1、 辅助电源体系管控单元之软件构设与实现1 绪论1.1 课题研究背景和意义进入 21 世纪以来，中国经济的快速发展加速了城市化的进程。城市化带来了丰硕成果的同时，也带来了一系列的矛盾和问题，交通问题便是其中之一。城市轨道交通（包括地铁、轻轨、独轨）由于其具有运量大、快速、低噪音、舒适安全、节能环保等诸多优点，成为全国各大城市解决交通问题的首选。近年来，越来越多的城市纷纷发展了城市轨道交通，2012 年 9 月，国家发改委批复了全国多个城市的轨道交通建设规划，总投资规模预计超过 8000 亿，我国城市轨道交通进入了大发展时期。城市轨道交通的发展，一方面方便了群众的出行，缓解了交通压力，另一方面促进
2、了国内城市轨道交通设备行业的发展，通过引进吸收国外先进技术，实现关键设备自主研发生产，扭转了完全依赖进口的局面。辅助电源系统（又叫作辅助供电系统）是城市轨道交通车辆上关键电气设备之一，其功能是在车辆运行吋经电弓或第三轨受流输入高压直流电，然后将之变换为多种形式的电能，为车内的各类辅助设备提供电源，其原理如图 1.1 所示。辅助电源系统主要由辅助逆变器、充电机等为核心组成部件，加上其他辅助设备构成I。辅助逆变器将电网的直流电能逆变成 380V、50Hz 的三相交流电，为车辆中的空调机、通风机、照明、旅客信息系统等负载提供电源；充电机将电网的直流电能变换成 110V 和 24V 的直流电压，对列车
3、控制设备供电，同时对蓄电池进行充电2。早期的列车由于采用分散供电的方式，每节车厢都安装了一个辅助逆变器。随着辅助电源产品的愈加成熟、可靠性的不断提高，现在普遍采用集中供电的方式，列车一个单元（一般 2至 3 节车厢为 1 个单元）安装 1 台辅助逆变器。辅助电源系统的优劣，能否正常运行，不仅会影响乘车的舒适性，也会影响到车辆的安全运行3。近年来，为了适应大城市大客流量的需要，城市轨道交通供电网的网压由原来的 DC600V、DC750V 发展为如今的 DC1500VW,同时车辆内部的辅助用电设备逐渐增加，使得车辆的电力需求量增大，这就对辅助电源系统的性能提出了更高的要求。随着嵌入式系统和电力电子
4、技术的发展，为了保证车辆能够长时间的正常运行，并且稳定、高效地为众多辅助设备提供电源，辅助电源系统中普遍采用了高性能的微处理器和先进的电力电子器件，使系统性能得到了大幅提升。然而，系统完全不出故障是不可能的，一旦发生故障，势必会影响车辆的运行，更有可能会危及乘客的安全。此外，某些故障不具有再现性，要想查明故障原因是非常闲难的，这样不利于研发人员对系统进行改善。因此，研发一种针对辅助电源系统的监控系统是非常有必要的。通过对辅助电源的实时监测，掌握其运行状态，对已经形成的或正在形成的故障进行分析诊断，判断故障的部位和产生的原因，及时采取有效的控制措施，做到防患于未然。总而言之，对辅助电源系统实施监
5、控对系统的改善和维护以及车辆的安全运行都具有十分重要的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 辅助电源系统的研究现状在现代化城市轨道交通的发展道路上，国外起步较早，美国、日本、德国等国都己形成完善的城市轨道交通网络，且车辆装备也已经达到一定的水平，其中著名的生产商主要包括西门子、阿尔斯通、ABB、庞巴迪等跨国公司。我国城市轨道交通具有四十多年的历史，但关键的车辆装备还是主要依赖进口。随着国家对城市轨道交通的大力支持以及相应政策的出台，以南车四方机车车辆股份有限公司、株洲电力机车有附公司、长春轨道客车股份有限公司、南京浦镇车辆厂等为代表的国内主要机车车辆生产商纷纷响应国家引进、消化、吸收、再创新
6、 的号召，加大对机车车辆关键技术的研究力度与深度，投入巨大的人力、财力，调集各方优秀科研人员，在引进、消化、吸收国外厂商先进技术的同时，结合我国铁路、轨道交通领域的特点与国情，坚持自主创新，促进我国机车车辆装备技术不断向前发展。目前，国内外对辅助电源系统的研究已经比较深入。随着机车车辆的发展和对运输质量要求的提高，辅助电源系统的结构形式也逐渐多样化，功能逐渐增加，技术指标与可靠性也越来越高。2 监控单元软件总体设计2.1 监控单元功能需求图 2.1 给出了本文研究的辅助电源系统的结构框图，系统按照功能划分成不同的功能电路。其中，输入电路主要包含滤波电路，用以减小外部高压电源的整流波纹，降低进入
