基于ARM和DSP的直流牵引系统馈线保护装置设计

陈　瑶，乔卿阳（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）



基于ARM和DSP的直流牵引系统馈线保护装置设计

陈瑶，乔卿阳
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

摘要：地铁直流牵引系统馈线保护是直流系统的核心组件，是安全运营的前提保障。而随着微型计算机的发展，其在直流牵引系统方面的应用也越来越广泛。该论文阐述了基于ARM和DSP双CPU馈线保护装置的设计，对保护装置的硬件结构、软件设计方案进行了详细的分析。该装置模块化的设计方案，集测量、控制、保护、通讯于一体的功能，完全适用于综合自动化的管理。该装置已用于武汉三号线、四号线，成为全国首个全国产化线。随着全国直流牵引系统的发展，此装置有着更广泛的前景与经济效益。

关键词：地铁直流牵引系统保护装置DSPARM

0　引言

随着地铁系统的快速发展，直流牵引供电系统得到了越来越广泛的应用，其核心技术是直流供电控制与保护，但国内主要城市的地铁直流保护设备基本来自国外，代表性的产品是瑞士赛雪龙和德国西门子的产品。但是国产化的方向势不可挡。我所自主研发的保护装置已在武汉地铁三号线，四号线投入运行，且取得了很好的应用效果，为我国的地铁直流牵引供电系统的全面国产化提供了很好的帮助。本文就我所研制的保护装置的硬件设计和控制逻辑进行了阐述。

1　芯片功能简介

1.1TMS320F28335简介

TMS320F28335型数字信号处理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。 它具有150 MHz的高速处理能力，具备32位浮 点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出 （HRPWM），12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平均性能提高50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。

1.2STM32F103ZE简介

STM32F103ZE是STM32F103系列高端配置芯片，cortex-M3内核的32位处理器（内部数据路径，寄存器，存储器都是32位），采用哈佛结构，72M主频，LQFP144封装，片上有512K的flash和64K的SRAM。

2　硬件设计介绍

本设计中的硬件主要构架为DSP+ARM模式。DSP的任务：

1）读取模拟量及IO量，对其进行滤波处理；

2）实现保护算法；

3）完成逻辑控制；

4）完成事件记录及数据录波任务。

ARM的任务：

1）完成与上位机通讯功能；

2）完成与人机界面的通讯功能；

3）完成事件记录和数据录波的掉电存储。

两CPU按照一定的通讯协议，通过双口RAM完成数据的读取或存储。事件记录存储在EEPROM中，可掉电保存1000条，数据录波存储在FLASH中，可掉电保存30条

硬件结构图如图1。

3　软件设计介绍

本设计软件设计分位两个部分，DSP和ARM

3.1DSP部分软件设计

DSP芯片主要有一个主循环和一个微秒级的定时中断程序处理。在主循环中，查询定值修改标记，将修改后的定值存储于EEPROM中，掉电保存。微秒级定时中断程序，要完成多个保护算法，对开入状态进行滤波及检测，且完成控制逻辑等输出。将IO、模拟量、定值等值传给ARM。DSP的软件流程图，子程序流程图、中断子程序流程图如图2、图3、图4。

3.2ARM软件结构

ARM芯片运行的是ucos系统，其完成的主要工作就是两个任务，两个定时器中断程序，一个接收中断。一个微秒级的定时器中断程序，要完成模拟量的读取，且完成故障录波任务，具体就是查询故障录波启动标记，当故障启动后，则存储故障前后点数，存储完毕后写入FLASH，每个故障存储三条曲线，电流、电压、电流变化率。一个毫秒级的定时器中断程序，完成对IO量的读取，事件记录的读取，其他标记字的读取。以太网任务完成的是与后台通讯的解析等。串口任务完成的是与人机界面的通讯。

图1　硬件结构图

图2　DSP软件总流程图

图5、图6、图7分别为ARM软件总流程图、定时器1中断程序流程图、定时器2中断服务程序流程图。

图3　主循环程序流程图

图4　定时器中断子程序流程图

图5　ARM软件总流程图

图6　定时器1中断服务子程序流程图

图7　定时器2中断服务子程序流程图

4　结束语

基于ARM和DSP的直流牵引系统馈线保护装置利用双CPU模式，软硬件模块化的设计，很好的实现了馈线保护、控制的功能，是电气化铁道变电站自动化技术发展的必然趋势。

参考文献：

［1］李斌，隆贤林.电力系统继电保护及自动装置［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［2］罗承廉.继电保护及自动化新原理、新技术研究及用用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2005.

［3］刘学军，段慧达，辛涛 编著.继电保护原理［M］.北京：中国电力出版社，2012（4）.

An ARM and DSP-based Equipment for DC Traction Power Supply System

Chen Yao，Qiao Qingyang
（Wuhan Insititute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract：The protection equipment is the core components for DC traction power supply system.As the development of microcomputer，it is widely used in DC traction power supply.This paper describes the DSP and ARM-based protection equipment for DC traction power supply system.It integrates measurement，control，protection and communication functions.This protection equipment has been used in Wuhan metro line-3.line-4.With the development of city metro，the protection equipment has broad prospect and great economic benefit.

Keywords:metro； DC traction power supply system； protection equipment； DSP； ARM

中图分类号：TM588

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0040-03

收稿日期：2016-03-10

作者简介：陈瑶（1983-），女，硕士，工程师。研究方向：电器控制。