電力電子裝置在調試和研發的過程中，需要經常性地改動相關的控制參數，同時需要實時監測裝置運行過程中的各關鍵點處的電量波形。現在的電力電子裝置，其控制板的主控芯片通常采用 DSP（數字信號處理器），由于其硬件條件的限制，進行控制參數（如 PID的各控制系數）的修改時，往往需要不斷地更改和燒寫程序，很難實時地在線進行參數修改，同時也很難向裝置發送復雜的控制指令；另外，現在裝置的調試過程中，在需要監測相關點處的電量波形時，往往采用多通道隔離示波器進行。這一方面大大增加了裝置的研發成本，同時由于示波器的通道數有限，不能隨時增加和變更所監測的波形點，另外示波器的探頭受到電磁兼容性的制約，長度有限，調試時使用起來也造成了很多不便。
筆者所在的課題組承擔了 100%低地板輕軌車的研制任務，在裝置的開發過程中，由于前述的原因，需要開發一款用于參數設定、裝置控制和實現模擬波形輸出的通用控制器。該控制器利用裝置所支持的通訊協議向裝置發送命令以及進行參數的在線修改，同時實時查看裝置的工況，接收裝置發送的數字量和數字化的模擬量等運行數據。此外，控制器具有多路 DA輸出,在 DA輸出端接上示波器就可以通過按鍵選擇查看遠程裝置上模擬量的基本情況，以實現示波器的遠距離電量監測。控制器可以靈活更改各 DA通道所對應的電量，大大增加了示波器采樣通道的利用率。在通訊協議上，控制器支持 RS232、RS485、CAN總線和以太網協議以最大限度地滿足不同裝置的通訊需求。同時，控制器對于相關裝置所發送過來的數字量參數，可以使用液晶進行實時顯示。對于數字化的模擬量參數，控制器一方面可以實時計算出其平均值、有效值等特征量使用液晶單元進行顯示，另一方面可通過 8路 DA轉換器進行轉換后輸出到示波器的采樣通道進行顯示。控制器的液晶單元在顯示數據時，可以自動根據該數據的大小決定其小數部分的位數，以始終保留 4位有效數字。所有相關的參數設置和接收到的數據，控制器均可以儲存到鐵電存儲器中，掉電后數據不丟失，方便下次繼續使用。
2 控制器的硬件組成及功能
通用控制器系統硬件組成如圖 1所示。
其中，控制器的 CPU單元采用 TMS320C28X系列中的 DSP2812，它具有串行外圍接口（SPI）、兩個串行通信接口（ SCIs）、改進的局域網絡（ eCAN）、多通道緩沖串行接口（McBSP）。DSP2812主頻高，能夠滿足通用控制器的通訊速率，同時可以很好地支持通用控制器所需要的 RS232、RS485、CAN總線、以太網、 DA轉換等外圍設備，降低了系統的開發難度。
系統中的液晶顯示單元采用 LCM128645ZK型中文液晶顯示模塊。該模塊電源操作范圍寬（2.7V to 5.5V），其低功耗設計可滿足產品的省電要求；同時，模塊與微控器的接口界面靈活（三種模式：并行 8 位/4位，串行 3 線/2線），可實現漢字、 ASCII 碼、點陣圖形的同屏顯示, 支持所有的主流液晶操作指令，預留多種控制線（復位/串并選擇/亮度調整）供用戶靈活使用。DSP2812使用通用 I/O口與 LCM128645ZK進行通訊，發送相關的控制指令和數據控制其執行相應的操作。
控制器所包括的功能鍵，包括頁面和菜單項的向上/向下移動、參數數據的增加/減少、當前參數的修改 /確認、系統各項功能的選擇等。按鍵采取行列掃描方式進行排列。在掃描按鍵時，先進行行掃描，再進行列掃描。通過行列掃描的結構共同判定當前是哪個按鍵被按下。同時，通過軟件實現了按鍵消抖，提高了操作的準確性和可靠性。按鍵與 DSP2812的 I/O接口相連，最大可擴展為 16個（4*4）按鍵陣列，以滿足各項操作的要求。
D/A轉換選擇了 12位 8路的 DA芯片 AD5328，其 DAC更新速率為 167ksps，DAC設置時間為 6μs，DAC形式為電壓型。DA轉換器通過 DSP2812的 SPI總線進行數據交互，并用 DSP的 2個 I/O接口與之相連作為控制信號。
RS232通訊模塊使用 MAX232作為總線的接口芯片，與 DSP的 SCI接口相連。 RS232主要用于控制器與 PC機之間的通訊及實現 DSP程序的遠程燒寫。
RS485通訊模塊使用 MAX485作為總線的接口芯片，與 DSP的 SCI接口相連。模塊內部采用了 HCPL2610高速隔離光耦用作電平轉換和信號隔離，模塊的輸出側裝設了的防過壓涌流和抗干擾電路，以提高通訊的可靠性。
