摘 要：以經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論與數(shù)字信號處理器DSP技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合的微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器，在計(jì)算速度、抗電磁干擾、可靠性等方面有了極大的改進(jìn)。本文介紹了采用最新的ARM技術(shù)的同步發(fā)電機(jī)的自動勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本原理，并進(jìn)一步給出了該裝置主要的硬件、軟件組成及系統(tǒng)特點(diǎn)和運(yùn)行流程，該系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)用于WKKL系統(tǒng)，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效果，具有很好的推廣價值。
關(guān)鍵詞: 勵磁調(diào)節(jié)裝置; ARM; Linux ; 嵌入式
0. 前言
勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組重要的輔助裝置，它對發(fā)電廠的自動化、發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性有著重要作用。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，勵磁方式已從直流電機(jī)勵磁系統(tǒng)發(fā)展到可控硅勵磁，自動調(diào)節(jié)器從原來的模擬式發(fā)展到微機(jī)數(shù)字式。
本文所研究的勵磁調(diào)節(jié)裝置，它是以經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論與數(shù)字信號處理器DSP技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合的微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器。它繼承了過去的微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的全部調(diào)節(jié)、控制及限制保護(hù)功能，同時在計(jì)算速度、抗電磁干擾、可靠性等方面有了極大的改進(jìn)，有效保證整個系統(tǒng)調(diào)節(jié)、控制功能的實(shí)現(xiàn); 外圍采用先進(jìn)的大規(guī)模可編程邏輯器件，以提高整個系統(tǒng)的可靠性，并形成對用戶開放的邏輯系統(tǒng)。
1.勵磁調(diào)節(jié)器的組成原理
圖一 勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖
所示為自并勵勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的組成圖，機(jī)自身向可控硅整流橋供電，AVR裝置根據(jù)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)PI或PID計(jì)算得到數(shù)據(jù)控制量，經(jīng)過比較電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角的大小，使機(jī)端電壓保持在恒定值，從而最終達(dá)到控制的目的。
該系統(tǒng)主要由微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器;電氣制動停機(jī)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(dú)立,每個通道基本包括:電源系統(tǒng)、主機(jī)板、采樣板、模擬量輸入輸出板（A/D,D/A） 、開關(guān)量輸入輸出板、脈沖形成及放大板等。
2. 嵌入式系統(tǒng)部分
2. 1嵌入式硬件單元
ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)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(diǎn)。應(yīng)用于多種嵌入式領(lǐng)域，配備Thumb擴(kuò)展、調(diào)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(nèi)置以太網(wǎng)控制器，片上資源豐富。
本系統(tǒng)中管理單元是以ARM9為內(nèi)核,串行并行接口芯片,D/A轉(zhuǎn)換器等硬件,負(fù)責(zé)管理液晶、對外通訊、打印、錄波分析。大大增加了系統(tǒng)通信、后臺管理、遠(yuǎn)程維護(hù)等附加功能，可以運(yùn)行操作系統(tǒng)以及QT等應(yīng)用程序，具有比較強(qiáng)的事務(wù)管理功能。
控制單元是以DSP為內(nèi)核,負(fù)責(zé)脈沖形成、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)運(yùn)算等。 DSP由于其特殊的結(jié)構(gòu)、專門的硬件乘法器和特殊的指令，使其能快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理及滿足各種高實(shí)時性要求。其優(yōu)勢在于其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度。
