收稿日期:2004-08-28作者简介:黄绵华(1974-),男,安徽太湖人,讲师,博士生,研究方向为状态监测及通信与信息系统。
基于TMS320F2812的高压电机保护装置黄绵华1,陈光大1,李诗晗2(11武汉大学动力机械学院,湖北武汉430072;21武汉大学电信学院) 摘要:基于普通单片机的电动机保护装置由于受其自身速度和资源的限制,在实际应用中可靠性和实时性还存在着不少问题;TI 公司2000系列DSP 中最新最先进的T MS320F2812芯片的工作频率高,系统资源丰富。
将T MS320F2812应用于高压电动机保护,使得保护装置硬件结构紧凑,保护功能强大,可靠性和实时性都得到了大大提高。
关键词:DSP ;T MS320F2812;电机保护中图分类号:T M774;T M93019 文献标识码:B 文章编号:100020682(2005)0420050203A kind of TMS320F28122based high 2voltage motor protectorH UANG M ian 2hua 1,CHE N G uang 2da 1,LI Shi 2han 2(1.College o f Power &Mechanical Engineering under Wuhan Univer sity ,Hubei Wuhan 430072,China ;2.College o f Electronic Information under Wuhan Univer sity ) Abstract :The m otor protector consisting of a general single 2chip microprocess or do not perform very well in operation because of the limitation of its speed and res ources.The T MS320F2812chip is the m ost advanced DSP of the TI C o ,which is provided with high w orking frequency and abundant res ources.The DSP is used to design a m otor protector ,making its construction com pact and its protective function powerful ,thus im proving its reliability and real 2time characteristic.K ey w ords :DSP ;T MS320F2812;m otor protection0 引 言 高压电机一般都是用于工业生产中的重要场所,它的可靠运行对于生产安全来说非常关键;而电机保护设备又是电动机可靠运行的主要保障,电动机保护设备最为重要的特性指标就是可靠性和实时性。
目前在市场上应用的电动机保护装置最为先进的是基于普通单片机的微机保护,这类设备为了保证测量、计算和保护的实时性,在设计时往往采用多CPU 结构,采用插件的形式,这导致在力图保证实时性的同时,设备结构复杂性大大提高,可靠性降低,很大程度是因为所采用芯片的局限性所致。
DSP 芯片是专门为快速实现各种数字信号处理而设计的、具有特殊结构的微处理器,文中介绍了TI 公司2000系列DSP 中最新最先进的T MS320F2812芯片在高压电动机保护中的应用,大大提高了电机保护的可靠性和实时性。
1 TMS320F2812DSP 芯片 T MS320F2812是美国TI 公司最新研制的2000系列数字信号处理器,是面向电机控制、工业自动化的第一款带片内Flash 、工作频率达到150MH z 的32位DSP 。
它采用经典哈佛总线结构,利用多总线在存储器、外围模块和CPU 之间转换数据,这种多总线结构使得它可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据,同时它采用了指令流水线技术,保证信号处理的快速性和实时性。
T MS320F2812芯片的内部存储器包括14K 的RAM 和128K ×16bit 的Flash ;芯片内集成的外围模块非常丰富:包括16通道12bits 的ADC 模块;16通道的PW M 输出;多达56个独立的、可编程的G PI O 口;3个带有6种模式的通用目的定时器;3个可配置死区的比较器;3个单端比较单元;4个捕捉单元;同时还集成有多种串行接口:完全符合RS232标准的双通道串行接口、C AN 总线模块、McBSP 接口和图2 信号调理电路SPI 接口,这些都充分保证了通信设计的方便。
2 基于TMS320F2812的高压电机 保护装置整体设计 保护装置包括5大部分:主功能系统、电源、电量输入和开关量处理、通信及人机接口。
结构框图如图1所示。
图1 高压电机保护装置框图 装置充分利用了T MS320F2812芯片高集成度的特点,是实现数据采集、数据处理、数据存储和传输等功能的主要芯片,附带信号变换和调理电路,不需外扩外围功能芯片,这使得装置整体电路规模大大精简,不论是集成度还是可靠性都有质的提高。
