基于CPLD的內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制模塊的設(shè)計(jì)

作者：王 曦 王立德 劉 彪 丁國(guó)君

0 引言

內(nèi)燃機(jī)車在實(shí)際應(yīng)用中仍占有很大的比重，比如在貨運(yùn)及調(diào)車運(yùn)轉(zhuǎn)方面發(fā)揮著重要的作用，且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)車的可靠性，安全性及高效性提出了更高的要求。因此，基于內(nèi)燃機(jī)車的新設(shè)備的開發(fā)和研究很有必要。

目前，我國(guó)大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制電路采用繼電器有觸點(diǎn)控制，有觸點(diǎn)電器故障率高，長(zhǎng)期使用容易導(dǎo)致動(dòng)、靜觸頭接觸不良甚至不導(dǎo)通，更嚴(yán)重的是，機(jī)車運(yùn)行中的強(qiáng)烈振動(dòng)可能引起控制電路的誤動(dòng)作，給行車帶來危險(xiǎn)。此外，傳統(tǒng)有觸點(diǎn)控制電路接線復(fù)雜，給布線，維護(hù)和檢修帶來了很大的不便，且控制系統(tǒng)的通用性和靈活性差，當(dāng)機(jī)車的控制功能或控制過程需做修改時(shí)，必須重新布線。

本文介紹的內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制模塊的設(shè)計(jì)，首先對(duì)內(nèi)燃機(jī)車的控制邏輯進(jìn)行分析優(yōu)化，然后設(shè)計(jì)可以完全取代原有邏輯控制功能的 IP核，在此基礎(chǔ)上利用 SOC技術(shù)并結(jié)合電力電子技術(shù)取代了機(jī)車上繼電器和接觸器的輔助觸點(diǎn)，最大限度地簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的有觸點(diǎn)控制電路，減少了外部連線，提高了系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)制造的靈活性，縮短了內(nèi)燃機(jī)車設(shè)計(jì)調(diào)試的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的通用性。 1 邏輯控制模塊的整體結(jié)構(gòu)

內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制模塊由輸入、輸出、控制、電源這四個(gè)部分組成(如圖 1所示)。每個(gè)模塊包含兩套結(jié)構(gòu)和功能完全相同的系統(tǒng)，每一套系統(tǒng)都能獨(dú)立工作。同一時(shí)間，一個(gè)邏輯控制模塊中只有一套系統(tǒng)進(jìn)行工作，另一套系統(tǒng)備用，由模塊上的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)在兩套系統(tǒng)之間進(jìn)行切換。

整個(gè)系統(tǒng)包括邏輯控制模塊，司機(jī)室顯示屏，檢測(cè)儀，數(shù)據(jù)采集模塊四種節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行中，邏輯控制模塊需要向顯示屏傳輸自身狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息用于顯示，并且還要接收檢測(cè)儀的 定時(shí)查詢，因此它還承擔(dān)著接收和發(fā)送信息的任務(wù)，所以在設(shè)計(jì)中加入了 CAN總線控制器，通過 CAN總線跟其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互。

邏輯控制模塊的硬件設(shè)計(jì)

2.1 輸入與輸出電路的設(shè)計(jì)

輸入電路用于采集機(jī)車上各條控制線路的信號(hào)，因此整個(gè)輸入電路由若干路結(jié)構(gòu)相同的輸入通道組成，如圖 2所示。

輸入通道采集的信號(hào)來自內(nèi)燃機(jī)車上的 110V線路，110V的直流信號(hào)通過降壓處理后，經(jīng)過光耦隔離和施密特觸發(fā)器(74HC14)整形和濾波，生成 CPLD能夠處理的信號(hào)，然后傳輸給CPLD，為 CPLD進(jìn)行邏輯判斷和控制提供相應(yīng)的線路信息。

輸出電路也由若干條結(jié)構(gòu)相同的輸出通道組成，用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車上的接觸器及控制一些用電設(shè)備(如干燥器，指示燈等)的開通和關(guān)斷。輸出通道的結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

