基于DSP和CAN總線的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)
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引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)&通信技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度也日益提高，通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用提高了電力系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。本文將TMS320LF2407A芯片和CAN總線等技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集中，基于對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換精度的考慮，本系統(tǒng)還采用了ADS7684作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。ADS7684是TI公司推出的專為高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高速6通道同步采樣、12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。將ADS7684與TMS320LF2407A芯片構(gòu)成數(shù)據(jù)采集部分，是一個(gè)較好的數(shù)據(jù)采集方案。該系統(tǒng)可以快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、功率、功率因數(shù)和頻率等重要的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，處理和傳輸。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、CAN總線、工控機(jī)（IPC）3部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中數(shù)據(jù)采集模塊采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，直接面向生產(chǎn)過程；工控機(jī)主要功能是通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)和信息，以及顯示、數(shù)據(jù)分析和完成報(bào)表等功能；CAN總線部分主要由CAN總線適配卡、通信介質(zhì)和相應(yīng)軟件構(gòu)成。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
三相電壓、三相電流模擬信號(hào)先輸入到信號(hào)調(diào)理電路，輸出的雙極性信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換專用芯片ADS7864電路，數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過電平匹配后傳入DSP。該系統(tǒng)還包括開關(guān)量輸入電路、開關(guān)量輸出電路、時(shí)鐘、電源和CAN接口等電路。如圖2所示。
圖2 硬件總體框圖
2。1TMS320LF2407A的主要特點(diǎn)
美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A芯片將實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，特別適合于工業(yè)控制應(yīng)用。內(nèi)核采用哈佛結(jié)構(gòu)，運(yùn)算速度快，最高可達(dá)40MIPS的執(zhí)行速度。具有豐富的通用輸入、輸出引腳。該芯片供電電壓為3.3V，降低了控制器的功耗；還提供了符合CAN2.0B規(guī)范要求的CAN通信模塊；一個(gè)16位的同步串行外圍接口(SPI)和串行通信接口(SCI)模塊；具有低成本、低功耗、高速運(yùn)算能力和高性能處理能力等優(yōu)點(diǎn)，因此該DSP芯片可以滿足此系統(tǒng)要求。
2.2 采集模塊電路設(shè)計(jì)
該部分電路采用ADS7684作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，ADS7684是一種高速、低功耗、六通道、同時(shí)采樣保證無失碼的雙12位A/D轉(zhuǎn)換器。主要應(yīng)用于電機(jī)控制，三相電源控制等領(lǐng)域。信號(hào)調(diào)理部分采用互感器對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行隔離變化，所選用的是電流型互感器，既可測(cè)電壓也可測(cè)電流，輸入、輸出額定電流6mA/6mA再采用普通運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成電流電壓轉(zhuǎn)換器#運(yùn)放工作在放大狀態(tài)，輸出-5~+5V信號(hào).從調(diào)理部分得到的雙極性模擬信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器OPA340組成的轉(zhuǎn)換電路變成0~5V的輸入信號(hào),接入ADS7864的+IN和-IN端子,如圖3所示。
圖3 雙極性輸入轉(zhuǎn)換電路
ADS7684使用獨(dú)立的8MHZ有源時(shí)鐘，由5V電源供電。TMS320LF2407A供電電壓是3.3V，而ADS7864供電電壓是5V，所以二者接口需電平轉(zhuǎn)換，ADS7864的16位數(shù)據(jù)線經(jīng)過SN74LVTH16245A電壓轉(zhuǎn)換芯片再與DSP相連，片選信號(hào)CS和讀信號(hào)RD分別由2407A的外部I/O空間選通信號(hào)CS和讀信號(hào)RD經(jīng)電平匹配模塊引入，它的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)BUSY同樣須經(jīng)電平匹配模塊引到2407A的XINT1。ADS7864同時(shí)采到6路輸入信號(hào)并將它們保存在保持寄存器，然后順序啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果分別存放在6個(gè)寄存器中，轉(zhuǎn)換完后發(fā)出BUSY中斷信號(hào)，DSP響應(yīng)中斷，順序讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后再進(jìn)行下一次采樣、轉(zhuǎn)換。
2.3 通信模塊電路設(shè)計(jì)
