SCADA系統(tǒng)中交流采樣器設(shè)計(jì)

SCADA(Supervlsory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是一種以微型計(jì)算機(jī)為核心，綜合利用計(jì)算機(jī)、通信、控制等技術(shù)完成遙控、遙測(cè)、遙信、遙調(diào)(四遙)的控制系統(tǒng)：”。由于DSP技術(shù)的發(fā)展，在電力、石油、電氣化鐵路等行業(yè)的SCADA系統(tǒng)中，電量的采集(即遙測(cè)功能)由過(guò)去的基于變送器的直流采樣逐漸向交流采樣過(guò)渡。本文介紹基于TI公司的工業(yè)控制用DSP —TMS320LF2407A和工業(yè)控制中廣泛使用的基于CAN總線的交流采樣器的設(shè)計(jì)。該交流采樣器作為SCADA的功能模塊．具有如下功能特點(diǎn)：

(1)計(jì)算功能。對(duì)電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因素、頻率、相序等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

(2)報(bào)警功能。當(dāng)發(fā)生越限、跳閘時(shí)報(bào)警。

(3)錄波功能。錄波功能包括手動(dòng)錄波(錄波正常)和故障錄波。

(4)CAN總線接口功能。采樣系統(tǒng)和上位機(jī)的應(yīng)用層通信協(xié)議選用DeviceNet協(xié)議。

(5)人機(jī)接口功能。擴(kuò)展RS 232口與PC機(jī)連接，可以利用PC機(jī)的超級(jí)終端作采樣系統(tǒng)的顯示器，便于調(diào)試和監(jiān)測(cè)。

1硬件設(shè)計(jì) 

1．1系統(tǒng)總體框圖 

該交流采樣器采用DSP處理器．與上位機(jī)的通信采用CAN總線。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

(1)DSP選用TI公司的TMS320LF2407A，其主要特點(diǎn)為：片內(nèi)32K字(16位字寬)的FLASH，不用外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器，帶有一個(gè)CAN口．支持CAN2、OB協(xié)議規(guī)范．一個(gè)RS232通信口，3．3V供電，二個(gè)8通道10位ADC，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間500ns(2 MSPS)。

(2)ADC選用MAXIM公司的MAXl25CEAX．14位并行轉(zhuǎn)換，A、B二組8通道，每組4通道同步轉(zhuǎn)換。

(3)選用3．3V供電的MAX3232做RS232接口芯片，CAN收發(fā)器用82C250T，5V和3．3V的電平轉(zhuǎn)換器選用  SN74ALVCl64245。

1．2信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 

在電力系統(tǒng)變電所，為實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流的監(jiān)測(cè)，先將原邊的高電壓或大電流通過(guò)一級(jí)電力型電壓互感器或電力型電流互感器變換為次邊的100V電壓或5A電流信號(hào)。這些信號(hào)引入到變電站的控制室，供控制系統(tǒng)設(shè)備使用。在交流采樣中．要采樣的信號(hào)就是前一級(jí)的  100V或5A信號(hào)。這時(shí)還需要引入第二級(jí)互感器，將100V或5A信號(hào)變換為DSP或MCU可以處理的小信號(hào)。一般將100V電壓信號(hào)或5A電流信號(hào)經(jīng)電壓或電流互感器變換為2mA左右的電流信號(hào)。圖2是第二級(jí)的電壓互感器的信號(hào)調(diào)理電路，互感器的變比為IOOV／2mA，輸出電壓Vout等于次邊電流I₂乘以電阻R503，即Vout=R503×I2，C502起濾波作用，后面的運(yùn)放接成跟隨器模式，起信號(hào)隔離緩沖作用。因?yàn)镸AXl25的輸入模擬電壓為—5V～+5V，Vout的最大有效值為3．535V，所以要根據(jù)這個(gè)原則選取R503的阻值。為保護(hù)LM324，可以在運(yùn)放的輸入端并聯(lián)7V左右的雙向穩(wěn)壓管。

