基于CPLD与μC/OS -Ⅱ的断路器智能控制单元设计

本文介绍的智能控制单元采用数字信号处理器(DSP)及嵌入式实时操作系统完成各种数据的处理、通信和算法的设计，而状态量的采集和执行信号输出将由复杂可编程逻辑器(CPLD)完成，主要是基于CPLD内部硬件电路结构的可靠性和对状态采集的实时性，该系统可以满足系统控制实时性及可靠性的要求。

硬件设计

TMS320F2812DSP介绍

TMS320F2812DSP是德州仪器公司(TI)推出的32位高性能数字信号处理器，它具有峰值运行每秒150万条指令(MIPS)的处理速度和单周期完成32×32位MAC运算功能，同时它还具有128k×16的片上Flash，18k×16的片上RAM以及大量的片上外设，包括A/D转换模块、2个事件管理器(EVA和EVB)，CAN总线控制器、2个串行通信接口模块(SCIA和SCIB)、串行外设接口模块(SPI)、多功能串行接口(McBSP)及56个通用I/O口。该DSP以高效的32位定点CPUTMS320C28xTM为核心处理器，其开发既可使用C28x汇编也可使用ANSIC/C++语言。此外TI公司还提供有虚拟浮点数学函数库(IQ数学函数库)、快速傅里叶变换(FFT)算法函数库、滤波器库等，这些函数库可显著简化应用系统开发。

TMS320F2812强大的功能使其能满足嵌入式智能控制单元的设计要求。

系统硬件设计

智能控制单元主要完成的任务包括：处理主控模块控制命令、监测母线电力参数、温度采集、保护控制算法的实现、检测开关量的状态、开关量的输出控制及与监控中心的通信等。为了实现上述功能，并充分利用DSP TMS320F2812强大的外设功能及嵌入式操作系统的优点，DSP主要完成模拟量采集、数据处理、算法实现、温度采集、通信及命令处理。同时为了状态的快速检测和输出执行信号的可靠性，将由CPLD完成状态量的监测、与DSP的通信、状态信号的输出及外部高电压电路的控制。系统结构如图1所示。系统硬件的设计包括各调理电路、CAN总线通信驱动、RS-232总线驱动和RS-485总线驱动及CPLD内部电路的设计。

图1 智能控制单元系统结构图

调理电路设计

调理电路包括交流电压采集调理电路、开关量采集调理电路、开关量控制驱动电路。交流电压信号的采集使用F2812 内置12位A/D转换模块，该模块本身具有采样保持电路且要求输入电压的范围为0~3V，因此设计了由电压互感器、电流电压转换电路和RC滤波构成隔离电路和由放大、电压抬升、电压跟随器及限幅组成的调理电路，可将220V/50Hz的电压信号转换成0~3V的电压信号。

开关量的采集采用CPLD实现。由于开关量经常出现抖动问题，因此其调理电路需采取措施去除开关抖动。在其调理电路中，采用电容C滤除输入信号中的尖峰电压(主要针对高频干扰)，12V的稳压二极管滤除干扰信号(主要针对低频干扰)，光电耦合器是为了防止外部信号影响内部电路的工作;二极管VD用于保护光耦中的发光二级管以免发光二极管被反向击穿开关量控制信号经CPLD的I/O管脚输出。输出信号经过光耦器件TLP127驱动外部的高电压器件动作。

由于该智能控制单元主要是控制断路器的关合，而断路器的关合过程中会产生强的电磁效应，如果直接由DSP的GPIO管脚驱动，外部电磁干扰有可能使DSP的程序跑飞或使DSP复位，严重影响执行后果，所以系统中开关量的输入/输出均由CPLD完成，其可靠程度将加强。

通信模块

F2812具有增强型CAN控制器eCAN模块，其完全支持CAN2.0B协议，性能较之已有的DSP内嵌CAN控制器有较大的提高，在CAN总线通信时，数据传输更加灵活方便，数据量更大、可靠性更高、功能更加完备，因此本设计采用CAN总线实现智能终端的通信。通信模块的硬件设计主要是CAN总线驱动电路的设计，选用飞利浦公司的CAN通信收发器PCA82C250作为F2812的CAN控制器和物理总线间接口，以实现对总线的差动发送和接收功能。为防止干扰信号的引入，设计中采用高速光耦6N137对F2812及物理总线隔离。RS-232的驱动芯片直接选用MAX232驱动芯片，而RS-485的驱动芯片采用SNLBC184，同时为了防止干扰信号进入，设计中采用光耦TLP521对F2812和RS-232及RS-485总线驱动芯片隔离。

CPLD模块设计

在该智能控制单元中，CPLD是一个重要的组成部分，由CPLD组成的状态采集及输出执行系统可以独立工作，主要是控制断路器的异步关合，接受各种输入的按键操作和状态的输入/输出。同步控制时，CPLD接收DSP传送的动作命令，即可以执行同步关合操作，同时，当状态发生变化时，CPLD将发出中断信号，由DSP读取状态并且作出相应的处理或传送给监控中心。CPLD的输入信号主要有异步的关、合、复位输入，断路器的位置信号、开关小车的位置信号、失压跳闸、过流跳闸、系统电压信号等。其信息输出