本系統(tǒng)采用ARM和DSP芯片的雙核嵌入式系統(tǒng)，充分利用了ARM和DSP的各自特點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同開發(fā)。 DSP作為控制部分，可以充分發(fā)揮其對數(shù)字信號處理的獨(dú)特優(yōu)勢;ARM作為管理部分，則發(fā)揮其前臺顯示通訊管理的優(yōu)勢，使前臺部分相對獨(dú)立，減少主CPU負(fù)擔(dān);即使發(fā)生故障，對后臺主程序不產(chǎn)生影響，相應(yīng)增強(qiáng)了整個設(shè)備冗錯能力。二者通過HPI進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)透明交換。
圖二 ARM+DSP嵌入式硬件圖
2.2 嵌入式操作系統(tǒng)選擇
在ARM 芯片上可以實(shí)現(xiàn)多種操作系統(tǒng)的移植,比如Window-CE、VXWorks等,由于Linux具有以下特點(diǎn): 1）開放的源碼,豐富的軟件資源;2）內(nèi)核功能強(qiáng)大,性能高效、穩(wěn)定,多任務(wù)易于裁減; 3）完善的網(wǎng)絡(luò)通信、圖形、文件管理機(jī)制;4）支持大量的周邊硬件設(shè)備; 5） 價格低廉可以有效降低產(chǎn)品成本。基于開發(fā)成本考慮,最后選用了ARM-Linux系統(tǒng)。
2.3 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(shè)備。HPI主要由地址寄存器HPIA，數(shù)據(jù)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(shè)置，然后根據(jù)控制信號進(jìn)行對數(shù)據(jù)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(guān)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(guān)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(jìn)行讀寫，從而完成對HPI接口的相應(yīng)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(tǒng)平臺采用I/O存取方式，將HPI訪問地址寄存器HPIA、數(shù)據(jù)寄存器HPID、控制寄存器HPIC映射到內(nèi)存物理地址為0x3fd40000開始的空間，通過訪問存儲器指令對HPI進(jìn)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(fā)送命令（如數(shù)據(jù)采集），通過HPI口中斷DSP，使DSP進(jìn)入相應(yīng)子程序;同時DSP將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，一幀長度為256字節(jié)。當(dāng)ARM向DSP請求數(shù)據(jù)時，向DSP發(fā)送一個幀同步命令字，并同時中斷DSP，DSP響應(yīng)中斷將數(shù)據(jù)送入HPI口RAM，存完一幀數(shù)據(jù)后DSP向ARM發(fā)中斷，ARM響應(yīng)中斷，清除該中斷把HPI口中數(shù)據(jù)取出存入RAM中，并送終端顯示并循環(huán)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(shù)據(jù)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[i]=HPIDR; /＊通過HPI讀出數(shù)據(jù)，送到數(shù)組中暫存＊/
CpLen=HPISize;
if （ copy_to user （buffer , （_u8＊）（&hpi>HpibaseAddr[j]）, CpLen ）） return-EFAULT;
/＊將數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)＊/
return CpLen
｝
在開發(fā)DSP為內(nèi)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(fā)環(huán)境CCS IDE（Code Composer Studio Integrated Development Environment ）進(jìn)行程序編譯、匯編和鏈接，并對程序進(jìn)行仿真調(diào)試，最后將生成的DSP可執(zhí)行代碼下載到DSP的Flash中。
3.結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)
利用ARM9 CPU 強(qiáng)大的功能, 以及嵌入式Linux多進(jìn)程多線程編程等提供的便捷高效的底層支持,開發(fā)出的勵磁調(diào)節(jié)裝置具有可靠性高、操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在勵磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)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(gòu)成的雙核嵌入式的硬件平臺，給出系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)圖，并詳細(xì)介紹了ARM和DSP通信部分的設(shè)計(jì)。以后基于DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、ARM進(jìn)行管理，二者配合的系統(tǒng)將會越來越多、應(yīng)用也將越來越廣泛。
創(chuàng)新點(diǎn)：（1） 系統(tǒng)用ARM處理器代替單片機(jī),使系統(tǒng)性能得以大大提高; （2） 采用ARM、DSP雙核嵌入式系統(tǒng)，充分發(fā)揮了ARM和DSP的各自優(yōu)勢;（3）工業(yè)級大液晶顯示器觸摸屏，替代傳統(tǒng)LCD，友好人機(jī)界面易學(xué)易用。
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