目前電力系統(tǒng)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都是基于RS-485構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，采用半雙工的電氣協(xié)議，這種機(jī)制使得在構(gòu)建復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)時(shí)存在不足，可靠性低，系統(tǒng)故障隔離能力差。在本設(shè)計(jì)方案中采用了CAN總線技術(shù)。該總線技術(shù)具有獨(dú)特的機(jī)制，其主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不分主動(dòng)主從；采用非破壞總線仲裁；支持競(jìng)爭(zhēng)；傳輸距離遠(yuǎn)；通信速度較高(最大1Mbit/s)；組網(wǎng)靈活；其報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾小，具有自己的協(xié)議等；所以現(xiàn)場(chǎng)總線CAN以其自身的優(yōu)點(diǎn)有效支持分布式控制系統(tǒng)或成為實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。
TMS320LF2407A內(nèi)帶CAN控制器，使整個(gè)電路的外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，可靠性也得到提高?？紤]到CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾屎涂垢蓴_性，CAN通信方案做了如下幾方面設(shè)計(jì)：DSP的CANRX和CANTX先通過74LVC04A進(jìn)行3.3V與5V的電平匹配，然后再通過高速光隔TLP113與TJA1050連接，實(shí)現(xiàn)了總線的電氣隔離；采用了TJA1050作為驅(qū)動(dòng)器代替以往的82C250，TJA1050的優(yōu)點(diǎn)是完全符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)；高速率最高達(dá)1 Mbit/s；電磁抗干擾性能好；不上電的節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)總線造成擾動(dòng)；輸出驅(qū)動(dòng)器受到溫度保護(hù)；至少可以連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)字電源VCC和GND是用小功率隔離模塊DC/DC進(jìn)行一次隔離后得到的。增加了通信的抗干擾能力。CAN通信接口電路如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件在CCS2000的開發(fā)環(huán)境下編輯、調(diào)試的，采用C2000 DSP匯編語言和C語言混合編程。軟件采用模塊化的開發(fā)思想使得模塊的調(diào)用簡(jiǎn)潔方便。與硬件兩部分相對(duì)應(yīng)，其軟件功能劃分為采樣和通信兩個(gè)環(huán)節(jié)。
3.1 采樣環(huán)節(jié)
ADS7864 含有兩個(gè)可以同時(shí)工作的12位A/D轉(zhuǎn)換器，其3個(gè)保持信號(hào)選擇輸入的多路開關(guān)并且啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。這3個(gè)保持信號(hào)同時(shí)有效就可以同時(shí)保持6路輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)分別存放在6個(gè)寄存器中。ADS7864的BUSY端接到DSP 的XINT1端，ADS7864把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，DSPC相應(yīng)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，讀取數(shù)據(jù)。一次讀到16位信息，其中DB15表明數(shù)據(jù)的有效性（高電平有效），DB14，DB13，DB12表示哪個(gè)通道，DB11~DB00為該通道的轉(zhuǎn)換的結(jié)果。地址/模式信號(hào)（A0，A1，A2）選擇數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)的方式，本系統(tǒng)設(shè)置為全“1”，即采用先入先出方式。根據(jù)電路編寫程序，程序流程圖如圖5所示。
圖4 CAN通信接口電路
圖5 采樣模塊程序流程圖
3.2 通信環(huán)節(jié)
在使用CAN控制器之前首先必須對(duì)它的內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置。包括相關(guān)I/O口、位定時(shí)器以及郵箱的相關(guān)設(shè)置。第1步即為正確配置兩個(gè)引腳CANTX和CANRX，因?yàn)檫@兩個(gè)I/O口均為復(fù)用口。第2步初始化位定時(shí)器：位定時(shí)器主要由BCR1和BCR2這兩個(gè)寄存器組成，包括CAN控制器的通訊波特率、同步跳轉(zhuǎn)寬度、采樣次數(shù)和重同步方式。第3步初始化郵箱：郵箱初始化主要是設(shè)置郵箱的標(biāo)識(shí)符、控制域以及對(duì)相應(yīng)的郵箱賦初值。以下是寄存器初始化的部分原代碼：
* MCRB= * MCRB|0X0C0；設(shè)置IOPC6和IOPC7為CANNRX，CANTX
* CANIFR=0XFFFF；清除全部CAN中斷標(biāo)志
* CANLAM1H=0X601F；設(shè)置郵箱2屏蔽ID寄存器
* CANLAM1L=0XFFFF；
* CANMCR=0X1000； 配置主控制寄存器改變請(qǐng)求
while( * CANGSR&0X0010==0 )continue;等待允許對(duì)配置寄存器進(jìn)行寫操作
* CANBCR2=0X03;設(shè)置波特率
* CANBCR1=0X05E;
* CANMCR= * CANMCR&am
p;0XEFFF;
while( * CANGSR&0X0010!=0)continue; 當(dāng)cee=0時(shí)"配置成功
* CANMDER=0X040;郵箱2為接收方式,郵箱3為發(fā)送方式
* CANMCR=0X0480;數(shù)據(jù)字節(jié)次序;設(shè)置自動(dòng)恢復(fù)總線位
* CANMDER=0X4C;配置郵箱方向;使能郵箱,可以接收和發(fā)送了
* CANIMR=0XF7FF;設(shè)置中斷,使能郵箱2,不使能郵箱3
* CANIFR=0XFFFF;清全部中斷標(biāo)志
數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收:當(dāng)完成以上3步之后,接著就實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收請(qǐng)求.數(shù)據(jù)的接收,采用中斷方式接收CAN信息,而且所接收到的信息標(biāo)識(shí)符必須與相應(yīng)的接受郵箱的標(biāo)識(shí)符相同才能被接收,否則被濾除.
4 結(jié)束語
本文將DSP和CAN總線等技術(shù)應(yīng)用在電力系統(tǒng)模擬量采集和測(cè)量中,詳細(xì)闡述了實(shí)際應(yīng)用中的模數(shù)轉(zhuǎn)換和CAN接口電路.該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的速度和精度使電壓、電流和功率等基本遙測(cè)量的采集、計(jì)算、分析更為快捷，CAN通信符合現(xiàn)場(chǎng)要求，在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果，也為相關(guān)的電力系統(tǒng)中的電量檢測(cè)提供了一定的參考。
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