基于TMS320LF2812A的侧拉门控制器研究

仇维斌，严 岩，黄巧亮，欧红香

● （1.今创集团股份有限公司，江苏常州 213102；2.江苏科技大学，江苏镇江 212003；3.常州大学，江苏常州213164）

基于TMS320LF2812A的侧拉门控制器研究

仇维斌1，严 岩2，黄巧亮2，欧红香3

● （1.今创集团股份有限公司，江苏常州 213102；2.江苏科技大学，江苏镇江 212003；3.常州大学，江苏常州213164）

针对动车组气动侧拉门硬线控制的不足，开展了基于TMS320LF2812A的侧拉门控制器的研究。分析了该门控制器的硬件框图、原理图以及软件控制算法，对外部硬线信号的监控以及当前门状态的分析进行开关门动作。同时采用敏感胶条检测法和时间检测法对障碍物进行检测。可靠的硬件结构及增强的状态机算法，实现了可靠的侧拉门控制。结果表明，该设计鲁棒性强，能满足系统要求。

门控制器；TMS320F2812A；PTE

0 引言

随经济发展，我国的铁路先后迎来了几次大提速，这对客车的安全性要求提出了更大挑战。动车组气动侧拉门控制系统作为铁道客车最重要的组成部分之一，自然对它的安全性，也提出了更高要求[1]。目前动车组气动侧拉门一般都由硬线信号直接控制，而硬线控制只能机械地执行开关门及压门动作，不能将门状态反馈到司机室的显示屏上进行监控。此外，当关门遇到障碍物时，也不能做出相应的开门动作，无法防止车门夹人的事件发生，这很难满足铁道客车对安全性的要求。针对这些不足之处，本文给出了一种新型的侧拉门控制器(下文简称为DCU)。

本文给出的DCU作为侧拉门控制系统的一个主要部件，接收来自硬线的控制命令并控制相关继电器的动作，从而执行开关门及压门动作。在关门遇到障碍物时，能作出相应的开门动作及声光报警。同时通过SPI串口通讯，将系统参数以及系统故障存于外扩的存储芯片中，以便需要时进行读取。此外门控器也可与 TCMS(Train Control and Management System，列车控制和管理系统)进行数据通讯，将门系统的运行状态、系统参数以及实时故障反馈到司机室的显示界面上[2]。

DCU的可靠性将极大决定了整个气动侧拉门控制系统的可靠性。为满足铁路运行的复杂干扰环境，本次研究在硬件架构及软件算法的设计方面充分考虑了电磁兼容性，以保证DCU运行的可靠性。

1 系统功能

1.1 功能要求

作为门系统的核心部件，DCU具有以下主要功能：

1）接收硬线开关门指令、压门指令、5km/h信号、关门到位信号、敏感胶条受压信号，并在检测到障碍物情况下输出开门命令及音响控制命令。

2）设计PTE(Portable Test Equipment，手持式测试设备)软件，通过PTE软件可对DCU内部参数进行设定、读取门的状态、查询门的故障情况等。

3）DCU内部存储关门受阻时重关门延迟时间和重关门次数等参数，这些参数都能根据实际情况，通过 PTE软件作出适当调整。

4）与TCMS进行数据通讯，将门的状态信息、系统参数以及门的故障事件反馈到司机室的显示屏上，以便司机实时了解门系统的状况。

5）软件具有自诊断能力。

1.2 控制原理

在本设计中，采用DCU与硬线相冗余的方式实现对气动侧拉门的控制，从而满足铁道客车对安全性的要求[3]。在正常情况下，DCU内的开门继电器不得电，此时开关门命令完全由来自司机室的硬线信号控制。仅当DCU检测到障碍物后，线路板上的开门继电器线圈才得电，输出开门信号，同时音响控制继电器线圈得电，发出声光(音响)信号。当发生诸如DCU电源故障、CPU损坏、内部系统故障等情况时，来自硬线的开关门命令、压紧命令还能不经过DCU直接控制门的开关，系统仅丧失障碍物检测功能部分。

为防止输入信号故障而导致车门误动作，DCU同时接收列车5km/h信号，当列车时速高于5km/h时，DCU不执行任何动作。控制系统硬件框图如图1所示。

图1 控制系统硬件框图

2 DCU硬件电路设计

为了保证DCU硬件的可靠性，设计了信号采集电路、电源调理电路对输入DCU的信号和电源进行处理。同时,通过RS485模块实现通信电平的隔离，以避免外部电平变动对DCU内部硬件电路的影响。此外，考虑到铁路运行的复杂干扰环境，本设计采用抗干能力强的DSP芯片来作为本DCU的处理器。