7、变换电路的高谐波电流；变换电路，主要由辅助逆变器和充电机组成，对输入的直流高压进行变换；输出电路主要包含交流输出滤波电路和蓄电池充电电路，用以对外部提供稳定的交流电和直流电；控制电路实现对系统中的其他电路进行控制，同时实现对外通讯。电源板实现将外部的DC24V 电压转变为其他电路板需要的各种电源；数字量输入输出板实现信号变换功能，实现外部接口输入信号转变为 TTL 电平的数字信号，或者将内部的数字信号转变为对外接口输出信号；模拟量输入板实现模拟量滤波和降压功能，把外接口输入的高压模拟信号变化为低压模拟信号，同时送出过压，过流等数字信号；主控板的功能为根据系统逻辑，控制外部的各单元电路，实现逆变
8、控制功能，同时具备故障诊断与系统保护功能。监控板即为本文所研究的监控单元，作为 PC 监控软件和辅助电源系统之间的接口，它的主要功能包括以下几个方面：数据采集功能：监控单元能够对辅助电源系统中关键的模拟信号和数字信号进行采集，同时实时接收主控板发来的系统运行状况信息（如整流/逆变状态、系统启/ 停机等）和故障时的故障信息。表 1.1 列出了监控单元需要采集的信号。3FPGA 与 CPLD 的逻辑设计 .143.1XINTF 接口模块设计 .143.2CPLD 逻辑设计 .153.3FPGA 逻辑设计.203.4 本章小结.324DSP 软件设计.334.1 软件工作流程.334.2 初始化程序
9、.334.3 中断服务程序.344.4 数据处理模块.354.5 数据存取模块.374.5.1 物理驱动层.374.5.2 坏块管理层.434.5.3 逻辑接口层.494.6 数据通信模块.514.6.1 串口通信.514.6.2CAN 通信.544.6.3 以太网通信.614.7 本章小结.665 系统测试.675.1 测试环境.675.2ADC 控制模块测试 .675.3 异步 FIF 模块测试 .685.4RTC 控制模块测试.685.5 通佶测试.695.6 系统总体测.735.7 本章小结.75结论本文以辅助电源系统为应用对象，在既有的嵌入式监控单元的硬件平台上，查阅相关的技术文献，
10、进行相应的软件设计工作，实现信号采集、数据的存储和通信，具体工作如下：(1)本文首先介绍了辅助电源系统的结构，给出了监控单元的功能需求；然后针对既有的监控单元硬件平台，分析其硬件结构及主要芯片器件的特性：接着根据监控单元功能需求分别设计了软件的总体结构：FPGA 和 CPLD 釆用自顶而下的设计方法，根据硬件结构，将这个逻辑电路划分成不同的功能模块；DSP 软件采用前后台系统的设计方法，将主程序进行功能划分，给出了软件结构以及各个模块之间的关系。(2)本文使用 QuartusII9.0 幵发环境对 FPGA 和 CPLD 进行逻辑电路设计。由于 DSP 是通过 FPGA 和 CPLD 实现对外
11、部器件的访问，故本文旨先设计了 FPGA 和 CPLD 与 DSP 通讯的 XINTF 接口逻辑电路，然后针对 FPGA 和 CPLD 各自的特点，分别进行逻辑电路设汁。在 CPLD 中，本文使用原珲图设计方法设计了 NandFlash 接口模块、SRAM 接口模块、以太网控制器接口模块和数字量采集模块；在 FPGA 中，本文使用原理图和 Verilog HDL 混合设计方法设计了ADC 控制模块、异步 FIFO 模块、RTC 控制模块和故障检测模块，并进行了功能仿真，通过仿真表明所设计的模块能够实现预期的功能。(3)DSP 软件是本文的主要工作。根据软件的模块划分，本文给出了软件牛程序的工作流程，然后分别对中断服务程序和各个功能模块进行了详细设计，并给出了相关程序的工作流程图或关键代码，主要包括系统初始化硬件和软件的初始化，数据处理实时数据、历史运行数据和系统故障数据的保存，数据存取NandFlash 驱动及坏块管 XP，数据通信RS232、RS485、CAN 和以太网的通信驱动和通信处理。(4)本文最后对前面所设计的功能模块进行了测试。针对软件中的不同模块，设计了不同的测试实验，然后借助 CCS 幵发软件和PC 机上的调试软件査看测试结果。在此基础上，对监控单元的软件进行了整体测试，测试结果表明，本文所设计的软件可以正常运行。
