基于TMS320F28335的高压变频调速系统逻辑控制单元设计

摘要：高压变频调速系统需与DCS通信，对进出线断路器、接触器等电气设备进行状态检测、动作控制，并对这些开关量的时序进行记录与查询，以提高系统的安全性和智能化水平。现针对高压变频调速系统的开关量信号检测、控制、记录与查询，介绍了基于DSP的逻辑控制单元的原理、硬件和软件设计。

关键词：DSP;高压变频调速系统;开关量;逻辑控制单元

0    引言

高压变频调速系统广泛应用于电力、化工等行业，对进出线断路器等电气设备的通断检测与控制、DCS控制命令响应与反馈、设备故障的检测与处理等是其安全运行的必要条件。高压变频调速系统的逻辑控制单元主要完成开关量输入信号检测，开关量输出信号控制，电气设备的控制、保护、联锁，外部故障检测，运行事件记录与查询，与主控、触摸屏通信，以提高系统的安全性、可靠性和智能化水平。

1    系统简介

逻辑控制单元以0.5 ms为周期，对开关量输入信号进行检测，经逻辑处理后控制输出继电器动作。

如图1所示，逻辑控制单元与主控间用CAN通信，其向主控发送设备信息、逻辑处理结果，并从主控接收运行信息，此外两者间还用GPIO直接连接，对于实时性要求高的紧急任务，主控操作GPIO触发逻辑控制单元的外部中断XINT，逻辑控制单元及时响应以避免CAN通信延时;逻辑控制单元检测DCS发出的控制命令，并向DCS做出反馈;触摸屏与逻辑单元通过RS485总线连接。

2    硬件设计及实现

2.1    DSP系统及工作原理

逻辑单元由DSP系统、开关量电路、通信接口电路组成，电路结构框图如图2所示。

DSP采用TMS320F28335，该器件采用Harvard总线架构，最高主频150 MHz，可快速中断响应和处理，外部接口XINTF地址范围超过2M×16，片内集成了常用接口如SCI、SPI、CAN等，是一款高性能低功耗DSP[1]。

TMS320F28335外部接口（XINTF）是一种异步总线，可以访问片外存储空间。XINTF被映射到3个固定区域0、6、7，每个区域可被设定为具有不同的等待状态、建立和保持时序，每个区域都有相关区域芯片选择信号，并且当执行到一个特定区域的访问时，由区域芯片选择切换支持，这些特性可实现XINTF到多个外部存储器和外设的无缝连接[1]。因此，本文把DI、DO通道连接到DSP数据线，且DI、DO映射到不同的XINTF区域，用DSP的XINTF访问外部存储空间的方式访问DI、DO，即在DSP程序内定义位于不同的XINTF区域的若干地址，然后读写这些地址空间。

如图2所示，读DI时以读信号XRD、XINTF的7区芯片选择信号XZCS7、复位信号XRS作为译码器SN74LVC138A的使能输入，以DSP地址线XA[3：5]作为译码器的选择输入，用译码器的输出作为电平转换芯片SN74ALVC164245的输出使能信号。本文DI通道使用3片SN74ALVC164245，因此需在程序中定义3个相应地址。SN74ALVC164245的输出为三态，使能端为高电平时输出为高阻，3片分别使能就避免了总线冲突。

同理，写DO时以写信号XWE、XINTF的0区芯片选择信号XZCS0、复位信号XRS作为译码器SN74LVC138A的使能输入，以DSP地址线XA[3：5]作为译码器的选择输入，用译码器的输出作为D型边沿触发器SN74ACT574的clock信号，本文DO通道使用4片SN74ACT574作为锁存寄存器，2片用于系统内DO，2片用于DCS通信，因此需在程序中定义2个相应地址。SN74ACT574的输出为三态，使能端为高电平时输出为高阻态。DSP的GPIO0在复位时默认是输入方向，且禁用内部上拉电阻，因此用GPIO0作为使能端信号，并在外部使用电阻上拉，那么在复位时SN74ACT574输出为高阻，DO继电器可设置为断开状态。

如图3所示，每个XINTF访问由三部分组成：建立、有效和跟踪[2]。读DI时，在XRD有效期间对XINTF的7区地址译码以使能相应的电平转换芯片，把DI通道连接到数据总线，在XRD上升沿后数据保持。写DO时，XWE有效期间，数据到达D触发器D输入端，对XINTF的0区地址译码，在XWE的上升沿Q端输出D端数据。

2.1.1    复位电路

启用DSP片内看门狗，在主循环和中断服务程序中喂狗。在DSP片外，用电源监控芯片TPS3305-18 RESET连接DSP的XRS。该芯片为双电源监测电路，监测1.9 V和3.3 V，其上电复位发生器有固定延时200 ms。当芯片电源VDD≥1.1 V时RESET输出。XRS有效时，SN74LVC138A的输出均为高电平。

2.1.2    实时时钟电路

對系统运行事件的记录与查询中时间信息必不可少，特别是在分析设备开关动作时序时时间信息尤为重要，本文中采用实时时钟芯片DS3231，并附加电池供电，在必要时自动切换至备用电源保持准确的时间。此RTC维护秒、分、时、日、月和年信息，为提高时间的分辨率，在DSP内使用定时器维护毫秒信息。

