基于嵌入式技术的整流器控制系统

许敬涛，陈红波（广州电器科学研究院，广东广州510300）

基于嵌入式技术的整流器控制系统

许敬涛，陈红波（广州电器科学研究院，广东广州510300）

介绍了以ARM和FPGA等作为硬件基础，采用μC/OS-II实时嵌入式系统作为软件平台，实现了可应用于电化学、金属加工、电子、电力等行业的整流器控制系统。

整流器；控制系统；嵌入式系统；ARM；FPGA

数字式调节器大多采用IntelX86系列、DSP系列或多CPU框架结构，存在软硬件功能欠缺或硬件复杂的问题。

随着数字集成电路制造技术的发展，技术更新换代的周期愈来愈短，集成度愈来愈高，功能愈来愈强大。现场可编程逻辑阵列控制器（FPGA）和以ARM系列单片机为代表的高性能精减指令架构（RISC）处理器日趋完善。这2类器件都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽、功耗低、开发工具先进、开发周期短、设计制造成本低、质量稳定等特点，在工业控制领域得到了广泛应用。

在新型控制系统中，采用了ARM+FPGA组合架构。根据系统的需求，充分利用ARM和FPGA的各自优势，配合完成调节器功能。ARM指令灵活，可以实现调节控制；FPGA时序控制能力和并行处理能力强，适合固定的算法和时序逻辑处理，可以实现频率测量、同步采样、FFT、同步检测、脉冲形成和冗余逻辑。这种架构组成的系统不仅集成度高、功耗小，脉冲输出组态灵活，而且提升了系统的性能和可靠性，降低了系统成本。

1 系统硬件设计

1.1 硬件组态

控制系统可组态为单通道和双通道，其模式分别见图1、图2。其硬件分别为：1个或2个调节通道（含主控板、模拟量板、IO板）；1块开关量板；2块通讯模块；1套人机接口单元。

图1 单通道模式

在双通道模式中，2个调节通道互为热备用，使用对等冗余技术。2套调节器的冗余接口通过电缆进行交叉连接，可以实现运行/备用状态的自动切换，不需要第3方模块参与，简化了系统结构。通道冗余的前提条件是能够正确有效地对调节器的失效进行检测和处理。调节器失效分为以下2种情况。

（1）外部条件不具备。在检测到外部条件不具备时，系统将设置相应的运行级别，由冗余控制逻辑来控制系统进行切换或继续运行。

（2）内部系统故障。系统使用了多路电源，1个ARM和1个FPGA以及部分逻辑芯片。在这些器件中，逻辑芯片的故障率最低，如74LCX245为1.4FIT（1FIT表示1 000个样品工作106 h，只有1个发生故障），可以认为它是可靠的。其他如电源系统故障、ARM和FPGA的失效则需要监视。由于没有第3方监视模块，调节器内部必须完成实时监视，在发生任何一个严重故障时，立即退出运行。

ARM内部集成Watchdog，并周期性输出信号给FPGA，由Watchdog和FPGA同时监视ARM的执行，在ARM死机的情况下，FPGA立即闭锁信号输出，自动退出运行。

FPGA由ARM和内部的监视单元同时监视，在出现问题时，由CPU或监视单位控制置FPGA到复位状态，逻辑电路自动闭锁输出。

1.2 调节通道

调节器的核心是嵌入式ARM处理器和现场可编程逻辑阵列控制器（FPGA）。

ARM处理器采用RISC架构，具有体积小、低功耗、低成本、高性能等优点，集成有丰富的外设，包括存储器、通讯接口等，第3方开发工具多，支持嵌入式操作系统。

此系统充分利用ARM处理器的优势，使用它来完成调节运算和对外通讯。ARM从FPGA读取开关量、模拟量，执行控制流程，形成控制信号以及通道冗余控制信息，再写入FPGA，FPGA根据这些信息，形成脉冲。

FPGA采用Altera公司的EP2C8型芯片，它属于CYCLONE II系列。其内部逻辑可以自由定义，具有精确时序和同步、快速决策及任务并行执行等优点。FPGA内部集成大容量RAM和多个DSP单元，可以完成高密度的数字信号处理。利用FPGA的特点，在1个芯片内实现多个相互独立的模块，所有模块并行操作。这些模块包括同步采样、交流采样算法、平均值算法、频率补偿、同步接口、同步备用、脉冲形成、通道冗余逻辑等，极大地简化了系统设计。FPGA具有良好的可配置特性，不需要修改电路板就可以完成很多功能的调整，使设备的升级变得非常容易，也可使控制系统满足不同行业整流设备的要求，比如十二相整流、正负不对称脉冲电源等。在该系统的设计中，FPGA发挥了非常重要的作用。

