基于μC/OS-Ⅲ系统的AMP板卡设计

千佳琦

（西安翔迅科技有限责任公司，陕西西安，710000）

0 引言

轨道交通是一个国家重要的基础设施组成，影响着国家的经济发展。我国现有轨道电通系统中电力机车与内燃机车并存，其中绝大多数为电力机车。AMP 作为电力机车中的重要设备，目前技术仍不开放，设备从不进行更新换代，所使用的芯片老旧，处理能力较为落后，价格居高不下，不利于降低成本。目前主流处理器，无论从安全性，稳定性，使用年限，价格以及运行速度上均有较大提升，通过设计研发AMP 板卡能够有效降低生产成本，提高产品稳定性与安全性，降低设备故障频率，对车载设备的发展有积极意义。

1 模拟监测保护装置AMP

模拟监测保护单元AMP1 和AMP2是专门用于网侧电压和网侧电流监测和保护的专用控制装置。当网侧电压偏离允许值或网侧电流的有效值或浪涌值在一定时间内超过保护极限值时，AMP 串连在主断路器线圈中的触点将被打开，直接以硬线方式实现快速跳主断，同时 MVB 网络将此信息通知机车微机控制系统VCU，完成在微机显示屏上的故障信息显示。机车控制系统VCU 通过控制AMP，实现对机车主断路器的开闭控制。网侧电路见图1。

图1 网侧电路

1.1 模拟量测量

AMP 针对不同的传感器信号（主要指的是电压和电流传感器提供的电压和电流信号）提供了一套模拟量输入通道，这些模拟量输入信号在AMP 内部被整流和滤波之后，再通过机车总线MVB 的数据传输接口提供给机车微机控制系统VCU，进而对机车进行控制（总的来说AMP 共有4 个模拟量输入通道，2 个数字量输出通道）。

1.2 机车保护

被测量出来的模拟量的值可以被用作保护功能，如果其值高过管理者所设定的值时，供电电路将被切断。这项功能由AMP 自主完成，与机车微机控制系统VCU 无关。

1.3 干扰电流的测量

AMP 通过内部的带通滤波器来测量线路电流中特定频率的干扰电流，并将测量的值发往VCU 进行进一步处理。

2 处理器选择

处理器需要具备的条件有：能够运行μC/OS-Ⅲ系统；具有至少一路SPI 总线；具有至少一路AD 采集接口；具有至少一路UART 接口；具有外部总线可访问外部并行设备；可在列车上的恶劣环境使用，电磁干扰，震动干扰等；工作温度范围：-40℃～+105℃。

可选取市场上成熟的低成本处理器如stm32f4 系列。stm32f429 基于ARM® Cortex®-M4 架构，具有硬件浮点执行单元，具有丰富的产品线。在高达180 MHz 的工作频率下通过闪存执行时其处理性能达到225 DMIPS/608 CoreMark，这是迄今所有基于Cortex-M 内核的微控制器产品所达到的最高基准测试分数。具有多达20 个通信接口（包括4 个USART、4个速度达11.25 Mbit/s 的UART、6 个速度达45 Mbit/s 的SPI、3 个具有新型可选数字滤波器功能的I²C、2 个CAN、SDIO），具有两个12 位DAC，三个速度可达2.4 MSPS 或7.2 MSPS（交错模式下）的12 位ADC，并有多达17 个定时器：16位和32 位，工作频率可达180 MHz，具有512KB～2MB Flash。具有256KB SRAM。温度可选范围-40～105℃，支持μC/OS-Ⅲ系统，stm32f4 系列硬件引脚兼容，以便于日后升级硬件。

3 主控板硬件设计

AMP 模块主要用来测量传感器过来的交流和直流电压和电流信号，监测过载或者干扰，并且提供保护电路来关断功率电路。AMP 板卡硬件结构见图2。

图2 AMP 板卡硬件结构

AMP 板卡硬件主要包括以下几个部分：

(1)模拟量输入功能（4 路）；

(2)模拟量峰值判断；

(3)模拟量均值判断；

(4)频率量采集；

(5)数字量输出（两路主断控制，一路跳开，一路闭合）；

(6)+15v 电压监视；

(7)蓄电池电压测量；

(8)故障报警继电器输出；

(9)RS232 接口1 路；

(10)通信板状态指示灯；

(11)MVB 设备地址配置硬线（8bit）；

(12)可编程逻辑接口（FPGA）；

(13)看门狗及电压监视。

4 μC/OS-Ⅲ系统的特点

μC/OS-Ⅲ系统是一个可裁剪、可固化、可剥夺的占先式实时多任务系统，是μC/OS 的第三代内核，弥补了μC/OS-Ⅱ对任务数量的限制，以及不支持任务时间片轮转的缺陷，同时优化了内存管理。它具有可剥夺多任务管理，同优先级任务的时间片轮转调度，极短的关中断时间，任务数目不受限制，优先级数量不受限制，内核对象数目不受限制，软件定时器，同时等待多个内核对象，直接向任务发送信号，直接向任务发送消息，任务寄存器，任务级时钟节拍处理，防止死锁，时间戳等众多功能。μC/OS-Ⅲ发布至今已经移植到了几乎所有知名的CPU 上，它具有良好的稳定性和可靠的安全性，有丰富的资料可以查阅，可十分便捷的开发新应用。μC/OS-Ⅲ系统结构见图3。

图3 μC/OS 系统结构

5 AMP 板卡运行状态

AMP 板卡有四种运行状态。分别为配置状态、操作状态、隔离状态、触发状态。通过VCU 命令来控制进入哪种状态。AMP 上电默认处于配置状态，此时从MVB 总线读取电流和电压保护参数，接收到启动指令后进入操作状态。AMP 处于操作状态之时，按配置参数对电流和电压进行监测，如检测到任何电压或电流故障则上报故障状态，进入触发状态。AMP处触发状态时，向VCU 发送触发信息，等待VCU 指令，VCU 可将AMP 重新设置为操作状态或者为隔离状态；当MVB 总线超时时，AMP 自行进入隔离状态；VCU 也可直接将其设置为隔离状态。AMP 处于隔离时，AMP 只能等待VCU 将其重新设为配置状态。AMP 四种状态切换见图4。

图4 AMP 状态

6 基于μC/OS-Ⅲ系统的AMP 板卡

AMP 软件主要实现的功能包括：MVB 设备地址配置与通信功能；蓄电池电压监测；shell 交互终端设计；模拟量采集与输出功能；与逻辑处理器FPGA 通信功能；设备指示灯以及看门狗喂狗；AMP 运行状态切换功能。

由于AMP 板卡软件比较复杂，在软件设计之初应先设计主题执行框架。之后对功能逐一进行分解，单个功能分别实现后再加入到整体框架之中进行联调。AMP 板卡软件结构见图5。

图5 AMP 板卡软件结构

7 结束语

AMP 板设计设计难点体现在于AMP 有配置状态、操作状态、隔离状态和触发状态四种状态，四种状态间可由自身控制进行切换，也可由VCU 通过MVB 总线发送指令进行切换，AMP 所处的各种状态所实现的功能各不相同，设计时要赵忠考虑整体框架的设计。该设备的成功研制有利于降低产品成本，增加可选产品种类，提高主机厂的利润水平。