211 数据采集 保护中的首要功能就是数据采集,装置直接利用了T MS320F2812芯片中集成的ADC 模块来实现,其最高采样速度可达1215MSPS ,因此无论在采集通道数、采样精度还是采样速度上都满足电机保护的要求。
ADC 模块内建双采样保持器(S/H ),可以根据需要配置,既可配置成两个独立的8通道模块,也可将这两个独立的8通道模块级联而形成一个16通道模块。
ADC 模块的模拟量输入范围为0～3V ,在电机保护现场电流信号取自电流互感器CT 二次侧,并将其作为装置内电流变送器的输入,在装置中选用的是西南自动化研究所的W BI513C0型电流变送器,其输出的信号为0～25m A ,不能直接输入到T MS320F2812的ADC 模块,所以必须设计具有信号转换和滤波等功能的信号调理电路。
装置中选用了TI 公司的自校准精密双运算放大器T LC4502作为信号调理电路的核心芯片,T LC4502是利用1μm/5V 数字C M OS 技术制造的高性能运算放大器,它具有非常高的直流增益以及良好的电源抑制比和共模抑制比。
图2所示为一路电流信号的调理电路。
212 数据存储在保护装置运行过程中有许多参数需要修改和保存,特别在保护动作时需要保存当时日期时间、当时电机运行参数和动作信息,而T MS320F2812中没有集成EEPROM ,这就需要外扩EEPROM ,考虑到T MS320F2812提供了SPI 串行接口,笔者选用了Mi 2crochip T echnology Inc.的25AA320,它是32K bytes SPI总线串行EEPROM ,25AA320与T MS320F2812的接口电路如图3所示,从电路图中可以看出选用25AA320使得接口电路简单,可靠性好,实时性也能得到保证。
图3 EEPROM 25AA320接口电路213 数据通信在目前应用的电机保护装置中,基于热继电器的保护和基于晶体管集成电路的保护之所以逐渐被淘汰,主要是它们不具有通信接口,不能和其他系统通讯,形成了“信息孤岛”,与目前生产现场信息化、网络化趋势的要求相矛盾。
基于普通单片机的电机保护装置一般都具有通信接口,主要是RS232或RS485接口,尤其以RS232接口居多,虽然在一定程度上缓解了以上所述的矛盾,但目前在应用电机保护装置比较集中的地方(如火电厂、大型泵站),现场级大多采用现场总线的通信方式,特别是C AN 总线,在这种情况下,具有RS232或RS485接口的基于普通单片机的电机保护装置就很难满足要求,T MS320F2812不仅集成了完全符合RS232标准的双通道串行接口,而且集成了C AN 总线模块。
文中所述的基于T MS320F2812的高压电机保护装置同时提供了RS232通信接口和C AN 总线接口,完美地解决了保护装置与其他系统的通信问题。
T MS320F2812中集成的C AN 总线模块是增强型C AN (eC AN )模块,支持C AN 技术规范210B ,最高达1Mbps 速率,并带光电隔离;在基于T MS320F2812的电机保护装置中,设计提供C AN 总线接口是在集成的eC AN 模块的基础上,外扩了TI 公司的313V C AN 总线收发器S N65H VD232,相关电路如图4所示。
图4 C AN 总线收发器S N65H VD232接口电路3 软件设计概述 传统单片机的开发系统构成大致如下:将仿真器和目标板相接,仿真器代替目标板上CPU 的功能,将应用程序通过与PC 相接的电缆下传到仿真器并运行。
DSP 的开发和传统单片机的开发有较大的区别,现存DSP 芯片基本上都设计了J T AG 接口(J T AG 接口根据IEEE114911标准而设计的边界扫描电路,专门用于完成仿真和测试的一套硬件电路),TI 公司在原有IEEE114911标准的基础上又进行了扩充,通过J T AG 接口可以实现引脚连通性检验、外围运行检验、访问片内所有资源、在线仿真、程序下载、厂家测试等。
DSP 开发装置中所说的仿真器完成的功能是并行口数据格式向J T AG 接口格式的转换;与传统意义上用仿真器暂时去取代CPU 的方式不同。
TI 公司针对DSP 软件开发和仿真调试已经推出了基于不同内核的综合开发平台CCS (C ode C om 2poser Studio ),针对2000系列内核DSP 的综合开发平台是CCS2000,它支持标准C 语言、汇编语言和算术助记语言,另外DSP —BI OS 的使用和实时数据交换提供了方便快捷的开发环境。
基于T MS320F2812的高压电机保护装置的软件开发和仿真调试选用的是CCStudio V2.02,采用标准C 语言作为程序设计语言,其编译效率和直接用汇编语言已经没有太大的差距,并且由于在电机保护算法中要运用到大量的浮点运算和三角运算,而TI 公司提供的浮点运算库I QMath 可以在标准C 程序中直接调用,对于普通的浮点乘法运算,其执行周期为20个时钟周期左右,三角函数运算的执行周期用40多个时钟周期,最为复杂的开方运算执行周期也只用60个时钟周期,运算效率相当高,当系统工作频率在150MH z 时,这些浮点运算耗时相当少,有利于提高系统的实时性。
4 功能设计 基于T MS320F2812的高压电机保护装置可实现启动保护、电流速断保护、过流保护、负序电流保护、热过载保护、零序过流保护和低电压保护等主要保护功能。