2.1 TMS320F2812A芯片简介

TMS320F2812A是TI公司主推的一种高性能、低价格和低功耗的DSP处理器，它具有如下特点：1）处理速度达到150MIPS，具有很好的数字处理能力。2）内部具有两套互相独立的事件管理器，每套都包含：两个16位通用定时器，8个16位的PWM通道。

3）高性能的12位ADC的转换时间为80ns，提供多达16路的模拟输入。

4）内部集成串行通信接口SCI及同步串行外围的接口SPI，集成了增强型的局域网络控制器eCAN和多通道缓冲串行端口McBSP[4]。

气动侧拉门控制系统是在公众场合下应用的一种要求高度安全、高可靠性的部件，而TMS320F2812A是一款针对工业控制领域的数字信号处理器。所以本设计采用TMS-320F2812A作为控制器的核心单元无论在控制实时性还是可靠性方面都能得到保证。

2.2 DCU硬件设计

2.2.1 DCU 硬件电路原理框图

DCU硬件电路以集成有RAM、SCI、数字I/O、SPI等资源的TMS320F2812A控制器为核心部件，并外扩时钟芯片、EEPROM等资源[5]，硬件框图如图2所示。

图2 DCU硬件框图

1）PTE单元和TCMS单元通过RS485模块进行电平隔离及转换后通过SCI与DCU进行通信。

2）数字I/O端口通过光电隔离电路进行隔离，以隔绝外部干扰信号对内部电路的影响。

3）为了消除外部电源电压波动对DCU的影响，在进行电路设计时，增加了电源调理电路。

4）EEPROM和SD2200时钟芯片分别通过SPI模块和I2C模块与DSP芯片进行通信。

2.2.2 信号采集电路

此电路用于采集开关量信号，开关量信号的电压变动范围为77VDC～137.5VDC。

为满足高安全性、高可靠性的要求，在进行信号采集时，做了如下处理。

1）在设计信号采集电路(如图3)时，外部输入信号与内部电路之间，采用光电隔离来消除干扰。同时应用了冗余设计思想，即对每一种信号都进行两路采集，两路中只要有一路信号有输入，则认为该信号有效。同时软件中进行了互斥判断，一旦发生信号互斥，则进行报警。

图3 信号采集电路

2）在信号输入侧布置了电阻R8和R9、压敏电阻VR3、安规电容C3、二极管D1和稳压管DZ1等器件，以防止外部高电压对后续电路的损害，滤除外界干扰信号，限制电路电流，并起到防止外部信号反接造成光藕反向击穿等作用。

2.2.3 电源调理电路

拥有可靠的电源输入对DCU的正常工作起至关重要的作用，所以在进行电源调理电路设计时，采用了多级处理电路(如图4、5、6所示)，以确保电源调理电路的可靠性。

图4 电源调理前置电路

图5 两级滤波电路

图6 电压变换电路

在进行电源调理电路设计时，充分考虑了电源的可靠性及EMC设计。

1）在电源调理前置电路中布置了压敏电阻VR1、安规电容C1等，以防止外部高电压对后续电路的损害，如图4所示。

2）在两级滤波电路中布置了防雷管SA1、高压电容C16，C17、防反接二极管D3、压敏电阻SK1、SK2及T1、T2两级共模电感等来进行EMC设计，如图5所示。

3）如图6所示，在电压变换电路中选用了低纹波、宽输入电压的DC/DC隔离模块，以满足列车上对77VDC～137.5VDC的宽供电电压范围，同时在DC/DC隔离模块的输入及输出端布置了吸收高频及低频干扰的滤波电容，以进一步消除纹波干扰对系统的影响。图7给出了逻辑控制的完整有限状态机切换图。控制器在每种状态下不断判断转移条件，若转移条件为真，则状态改变。

图7 逻辑控制单元有限状态机切换图

3 DCU软件设计

在软件设计时，除了要实现“1.1功能要求”所描述基本功能外，还要考虑系统对高安全性、高可靠性的要求。

3.1 门状态及有限状态机设计

在进行软件逻辑设计时，根据门的运动状态设定了如表1所示的状态机变量。

表1 状态机变量

3.2 DCU主程序设计

主程序由多个任务和数据缓冲池构成，除了有持续执行的循环任务外，还有空闲任务和中断任务[6]。系统提供1 ms的时钟中断，任务的执行以此时间片为基准。

障碍物检测任务、输入信号检测任务、输入信号互斥监控任务、数据处理任务以及故障检测任务将每 100ms执行一次[7]。PTE数据通讯任务与TCMS数据通讯任务则是在接收到来自PTE或TCMS的请求帧后，才会被执行。DCU与PTE、DCU与TCMS之间采用Modbus主从通讯协议，DCU作为从机，在中断中接收来自PTE或 TCMS的请求帧，并置位相应的标志位，然后在主程序中进行数据的准备和发送。主程序框图如图8所示。