CAN通訊模塊選用了 DSP2812的增強型區域網絡控制器（ eCAN），與現行的 CAN2.0標準兼容。它可強電子噪聲的環境中與其他控制器可靠地進行通訊。借助 32個完全可配置的郵箱和時間標志特性，eCAN模塊提供了一種具有通用性和魯棒性的串行通信接口。
以太網通訊模塊選用 LAN91C111作為控制芯片，使用數據線、地址線以及 I/O口與DSP2812相連接。 LAN91C111的主要功能如下：自適應的傳輸速率，支持 100M／10Mbps；支持突發數據的傳輸；8kb的內部存儲器件用于接收和發送的緩存；支持 8位，16位，32位的數據傳輸方式；提前發送和接收功能。
除此之外，我們還選用鐵電存儲器 FRAM，通過 I/O接口擴展了 DSP 2812的 RAM。 TMS320F2812內部已經集成了 18KB的 RAM，對于一般的應用來說，已經無須再擴展外部 RAM。片內 RAM能以 150MIPS的速度進行訪問，在對運算速度要求很高的處理程序中，通常將經常訪問的程序段放到內部 RAM中運行，這樣能大大提高運行速度。而本系統是一個網絡通信系統，將來會用于進行大量數據的網絡傳輸，因而應外擴 RAM作為數據緩沖區。RAM選用 Ramtron公司的FRAM，FRAM具有 RAM和 ROM優點，讀寫速度快，并可以像非易失性存儲器一樣使用。
通用控制器的實物圖如圖 2所示。
3 控制器的軟件設計
實際使用過程中，下級電力電子裝置的通訊協議可以選擇 RS232/RS485/CAN/以太網中的任意一種。圖 3為使用控制器時，某電力電子裝置系統的網絡結構圖。
如圖 3所示，系統由主控單元 MCU和輔助控制單元 ACU組成，其中 MCU使用 2個 DSP作為主控芯片。圖中每個 DSP都配置了相應的通訊模塊。用戶需要對 MCU或 ACU的相應參數進行高采樣頻率的實時監測時，通過控制器的以太網接口使能目標單元中的以太網模塊，該模塊即可以通過以太網開始向控制器傳輸指定的參數和數據。圖中使用控制器的 CAN通訊接口連接了 MCU和 ACU的內部 CAN控制網絡，進行控制指令的發送、相關運行參數的查看和設置、系統控制過程中時間和指令的同步以及發送周期性的心跳幀進行系統通訊狀態的判斷，同時 CAN網絡也可以傳輸某些低采樣頻率的運行數據。圖中的 RS485總線作為備用通訊總線，在 CAN總線出現故障時投入運行。
3.1 系統總體軟件流程
根據上述的通訊網絡結構，可設計系統總體軟件流程，系統的軟件流程如圖 4所示。
系統首先上電初始化，初始化后系統先對 CPU和液晶進行初始化，設置必要的寄存器，清空液晶的顯示數據，使其進入相應的工作方式。
程序中每隔 10ms對按鍵掃描一次，檢查是否有鍵按下，如果有按鍵按下，則根據預先確定的工作時序控制液晶的顯示，實現頁面的翻轉、菜單項的移動、相關參數的修改和顯示等功能。通訊數據的接收是通過相應通訊接口的標準位查詢或接收中斷進行的。
圖4 系統的軟件流程圖 圖 5 CAN通訊子程序流程圖
3.2 CAN通訊實現
控制器的軟件設計涉及到基于 RS232總線、RS485總線、CAN總線以及以太網等 DSP數據通信接口設計，限于篇幅考慮，現僅簡單介紹一下 CAN通信的實現，其他通訊協議的實現與之原理大致相同。
主程序中進入相應的通訊模塊后，調用子程序，進行數據傳輸。子程序流程圖如圖 5所示。
初始化 CAN模塊,使能 CAN模塊時鐘,設置波特率及發送接收郵箱標識符,配置發送接收郵箱指向及字節數,使能所有郵箱。
判斷是否需要發送數據，如現在模式為向目標 DSP發送命令或者發送更改的參數,則進入發送數據程序,清除所有發送郵箱的發送響應位,把命令或參數數據寫入郵箱數據區 ,置位發送請求寄存器中的響應標志來啟動消息發送,直到相應郵箱的發送響應標志被置位。
如果無發送指令或發送已完成,則進入接收程序。當收發器接收到總線數據時，接收郵箱未決寄存器中的相應標志位被置位。查詢這一位狀態，即可判斷是否收到數據，讀取接收郵箱里的數據后重置接收標志 RMP，等待下一次接收。
接收到數據后，數字量即可在液晶上顯示，模擬量可以通過 DA轉換器用示波器觀察。
4 總結
本文作者的創新點為該通用控制器可以通過 CAN、以太網、RS485、RS232等通訊方式實現對電力電子設備參數的修改及設置，并可通過液晶顯示。經過實際的調試和使用，本文設計的通用控制器已經應用于某牽引供電系統的電力電子裝置上，運行良好，抗干擾性和可靠性達到了設計要求。根據其它電力電子裝置的調試需求，本通用控制器可以靈活進行更改，操作簡便。