一种基于DSP的直流电源供电系统的设计

摘要：为了提高系统电源供电的可靠性和智能化，提出了一种以TI高性能数字信号处理器TMS320F2812为控制器且基于CAN总线的直流电源供电系统的设计方法。同时详细讨论了基于CAN总线的系统软件流程设计和调试方法。
关键词：DSP；直流电源；CAN总线；参数采集

O 引言
    电源在系统中可靠、安全的运行离不开对它的实时临测和控制。为了提高系统供电电源的可靠性，本文以集成有eCAN模块和ADC采集模块
的TMS320F2812数字信号处理器作为核心控制器，提出一种直流电源供电系统的设计方法。该系统可通过对系统电压、电流参数的实时监控和
对过流、欠压保护的快速响应来实现系统直流供电的智能化。

1 系统总体设计
    实际系统通常有多路负载，为研究方便，在此以单路来进行讨论。其系统组成如图1所示。其中电源管理器是该供电系统的控制核心，包括DSP处理器、CAN接口、电流及电压检测电路等。系统上电后，即可对蓄电池的电压和电流进行不间断监控。混合充电器可接受直流或交流供电输入，其中：直流来自车辆发电机组，当电源管理器检测到车辆发电机的转速信号高于某一设定值时，即接通继电器l实现直流供电，反之则断开；交流供电来自市电220 V，当电源管理器检测到市电接入时，将断开继电器1以实现交流优先供电。继电器2作为系统中的控制元件，可在电流传感器检测到系统过流时马上断开。上位机与电源管理器之间可通过CAN进行通信。系统上电后，可由电源管理器向上位机发送电压、电流信号的采集信息，同时，电源管理器可接收来自上位机的指令信息。

2 硬件实现
    本直流电源供电系统的电源管理器采用TMS320F2812为处理器，该芯片是美国TI公司2000系列的32位低功耗定点DSP，主频高达150MHz，具有强大的数据处理能力和快速的中断响应能力。TMS320F2812片内有128Kxl6位Flash和18Kxl6位高速RAM。片上还集成了丰富的外设资源，其中包括SPI、SCI、eCAN和MeBSP等串口外围设备，以及16通道的12位模数转换器(ADC)和56个独立的可编程、多用途的通用输入输出接口(GPIO)等。本文用到的资源有eCAN、ADC、CAP和GPIO。

    本系统的硬件功能结构如图2所示。图中，蓄电池电压经电压检测电路采集后，便可进入ADC的CHO通道，蓄电池的电流信号经电流传感器和信号调理电路后即可进入ADC的CHl通道；发动机转速信号由DSP的外设模块事件管理器(EV)捕获单元CAP以实现采集；DSP内嵌的eCAN控制器则可通过CAN收发器后与上位机相连，从而实现系统的通信控制；另有3路GPIO口分别用于实现AC220V接入检测及继电器1、继电器2的通断控制；其它电路还包括电源、复位电路和JTAG。下面详细讨论该系统的参数采集设计和CAN接口设计。[!--empirenews.page--]
2．1 参数采集
    (1)电压采集
    蓄电池的电压信号采集通常可以由线性光耦HCNR201和运算放大器LM358P来实现，其具体的电压采集电路如图3所示。HCNR201是美国Ag-
ilent公司生产的高精度模拟光耦，具有成本低、线性度高、稳定性高、设计灵活等特点，它由一个高性能的发光二极管(LED)和两个光敏二极管PDl、PD2组成。

   由于这种DSP信号处理器内嵌的ADC采集模块的信号输入幅值范围为0～3 V，故需将蓄电池的端电压信号先经电阻R3分压处理，以保证光耦
输出的信号电平符合DSP的输入要求，在软件编程时，再乘以相应的倍数，即可恢复电压的原始值。若经过R3后的信号为Vin，光耦输出的信号为Vout，则有：
    Vout=KVinR2／R1 (1)
式中，K为传输增益，对于每一只HCNR201来说，K是恒定的，其值在1+0．05之间，典型值为1。可以看出，通过调节R1、R2的值可改变该隔离电路的增益。本例中，选择R1=R2，即仅实现电压信号的隔离而不放大。Cl、C2作为反馈电容，主要用于信号滤波，具体参数的选择请参考相关文献。但在设计中要特别注意：必须保证U2、U3是分开供电的。
    (2)电流采集

    闭环霍尔电流传感器的工作原理如图4所示，它的原边电流In所产生的磁场，可通过一个副边线圈的电流Im所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时，即有如下等式：
    NIn=MIm (2)
式中：In为原边电流；N为原边线圈的匝数；Im为副边补偿电流；M为副边线圈的匝数。由上式可以看出，在已知传感器原边和副边线圈匝数
时，通过测量副边补偿电流Im的大小，即可推算出原边电流In的值，从而实现原边电流的隔离测量。
    本设计采用闭环霍尔电流传感器来采集蓄电池的电流信号，该霍尔电流传感器的输出信号Sensor_IN进入仪表放大器AD620调理后，即可进入DSP的ADC通道ADC_CHl，图5所示是其电流采集电路。

    (3)转速采集
    发电机输出的转速是一个近似的正弦信号，其峰峰电压值在l～20 V之间。转速信号采集电路的原理如图6所示，输入的转速信号经整流、限幅并在三极管的开关作用下可变为方波信号，然后经过光电隔离后输入到DSP控制引脚CAP2，即可进行捕获。

2．2 CAN接口
    本系统中的CAN接口电路如图7所示，其CAN_TX、CAN_RX分别来自TMS320F2812(176PGF)的脚87和引脚89，设计中，需配置该引脚为CAN外设模式。CTM8251AT芯片内部集成有CAN隔离及CAN收发器件，可将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，且具有高达DC 2500V的隔离电压，而且接口简单。在输出信号CAN_H、CAN-L之间并联一个120 Ω的电阻可进行阻抗匹配，以抑制反射波的干涉。

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3 软件设计
3．1 软件流程
    本系统的主程序和CAN接收中断程序流程如图8所示。工作流程：系统开机后进行上电自检、初始化设置，如有故障则进行故障排除，无故障则程序进入while循环，在该循环内进行参数采集、CAN数据发送、负载开机控制。中断程序负责从上位机接收CAN数据。

3．2 CAN通信设计
    TMS320F2812数字信号处理器所集成的增强型CAN控制器通信接口与CAN2．0B协议完全兼容，其32个可以独立配置的邮箱及其时间标志特性有力地保证了电磁噪声环境下与其他控制器的串口通信能力。

    设计中，配置邮箱0为查询方式发送，邮箱16为中断方式接收，数据采用标准数据帧(11位ID)格式，相应的信息发送和接收流程如图9所
示。当配置为发送时，设置相应邮箱的传送请求标志(TRS)为1启动发送，当相应邮箱的传送应答标志(TA)置位时表明发送数据成功，清除应
答标志TA等待下一次发送；对于接收邮箱，每个邮箱成功接收到信息后，邮箱的接收数据悬挂寄存器(RMP)相应的位为l并初始化一个中断，读取数据后需要清除RMP位。

4 结束语
    本文基于带有CAN总线控制器的DSP芯片TMS320F2812设计了一种直流电源供电系统，同时详细阐述了该电源供电系统参数的采集方法和CAN总线接口的设计技巧。使用表明，该系统在恶劣环境下具有良好的工作性能，可为工程测量领域提供一种完备的测试方案，具有较强的工程应用价值。