图8 主程序框图

3.3 障碍物检测

在执行关门指令时，DCU会对关门过程进行监控，当监控到敏感胶条受压信号或者关门10 s(该参数可设定)后还未收到门关到位信号时，则认为关门过程中遇到了障碍物，DCU发出开门指令，进行开门动作。执行开门动作10s(该参数可设定)后，再次尝试关门动作，如此往复3次(该参数可设定)之后，如果门还没有关到位，则执行开门动作并保持门开状态[8]。DCU将反馈障碍物信息至TCMS，在DCU内部进行一次故障记录并发出报警。障碍物检测程序框，如图9所示。

图9 障碍物检测程序流程图

4 结语

详细介绍了基于 TMS320LF2812A的侧拉门控制器的设计方法。目前，该产品已经顺利通过了功能试验、绝缘耐压试验、EMC试验、冲击振动试验、温度试验以及耐久性试验，试验结果表明该设计鲁棒性强，能满足系统要求。

[1]陈倩.地铁车辆客室塞拉门运动仿真及安装工艺分析[D].成都:西南交通大学, 2012.

[2]朱书娟,徐刚,陈勇胜,等.浅谈高速动车组车门通信系统[J].中国科技博览, 2013 (24): 464-464.

[3]尚江傲.上海轨道交通11号线北段车辆车门控制系统设计[J].电力机车与城轨车辆, 2012(1): 9-12.

[4]TMS320F/C281X DSP Controllers Reference Guide[C]//TI,2012.

[5]徐科军,陈志辉,傅大丰.DSP应用技术[M].北京:科学出版社, 2012.

[6]孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京:清华大学出版社, 2008.

[7]仇维斌,欧红香.一种基于 TMS320LF2407A 的地铁屏蔽门门机控制器设计[J].微电机, 2009, 42(9):37-39.

[8]司尚卓,周利.上海地铁 11号南项目车门控制系统设计[J].科教导刊, 2012 (3): 200-201.

DNV GL集团在中国总部上海举办未来六大主旨内部发布会

为庆祝基金组织DNV成立150周年暨与GL的合并元年，DNV GL集团于2014年6月26日在中国总部上海举办了未来六大主旨的内部发布会，DNV GL集团上海地区200多名员工参加这一盛会。

DNV GL集团区域总裁Torgeir Sterri先生及可持续发展执行官Bjørn Kj Haugland先生致开幕词。可持续发展副主席Sven Mollekleiv先生主持了精彩的脱口秀问答环节，并向所有员工介绍了安全及可持续发展的未来。

医疗卫生战略及研发中心总监Rune Torhaug先生和高级研发人员Eva Turk先生向大家介绍了医疗卫生领域技术转型所带来的影响力。

国际海事方面的专家Tore Longva先生则向与会员工详细分析了船运业的未来。

随后，战略研发中心的高层们则带来了一系列在气候变化、电力未来及未来风险分析等方面的主旨演讲。

这是DNV GL集团成立一年来首次举办的内部分享会，建立信心是公司的核心，信任也是我们的经营理念。DNV GL集团现在展示的是更宽广的视野，并协助客户向着更安全、更智能、更环保的未来迈进！

（DNV GL）

Study on Side Door Control Unit Based on TMS320LF2812A

QIU Wei-bin1, YAN Yan2, HUANG Qiao-liang2, OU Hong-xiang3
(1.KTK Group Co., Ltd., Changzhou 213102, China; 2.Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,China; 3.Changzhou University, Changzhou 213164, China)

To avoid the shortcomings of hard line control on railway passenger car pneumatic side door, the side door control unit(DCU) based on TMS320LF2812A is studied.The hardware block diagram, schematic diagram and software control algorithm of DCU are elaborated.The opening and closing of the door is controlled by monitoring the external signal and the current state of the door.The obstacle detection is performed by using sensitive edge detection method and timing method.The reliable hardware structure and enhanced state machine algorithm can achieve the reliable control of the side door.The results show that the design is robust，which can meet the system requirements.

DCU; TMS320F2812A; PTE

TP23

A

仇维斌（1972-），男，高级工程师，硕士。主要研究方向为电力电子变流技术及传动控制。