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1． 前言 勵磁系統是發電機組重要的輔助裝置，它對發電廠的自動化、發電機組運行的可靠性有著重要作用。隨著科學技術發展，勵磁方式已從直流電機勵磁系統發展到可控硅勵磁，自動調節器從原來的模擬式發展到微機數字式。 本文所研究的勵磁調節裝置，它是以經典和現代控制理論與數字信號處理器DSP技術與嵌入式技術相結合的微機勵磁調節器。它繼承了過去的微機勵磁調節器的全部調節、控制及限制保護功能，同時在計算速度、抗電磁干擾、可靠性等方面有了極大的改進，有效保證整個系統調節、控制功能的實現; 外圍采用先進的大規模可編程邏輯器件，以提高整個系統的可靠性，并形成對用戶開放的邏輯系統。 2．勵磁調節器的組成原理 圖一 勵磁調節系統原理圖 所示為自并勵勵磁調節器系統的組成圖，機自身向可控硅整流橋供電，AVR裝置根據采集的數據經PI或PID計算得到數據控制量，經過比較電路產生觸發脈沖，調節可控硅導通角的大小，使機端電壓保持在恒定值，從而最終達到控制的目的。 該系統主要由微機勵磁調節器；電氣制動停機裝置等分組成。采用兩套相同的控制器冗余配置,物理通道相互獨立,每個通道基本包括:電源系統、主機板、采樣板、模擬量輸入輸出板(A/D,D/A) 、開關量輸入輸出板、脈沖形成及放大板等。 3． 嵌入式系統部分 3.1 嵌入式硬件單元 ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業的一家知名企業，設計了高性能、耗能低的RISC處理器,具有性能高、成本低和能耗省的特點。應用于多種嵌入式領域，配備Thumb擴展、調試和Harvard總線。5級流水線提高了時鐘頻率和并行處理能力。集成有串口，USB Host 控制器，LCD控制器，Nand Flash控制器，IDE， PCMCIA 等多種功能。32K FRAM.最高分辨率1024X768X32芯片,內置以太網控制器，片上資源豐富。 本系統中管理單元是以ARM9為內核,串行并行接口芯片,D/A轉換器等硬件,負責管理液晶、對外通訊、打印、錄波分析。大大增加了系統通信、后臺管理、遠程維護等附加功能，可以運行操作系統以及QT等應用程序，具有比較強的事務管理功能。 控制單元是以DSP為內核,負責脈沖形成、AD轉換、數據運算等。 DSP由于其特殊的結構、專門的硬件乘法器和特殊的指令，使其能快速地實現各種數字信號處理及滿足各種高實時性要求。其優勢在于其強大的數據處理能力和較高的運行速度。 本系統采用ARM和DSP芯片的雙核嵌入式系統，充分利用了ARM和DSP的各自特點進行協同開發。 DSP作為控制部分，可以充分發揮其對數字信號處理的獨特優勢；ARM作為管理部分，則發揮其前臺顯示通訊管理的優勢，使前臺部分相對獨立，減少主CPU負擔；即使發生故障，對后臺主程序不產生影響，相應增強了整個設備冗錯能力。二者通過HPI進行實時數據透明交換。 圖二 ARM+DSP嵌入式硬件圖 3.2 嵌入式操作系統選擇 在ARM 芯片上可以實現多種操作系統的移植,比如Window-CE、VXWorks等,由于Linux具有以下特點: 1)開放的源碼,豐富的軟件資源；2)內核功能強大,性能高效、穩定,多任務易于裁減； 3)完善的網絡通信、圖形、文件管理機制；4)支持大量的周邊硬件設備； 5) 價格低廉可以有效降低產品成本。基于開發成本考慮,最后選用了ARM-Linux系統。 3.3 ARM 與 DSP連接 HPI是一個并行串口，ARM通過它可以之間訪問DSP存儲空間以及地址映射道存儲空間的外圍設備。HPI主要由地址寄存器HPIA，數據寄存器HPID,以及控制寄存器HPIC組成，ARM先通過對控制寄存器和地址寄存器設置，然后根據控制信號進行對數據寄存器讀寫操作。