 处 理 这 个 信 息 这 一 步 时 才 能 得 到 处 理 处 理 信 息 的 及 时 性 称 作 任 务 级 响 应 时 间 最 坏 情 况 下 的 任 务 级 响 应 时 间 取 决 于 整 个 循 环 的 执 行 时 间 因 为 循 环 的 执 行 时 间 不 是 常 数 程 序 经 过 某 一 特 定 部 分 的 准 确 时 间 也 是 不 能 确 定 的 所 以 如 果 程 序 修 改 了 循 环 的 时 序 也 会 受