CPLD以原有的邏輯控制電路為基礎(chǔ)，根據(jù)輸入信息進(jìn)行邏輯判斷和處理后輸出各種控制信號(hào)，輸出的控制信號(hào)電壓為3.3V，不足以驅(qū)動(dòng)MOSFET，因此，首先通過驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2004將控制信號(hào)放大到 7V左右，然后利用原副邊比1：3的變壓器放大到 20V左右以達(dá)到能夠驅(qū)動(dòng) MOSFET的電壓等級(jí)。該變壓器除起到信號(hào)放大作用外，還起到了保護(hù)和隔離的作用，進(jìn)一步提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。CPLD輸出的控制信號(hào)經(jīng)過一系列處理后通過控制MOSFET的開斷實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車上的接觸器及用電設(shè)備的控制。

2.2 控制電路的設(shè)計(jì)

控制電路主要由兩部分組成，一是以 CPLD為核心的機(jī)車邏輯判斷和控制部分，一是以單片機(jī)和 CAN控制器為核心的通信控制部分。控制電路的結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

本次設(shè)計(jì)中使用Lattice公司ispMACH4000系列的LC4512V型CPLD，ATMEL公司的 89C52單片機(jī)，采用 Philips的 CAN控制器 SJA1000及 CAN收發(fā)器PCA82C250。由于 CPLD內(nèi)部資源有限，為節(jié)省對(duì)晶振分頻所耗費(fèi)的資源，采用外部 100HZ的時(shí)鐘發(fā)生器，該時(shí)鐘發(fā)生器由NE555芯片構(gòu)成，為 CPLD提供計(jì)算時(shí)間的基本時(shí)鐘，用于邏輯控制中的延時(shí)和信號(hào)濾波。CPLD電源為 5V轉(zhuǎn) 3.3V的電源芯片LM3940，為 CPLD提供穩(wěn)定的 3.3V電壓。單片機(jī)外接 5V電源。CPLD將需要傳輸?shù)男畔鬟f給單片機(jī)(MCU)，再由單片機(jī)控制通信部分完成發(fā)送任務(wù)。PCA82C250是 CAN控制器和物理傳輸線路之間的接口，提供了對(duì)總線的差動(dòng)接收和差動(dòng)發(fā)送能力，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，在 SJA1000和 PCA82C250之間使用光耦 6N137以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，在通信控制部分使用 B0505隔離電源模塊。

2.3 系統(tǒng)電源介紹

邏輯控制模塊上分為四個(gè)電壓等級(jí)，分別是110V，12V，5V，3.3V。其中 110V為機(jī)車控制電路電壓，為邏輯控制模塊的電源模塊提供穩(wěn)定的輸入電壓;12V為驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2004提供電源;5V給單片機(jī)及外圍電路供電;3.3V給 CPLD及輸入隔離電路供電。

12V和5V是采用標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)車專用電源模塊將 110V電壓變換得到，該電源模塊的輸入

輸出均采用相應(yīng)的保護(hù)，提供系統(tǒng)工作所需的兩路電壓。3.3V由電源芯片 LM3940轉(zhuǎn)換得到。 邏輯控制模塊的軟件設(shè)計(jì) 邏輯控制模塊的軟件設(shè)計(jì)包括機(jī)車邏輯控制 IP核設(shè)計(jì)及 CAN通信的程序設(shè)計(jì)。

3.1 機(jī)車邏輯控制IP核設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用SOC 技術(shù)設(shè)計(jì)，將信號(hào)采集，處理，控制，存儲(chǔ)，傳輸?shù)裙δ茉谝粔K CPLD上實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提是機(jī)車邏輯控制 IP核的使用。機(jī)車邏輯控制 IP核采用 Verilog語(yǔ)言編制，使用Verilog-HDL設(shè)計(jì)，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，把本系統(tǒng)分為幾個(gè)基本模塊(如圖 4所示)，再將每個(gè)基本模塊劃分為下一層次的基本模塊，直到能用 PLD器件結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的邏輯單元來實(shí)現(xiàn)。

在輸入模塊的設(shè)計(jì)中，為每一個(gè)輸入信號(hào)設(shè)置一個(gè)輸入狀態(tài)寄存器，用于存儲(chǔ)各輸入信號(hào)狀態(tài);并設(shè)置一個(gè)輸入緩沖區(qū)。整個(gè)輸入模塊的功能就是讀取輸入信號(hào)狀態(tài)，并將其置入輸入緩沖區(qū)，其工作流程如圖六所示。同樣，在輸出模塊的設(shè)計(jì)中，為每一路輸出也設(shè)置一個(gè)狀態(tài)寄存器，并設(shè)置一個(gè)輸出緩沖區(qū)。輸出子模塊的主要功能就是從輸出緩沖區(qū)中讀取輸出狀態(tài)并將其輸出。