ARM處理器在與HPI的讀/寫前，首先要完成自身工作模式等一系列初始化，其源代碼如下： SYSCFG=0xeTffe22；/*關掉ARM中Cache*/ EXTDBWTH=0K0ffff556; /*使外部I/O接口工作于32位模式*/ EXTAC0NO=0x08610000/*配置外部I/O接口各讀寫時序關系*/ 這段代碼通過對寄存器的操作，配置好ARM處理器工作模式后，對外部I/O接口就可以進行讀寫，從而完成對HPI接口的相應操作了。HPI接口可以用I/O端口方式，也可以用I/O存取方式。系統平臺采用I/O存取方式，將HPI訪問地址寄存器HPIA、數據寄存器HPID、控制寄存器HPIC映射到內存物理地址為0x3fd40000開始的空間，通過訪問存儲器指令對HPI進行操作。 HPI物理地址定義如下： ＃define HPI-Base Ox3fd40000 ＃define Vpint /* volatile unsigned int */ ＃define HPICW (Vpint(HPI-Base +0x00)) ＃define HPICR (Vpint(HPI-Base +0x40)) /* 定義HPIC寄存器 */ ＃define HPIAW (Vpint(HPI-Base +0x10)) ＃define HPIAR (Vpint(HPI-Base +0x50)) /* 定義HPIA寄存器 */ ＃define HPIDW (Vpint(HPI-Base +0x20)) ＃define HPIDR (Vpint(HPI-Base +0x60)) /* 定義HPID寄存器 */ 開始通信時ARM向DSP發送命令(如數據采集)，通過HPI口中斷DSP，使DSP進入相應子程序；同時DSP將數據存入緩沖區，一幀長度為256字節。當ARM向DSP請求數據時，向DSP發送一個幀同步命令字，并同時中斷DSP，DSP響應中斷將數據送入HPI口RAM，存完一幀數據后DSP向ARM發中斷，ARM響應中斷，清除該中斷把HPI口中數據取出存入RAM中，并送終端顯示并循環刷新。 ARM的部分程序流程圖如下圖所示： 圖三 ARM部分程序流程圖 HPI讀寫數據部分代碼： for(i=0 ；i { HPICW=0x00000000； /*初始化HPI口的控制寄存器*/ HPIAW=0x800000000； /*初始化HPI口的地址寄存器*/ hpiBaseAddr=HPIDR； /*通過HPI讀出數據，送到數組中暫存*/ CpLen＝HPISize； if ( copy_to user (buffer , (_u8*)(&hpi>HpiBaseAddr[j]), CpLen )) return-EFAULT; /*將數據拷貝到用戶緩沖區*/ return CpLen } 在開發DSP為內核的控制單元中，大部分代碼采用了C語言來編寫，利用Ti公司提供的開發環境CCS IDE(Code Composer Studio Integrated Development Environment )進行程序編譯、匯編和鏈接，并對程序進行仿真調試，最后將生成的DSP可執行代碼下載到DSP的Flash中。 4．結論及創新點 利用ARM9 CPU 強大的功能, 以及嵌入式Linux多進程多線程編程等提供的便捷高效的底層支持,開發出的勵磁調節裝置具有可靠性高、操作方便等諸多優點，在勵磁調節控制系統中起到了樞紐和核心的作用。本文介紹使用的ARM和DSP雙CPU構成的雙核嵌入式的硬件平臺，給出系統整體硬件設計圖，并詳細介紹了ARM和DSP通信部分的設計。以后基于DSP進行數據處理、ARM進行管理，二者配合的系統將會越來越多、應用也將越來越廣泛。 創新點： (1) 系統用ARM處理器代替單片機,使系統性能得以大大提高； (2) 采用ARM、DSP雙核嵌入式系統，充分發揮了ARM和DSP的各自優勢； (3)工業級大液晶顯示器觸摸屏，替代傳統LCD，友好人機界面易學易用。 |