1.3 开关量板

对24 V的输入信号进行隔离转换，将转换后的24 V信号经过扁线送给IO扩展板，IO扩展板上的输出信号通过扁线到开关量板，由开关量板经过隔离转换后，驱动24 V继电器输出。

1.4 通讯模块

2个通讯模块实现的功能一样，通讯模块1采集CAN总线上的数据后，置于相应的寄存器地址中，屏幕可对数据进行读取操作；通讯模块2采集CAN总线上数据，置于相应的寄存器地址中，供给外部监控使用。2个模块中的寄存器对应的数据可根据实际使用情况进行变更。

1.5 人机界面

人机界面是实现调节器与运行操作人员交流的媒介。它负责设备运行状态故障信息的显示及用户操作指令解释与传送。人机界面可以是触摸屏，也可以是后台微机，它们采用相同的连接方式接入控制系统中。

1.6 部分技术指标

低功耗ARM处理器，FPGA具有全并行DSP单元，每秒可完成10万次FFT；A/D转换分辨率达16位，12通道，量程±12 V，采样频率200 kHz/通道；具有48路光隔离开关量输入，32路继电器输出；2路DA输出，分辨率12位，电压范围0～24 V；可控硅控制角分辨率为0.002 7；移相范围为0～180°。

2 系统软件结构

系统软件包括操作系统和应用程序任务2个部分。为了保证多个任务实时运行，本系统采用了μC/OS-II实时操作系统作为软件平台。

2.1 μC/OS-II

μC/OS-II是可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务操作系统，已在工控行业得到广泛应用。μC/OS-II的源代码完全开放，它面向嵌入式应用，其大部分源代码用可移植性的C语言编写，在设计之初，就充分考虑了可移植性。

以嵌入式处理器为中心搭建好硬件电路时仅提供了裸机运行平台，要使整个系统有限的硬件资源充分利用起来，还需要嵌入式实时操作系统（RTOS）的软件支持。之所以在控制器中应用实时操作系统，是因为RTOS将应用分解成多个任务，简化了应用系统软件的设计；RTOS也使控制系统的实时性得到保证，可以接近理论水平；良好的多任务设计，有助于提高系统的稳定性与可靠性。

2.2 应用程序任务

应用程序主要实现闭环调节、调试接口以及逻辑控制等功能。应用程序中包含通讯接口（串行口、CAN）的驱动功能，负责各种状态信息的整理。

（1）闭环调节

根据工作模式实现正向、反向闭环控制，峰值、谷值闭环控制。

（2）调试接口

提供和调试软件的接口。PC通过该接口完成系统的参数调整、功能测试、状态监测、示波器等任务。调试接口是控制系统性能参数调整的功能最完整的接口，供生产厂家与高级用户使用。

（3）过程控制逻辑

根据运行操作人员设置的工作模式、工艺曲线参数，控制整流设备输出。

软启动/软停机过程的定时给定调节；根据α角自动调节有载开关档位；自动/手动跟踪与切换；直流反馈故障时自动切换到交流反馈；根据故障等级发出报警、封锁脉冲、跳高压开关等动作信号；A/B通道跟踪与切换。

（4）定时中断任务

定时中断服务程序通过信号量控制主调节任务的执行，定时间隔即为调节周期。由于调节任务是独立的任务，只能由操作系统负责调度，调节任务同定时器之间需要通过信号量完成同步。

（5）通讯任务

通讯任务包括RS232串行口和CAN 2种不同方式的接口实现。其中，串行口用于和调试软件的连接，提供控制系统全部功能控制接口；CAN口用于同控制系统其他网络器件交换信息，提供状态采集与部分控制功能接口。

3 脉冲组态

系统提供12路脉冲输出，可以根据实际应用需求灵活组态。对于简单的6脉波、12脉波、正反向6脉波均可以十分容易地实现，并可以根据需要提供单向叠加脉冲波形和正反向快速脉冲波形。

4 结语

基于嵌入式技术的整流器控制系统充分利用了微电子领域的前沿技术和嵌入式实时操作系统的优势。在硬件设计上，采用RISC结构的微处理器+大规模可编程逻辑器件模式，一方面，使硬件电路具有较强的可重塑性和广泛的适应性，另一方面，减小电路功耗，提高集成度和可靠性；在软件设计上，采用嵌入式操作系统作为开发平台，完善多任务运行机制，提高系统实时性和软件运行可靠性。

Rectifier control system based on embedded technology

XU Jing-tao,CHEN Hong-bo
(Guangzhou Electric Apparatus Research Institute,Guangzhou 510300,China)

The rectifier control system that was applied in electrochemistry industry and metal working, electronics and power industry was introduced,which was ARM and FPGA as the hardware basis and μC/ OS-Ⅱreal time embedded technology as software platform.

rectifier;control system;embedded system;ARM;FPGA

TM461

B

1009－1785(2010)10－0001-03

2009-09-16