2.1.3    存储电路

运行事件单条记录包括时间信息、事件类型（开关量状态）、存储序号，为增加存储空间外扩SPI接口FLASH存储器W25Q128JV。芯片阵列被组织成65 536个可编程页面，每个页面256个字节，一次最多可编程256个字节，页面可以4 kB扇区、32 kB块、64 kB块或整个芯片进行擦除，小型4 kB扇区操作在应用程序中灵活性更大。在使用标准串行外围接口（SPI）时支持高达133 MHz的时钟频率，本文使用DSP SPI接口能达到的最高时钟频率是12.5 MHz。此外，该器件数据保留期超过20年。

2.1.4    通信电路

逻辑单元作为变频调速系统的一部分，为了对逻辑单元进行时间设置、配置参数，查询系统运行事件记录数据，本文设计了RS485通信接口，与系统触摸屏连接。DSP的SCI接口外接RS485收发器ADM2587E。ADM2587E内部集成隔离式DC/DC转换器，提供2.5 kV信号和电源隔离、±15 kV ESD保护，最高数据速率500 kb/s，共模瞬变抗扰度>25 kV/μs，本文中配置为半双工模式。该器件具有电流限制和热关断功能，以防出现输出短路和总线竞争可能导致过度功耗的情况。如图4所示，L1为共模电感，能够衰减共模干扰;C1、C2为滤波电容，给干扰提供低阻抗的回流路径;D1、D2、D3为TVS，抑制瞬变和浪涌干扰。

2.2    开关量输入信号采集电路

开关量采集电路是将断路器、接触器等设备的辅助触点类无源开关信号送入DSP，如图5所示。为保证在工业现场复杂电磁环境下系统安全可靠运行，输入信号经EMC处理，以提高抗干扰能力，再经光耦隔离、滤波、波形整形，然后通过具有三态输出的电平转换收发器SN74ALVC164245连接DSP数据总线XD[0：15]。接触器等设备机械执行机构在动作过程中存在抖动，为确保开关量采集的准确性需在DSP程序中对开关量进行防抖处理。

2.3    开关量输出电路

高压变频调速系统逻辑控制单元采集系统运行所需的各个设备信息，经过逻辑分析和判断，以开关形式输出控制信号，控制系统本地设备并与DCS通信，使系统能够安全可靠地运行。

图6所示为开关量输出电路，DSP输出信号经触发器锁存、光耦隔离后驱动三极管控制继电器线圈。由上文可知，在DSP复位和上/下电时SN74ACT574输出为高阻，则光耦U2的原边开路，副边的三极管截止，因此三极管T1的基极为低电平，继电器U3的线圈无驱动电流，其输出开路，这是一确定状态，从而避免了继电器在上下电时误动作。二极管D1用于继电器的驱动线圈在关断时续流。图6中光耦实现了电平转换以及高、低压的电气隔离，继电器在提供大负载能力的同时，实现了控制系统与外部强电的隔离，提高了DSP系统抗干扰能力。

3    软件设计及实现

逻辑单元软件采用模块化设计，主要包括主程序和中断服务子程序。主程序用于上电初始化和循环进行通信接收处理、运行事件缓存写入FLASH。中断服务程序为CPU定时器周期中断和通信接收中断。

3.1    主程序

系统上电后进入主程序，总体流程图如图7所示。进入主程序先关闭看门狗，接着进行系统初始化，关全局中断、外设中断设置、外设初始化、软件相关初始化、同步RTC时间、启动定时器、记录上电事件信息，再使能外设中断、全局中断、使能看门狗，最后进入主循环。通信接收处理包括串口通信处理和CAN通信处理，前者是指判断通信接收状态和对在通信接收中断服务程序中存储的报文数据进行处理，如设置时间、查询事件信息，并根据需要调用发送程序进行标准应答和数据传送;后者是根据标志位启动CAN发送程序，标志位和邮箱数据在0.5 ms定时器中断更新和设置。高压变频调速系统因其电压高的特点对实时性要求很高，而写FLASH速度相对较慢，特别是在故障时短时间内产生大量数据，为提高处理速度，在记录运行事件数据时先将数据放入RAM内，然后在主程序中把新数据写入FLASH。

3.2    定时器中断服务程序

高压变频调速系统对开关量采集、输出的准确性和实时性都有较高要求，应在准确的前提下提高实时性，避免误判和误动作。为提高开关量变位时间分辨率，本文设置CPU定时器中断周期为0.5 ms。如图8所示，首先在ISR内进行软件计时，提高缓存运行事件时读取时间数据的速度，接着读取开关量并进行防抖处理，以提高准确性，再综合信息进行逻辑分析与判断，对判断结果以继电器通断方式输出，然后判断运行事件变化并进行缓存，最后以最新数据更新CAN发送邮箱并设置发送标志位。

4    结语

开关量信号的检测、控制、记录与查询，对高压变频调速系统十分重要，本文中的逻辑控制单元已在电力、化工等行业投入使用，各项性能指标皆达到原设计要求，运行可靠，状况良好，特别是运行事件记录与查询在故障分析中发挥了关键、高效的作用。

[参考文献]

[1] Texas Instruments Incorporated.TMS320F2833x/TMS320F-

2823x 數字信号控制器（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

作者简介：毕涛（1983—），男，江苏南京人，硕士，工程师，研究方向：电力自动化计算机应用技术。