基于DSP的直流電源供電系統的設計 - 全文

引言

　　電源在系統中可靠、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的設計方法。該系統可通過對系統電壓、電流參數的實時監控和對過流、欠壓保護的快速響應來實現系統直流供電的智能化。

　　1 系統總體設計

　　實際系統通常有多路負載，為研究方便，在此以單路來進行討論。其系統組成如圖1所示。其中電源管理器是該供電系統的控制核心，包括DSP處理器、CAN接口、電流及電壓檢測電路等。系統上電后，即可對蓄電池的電壓和電流進行不間斷監控。混合充電器可接受直流或交流供電輸入，其中：直流來自車輛發電機組，當電源管理器檢測到車輛發電機的轉速信號高于某一設定值時，即接通繼電器l實現直流供電，反之則斷開；交流供電來自市電220 V，當電源管理器檢測到市電接入時，將斷開繼電器1以實現交流優先供電。繼電器2作為系統中的控制元件，可在電流傳感器檢測到系統過流時馬上斷開。上位機與電源管理器之間可通過CAN進行通信。系統上電后，可由電源管理器向上位機發送電壓、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

　　本直流電源供電系統的電源管理器采用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150MHz，具有強大的數據處理能力和快速的中斷響應能力。TMS320F2812片內有128Kxl6位Flash和18Kxl6位高速RAM。片上還集成了豐富的外設資源，其中包括SPI、SCI、eCAN和MeBSP等串口外圍設備，以及16通道的12位模數轉換器(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。

　　本系統的硬件功能結構如圖2所示。圖中，蓄電池電壓經電壓檢測電路采集后，便可進入ADC的CHO通道，蓄電池的電流信號經電流傳感器和信號調理電路后即可進入ADC的CHl通道；發動機轉速信號由DSP的外設模塊事件管理器(EV)捕獲單元CAP以實現采集；DSP內嵌的eCAN控制器則可通過CAN收發器后與上位機相連，從而實現系統的通信控制；另有3路GPIO口分別用于實現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、復位電路和JTAG。下面詳細討論該系統的參數采集設計和CAN接口設計。

　　2．1 參數采集

　　(1)電壓采集

　　蓄電池的電壓信號采集通常可以由線性光耦HCNR201和運算放大器LM358P來實現，其具體的電壓采集電路如圖3所示。HCNR201是美國Ag-ilent公司生產的高精度模擬光耦，具有成本低、線性度高、穩定性高、設計靈活等特點，它由一個高性能的發光二極管(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，再乘以相應的倍數，即可恢復電壓的原始值。若經過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。可以看出，通過調節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，具體參數的選擇請參考相關文獻。但在設計中要特別注意：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所產生的磁場，可通過一個副邊線圈的電流Im所產生的磁場進行補償，從而使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態。當原副邊補償電流產生的磁場在磁芯中達到平衡時，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；Im為副邊補償電流；M為副邊線圈的匝數。由上式可以看出，在已知傳感器原邊和副邊線圈匝數時，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，從而實現原邊電流的隔離測量。

　　本設計采用閉環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進入儀表放大器AD620調理后，即可進入DSP的ADC通道ADC_CHl，圖5所示是其電流采集電路。

　　(3)轉速采集

　　發電機輸出的轉速是一個近似的正弦信號，其峰峰電壓值在l～20 V之間。轉速信號采集電路的原理如圖6所示，輸入的轉速信號經整流、限幅并在三極管的開關作用下可變為方波信號，然后經過光電隔離后輸入到DSP控制引腳CAP2，即可進行捕獲。

　　2．2 CAN接口

　　本系統中的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，設計中，需配置該引腳為CAN外設模式。CTM8251AT芯片內部集成有CAN隔離及CAN收發器件，可將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，且具有高達DC 2500V的隔離電壓，而且接口簡單。在輸出信號CAN_H、CAN-L之間并聯一個120 Ω的電阻可進行阻抗匹配，以抑制反射波的干涉。

　　3 軟件設計

　　3．1 軟件流程

　　本系統的主程序和CAN接收中斷程序流程如圖8所示。工作流程：系統開機后進行上電自檢、初始化設置，如有故障則進行故障排除，無故障則程序進入while循環，在該循環內進行參數采集、CAN數據發送、負載開機控制。中斷程序負責從上位機接收CAN數據。

　　3．2 CAN通信設計

　　TMS320F2812數字信號處理器所集成的增強型CAN控制器通信接口與CAN2．0B協議完全兼容，其32個可以獨立配置的郵箱及其時間標志特性有力地保證了電磁噪聲環境下與其他控制器的串口通信能力。

　　設計中，配置郵箱0為查詢方式發送，郵箱16為中斷方式接收，數據采用標準數據幀(11位ID)格式，相應的信息發送和接收流程如圖9所示。當配置為發送時，設置相應郵箱的傳送請求標志(TRS)為1啟動發送，當相應郵箱的傳送應答標志(TA)置位時表明發送數據成功，清除應答標志TA等待下一次發送；對于接收郵箱，每個郵箱成功接收到信息后，郵箱的接收數據懸掛寄存器(RMP)相應的位為l并初始化一個中斷，讀取數據后需要清除RMP位。