功能模塊主要用來完成邏輯功能的實(shí)現(xiàn)。該模塊中根據(jù)機(jī)車原有的邏輯控制電路生成了各種虛擬繼電器和接觸器，執(zhí)行時(shí)首先從輸入緩沖區(qū)中讀出各輸入狀態(tài)，如果有延時(shí)關(guān)系，還得從延時(shí)模塊中讀取相應(yīng)的參數(shù);然后調(diào)用各種虛擬繼電器或接觸器判斷邏輯關(guān)系的成立與否;如邏輯關(guān)系成立則將相應(yīng)的輸出狀態(tài)寄存器置“1”，否則置“0”。

延時(shí)模塊用來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)時(shí)間繼電器功能的，當(dāng)有延時(shí)信號(hào)到來時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)模塊，首先初始化各寄存器并設(shè)置延時(shí)值，然后開始計(jì)時(shí)。如果延時(shí)信號(hào)在延時(shí)時(shí)間到后還存在，則設(shè)置延時(shí)緩沖區(qū)參數(shù);否則結(jié)束延時(shí)過程。

數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)CPLD和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，CPLD將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在寄存器中并映射到單片機(jī)的地址空間，單片機(jī)將 CPLD作為外設(shè)進(jìn)行讀寫操作。

3.2 CAN通信程序設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制模塊作為整個(gè)檢測(cè)控制模塊中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，需要同其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，交互的數(shù)據(jù)包括邏輯控制 IP核功能模塊中生成的虛擬繼電器，接觸器的狀態(tài)信息及故障信息。本設(shè)計(jì)中采用 CAN總線作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇椤?/p>

邏輯控制模塊在三種條件下對(duì)外部發(fā)送信息。

1 沒有接收到外部請(qǐng)求及自身數(shù)據(jù)信息沒發(fā)生改變的前提下定時(shí)對(duì)外部發(fā)送數(shù)據(jù)。通過單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。

2 當(dāng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，立刻對(duì)外部發(fā)送數(shù)據(jù)。單片機(jī)在每一個(gè) While循環(huán)中查看數(shù)據(jù)的狀態(tài)，如數(shù)據(jù)發(fā)生變化則調(diào)用發(fā)送函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 當(dāng)接收到外部請(qǐng)求時(shí)，立刻對(duì)外部發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收函數(shù)中對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，正確后接收，再根據(jù)定好的協(xié)議得到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址并判斷是否是請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送，如果是則調(diào)用發(fā)送函數(shù)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

CAN通信的主程序流程圖如圖 5所示。

4 邏輯控制模塊抗干擾設(shè)計(jì)

由于機(jī)車運(yùn)行環(huán)境的特殊性，對(duì)邏輯控制模塊的穩(wěn)定性和抗干擾能力有更高的要求。在系統(tǒng)的輸入端加入光耦器件進(jìn)行隔離，在輸出端加入變壓器進(jìn)行隔離，這樣既提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，又進(jìn)一步保證了系統(tǒng)的安全。同時(shí)通過使用施密特觸發(fā)器，加入硬件濾波，能夠有效地抑制幅值較小，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的干擾信號(hào)，對(duì)于持續(xù)時(shí)間短，幅值較大的干擾信號(hào)的處理，通過在芯片內(nèi)部用 Verilog引入濾波時(shí)鐘和軟件濾波模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。 5 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制模塊利用 SOC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的繼電器控制電路的可編程無觸點(diǎn)控制，大大減少了控制電路的機(jī)械觸點(diǎn)和布線，簡(jiǎn)化了機(jī)車控制電路的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和調(diào)試過程，提高了控制系統(tǒng)可靠性，并且可以方便地用硬件描述語(yǔ)言完成各種控制功能，具有很強(qiáng)的靈活性和通用性。無觸點(diǎn)控制是內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：采用 SOC技術(shù)，設(shè)計(jì)和利用內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制 IP核取代了原有的有觸點(diǎn)控制系統(tǒng)，大大提高了邏輯控制系統(tǒng)的通用性和可靠性，簡(jiǎn)化了布線和生產(chǎn)調(diào)試過程。在通信方面，用 CAN總線取代了機(jī)車上原有的串口通信，提高了通信效率和穩(wěn)定性。

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