基于DSP和CAN總線的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

引言

隨著計算機技術(shù)&通信技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)自動化程度也日益提高，通過現(xiàn)場總線技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(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，基于對轉(zhuǎn)換時間和轉(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，是一個較好的數(shù)據(jù)采集方案。該系統(tǒng)可以快捷地實現(xiàn)對電壓、電流、功率、功率因數(shù)和頻率等重要的電力參數(shù)進行實時檢測，處理和傳輸。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于現(xiàn)場總線的電力系統(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（IPC）3部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中數(shù)據(jù)采集模塊采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，直接面向生產(chǎn)過程；工控機主要功能是通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)采集模塊的參數(shù)進行設(shè)置，實時獲取數(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。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

三相電壓、三相電流模擬信號先輸入到信號調(diào)理電路，輸出的雙極性信號進入A/D轉(zhuǎn)換專用芯片ADS7864電路，數(shù)據(jù)信號經(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

美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A芯片將實時信號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)，運算速度快，最高可達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、高速運算能力和高性能處理能力等優(yōu)點，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

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)用于電機控制，三相電源控制等領(lǐng)域。信號調(diào)理部分采用互感器對電網(wǎng)信號進行隔離變化，所選用的是電流型互感器，既可測電壓也可測電流，輸入、輸出額定電流6mA/6mA再采用普通運算放大器LM324構(gòu)成電流電壓轉(zhuǎn)換器#運放工作在放大狀態(tài)，輸出-5~+5V信號.從調(diào)理部分得到的雙極性模擬信號經(jīng)過運算放大器OPA340組成的轉(zhuǎn)換電路變成0~5V的輸入信號,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使用獨立的8MHZ有源時鐘，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CS和讀信號RD分別由2407A的外部I/O空間選通信號CS和讀信號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BUSY同樣須經(jīng)電平匹配模塊引到2407A的XINT1。ADS7864同時采到6路輸入信號并將它們保存在保持寄存器，然后順序啟動轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果分別存放在6個寄存器中，轉(zhuǎn)換完后發(fā)出BUSY中斷信號，DSP響應(yīng)中斷，順序讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后再進行下一次采樣、轉(zhuǎn)換。
2.3 通信模塊電路設(shè)計

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，這種機制使得在構(gòu)建復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)時存在不足，可靠性低，系統(tǒng)故障隔離能力差。在本設(shè)計方案中采用了CAN總線技術(shù)。該總線技術(shù)具有獨特的機制，其主要有以下幾個優(yōu)點：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不分主動主從；采用非破壞總線仲裁；支持競爭；傳輸距離遠；通信速度較高(最大1Mbit/s)；組網(wǎng)靈活；其報文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾小，具有自己的協(xié)議等；所以現(xiàn)場總線CAN以其自身的優(yōu)點有效支持分布式控制系統(tǒng)或成為實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。

TMS320LF2407A內(nèi)帶CAN控制器，使整個電路的外圍設(shè)計簡單化，可靠性也得到提高。考慮到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：DSP的CANRX和CANTX先通過74LVC04A進行3.3V與5V的電平匹配，然后再通過高速光隔TLP113與TJA1050連接，實現(xiàn)了總線的電氣隔離；采用了TJA1050作為驅(qū)動器代替以往的82C250，TJA1050的優(yōu)點是完全符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)；高速率最高達1 Mbit/s；電磁抗干擾性能好；不上電的節(jié)點不會對總線造成擾動；輸出驅(qū)動器受到溫度保護；至少可以連接110個節(jié)點。數(shù)字電源VCC和GND是用小功率隔離模塊DC/DC進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。

圖4 CAN通信接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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)用簡潔方便。與硬件兩部分相對應(yīng)，其軟件功能劃分為采樣和通信兩個環(huán)節(jié)。

3.1 采樣環(huán)節(jié)

ADS7864 含有兩個可以同時工作的12位A/D轉(zhuǎn)換器，其3個保持信號選擇輸入的多路開關(guān)并且啟動A/D轉(zhuǎn)換。這3個保持信號同時有效就可以同時保持6路輸入信號，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)分別存放在6個寄存器中。ADS7864的BUSY端接到DSP 的XINT1端，ADS7864把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后發(fā)出中斷請求信號，DSPC相應(yīng)中斷，進入中斷服務(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表示哪個通道，DB11~DB00為該通道的轉(zhuǎn)換的結(jié)果。地址/模式信號（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它的內(nèi)部寄存器進行初始化設(shè)置。包括相關(guān)I/O口、位定時器以及郵箱的相關(guān)設(shè)置。第1步即為正確配置兩個引腳CANTX和CANRX，因為這兩個I/O口均為復(fù)用口。第2步初始化位定時器：位定時器主要由BCR1和BCR2這兩個寄存器組成，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)識符、控制域以及對相應(yīng)的郵箱賦初值。以下是寄存器初始化的部分原代碼：

數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收:當(dāng)完成以上3步之后,接著就實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收請求.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)識符必須與相應(yīng)的接受郵箱的標(biāo)識符相同才能被接收,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)模擬量采集和測量中,詳細(xì)闡述了實際應(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量的采集、計算、分析更為快捷，CAN通信符合現(xiàn)場要求，在實際應(yīng)用中取得良好的效果，也為相關(guān)的電力系統(tǒng)中的電量檢測提供了一定的參考。 （編輯：chiying）