圖2中R503=1 209Ω，輸入100V時(shí)，輸出Vout=1 209×0．002=2．418V。

1．3電平轉(zhuǎn)移電路分析 

LF2407A的工作電壓為3．3V，A／D轉(zhuǎn)換器MAXl25的工作電壓為5V．不能直接接口，需要引入電平轉(zhuǎn)換電路，這里選取16位的SN74ALVCl64245做電平轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器左側(cè)B端是5V的邏輯電平．與MAXl25 A／D轉(zhuǎn)換器接口；右側(cè)A端是3．3V的邏輯電平，與LF2407A接口。具體電路見(jiàn)圖3。

(1)SN74ALVCl64245的輸出允許OE端接LF2407A的IS信號(hào)端．DSP以I／O口方式訪問(wèn)MAXl25。當(dāng)DSP訪問(wèn)MAXl25時(shí)，IS信號(hào)有效，ALVCl64245的輸出允許OE端有效，ALVCl64245工作；其他情況下，ALVCl64245的數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。

(2)SN74ALVCl64245的1DIR、2DIR接LF2407A的19腳W／R，DSP寫(xiě)時(shí)W／R=DIR－4245=1。ALVCl64245的數(shù)據(jù)從A到B；DSP讀時(shí)W／R=DIR－4245=0，ALVCl64245的數(shù)據(jù)從B到A；

(3)SN74ALVCl64245的A端數(shù)據(jù)線接DSP的數(shù)據(jù)線，B端接MAXl25的數(shù)據(jù)線。

[!--empirenews.page--]1．4 A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 

為實(shí)現(xiàn)高精度的交流采樣，本系統(tǒng)的ADC選用MAXIM公司的14位MAXl25CEAX。有關(guān)該芯片的資料參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]，圖4為具體應(yīng)用電路。

(1)CHlA～CH4A、CHlB～CH4B分別接PT／CT（電壓／電流互感器）調(diào)理電路的輸出電壓。DO～D13接電平轉(zhuǎn)移器件的5V數(shù)據(jù)線，經(jīng)電平轉(zhuǎn)移后接DSP的D0～D13。

(2)DSP的IOPF6直接接MAXl25的CONVST端，IOPF6端發(fā)一個(gè)正脈沖啟動(dòng)一次A／D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，MAXl25的INT端輸出低電平，通過(guò)5V—3V電平轉(zhuǎn)移電路接到DSP的IOPA2(XINn)腳，程序查詢IOPA2（ⅪNT1）是否為低電平，為低則讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

(3)DSP的IS腳直接接MAXl25的CS端．DSP將MAXl25視為一個(gè)I／O端口，用端口指令訪問(wèn)。DSP的電平可以直接驅(qū)動(dòng)MAXl25的控制端。

下面是對(duì)MAXl25操作的DSP C語(yǔ)言實(shí)例。

(1)寫(xiě)命令到MAXl25

outport(MAXl25，0x03)；／／input Mux A／Four—Channel

(2)發(fā)出啟動(dòng)MAXl25進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的脈沖

MAXl25CONV_HIGH；／／IOPF6=1

MAXl25CONV_LOW；／／需要大于30ns的負(fù)脈沖

MAXl25CONV_HIGH；／／上升沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

(3)查詢IOPA2(ⅪNT1)是否為低電平(轉(zhuǎn)換完成)

while（*PADATDIR&0X0004）

    {KICKDOG；}

(4)讀轉(zhuǎn)換結(jié)果

 for(i=0；i <4；i＋＋)／／read result about Ila、Va、Ib、Vb

 {

    ADC_Result[i]=portl；

    Ch_RealData[i][Dots_Index]=(ADC—Result[i ]<<2)／4；

    ／／14 bits dala change to 16 hits data

    }

[!--empirenews.page--]1．5 CAN總線接口電路設(shè)計(jì) 

 LP2407A集成了CAN控制器，擴(kuò)展一片CAN收發(fā)器就構(gòu)成了CAN接口電路。收發(fā)器選用Philips公司的P82C250，具體電路如圖5。

P82C250是5V電源供電，與LF2407A連接要加電平轉(zhuǎn)移電路。R301、D301完成3．3V電平向5V電平轉(zhuǎn)移；R302、R303完成5V電平向3．3V電平轉(zhuǎn)移。

其他如串口擴(kuò)展電路、SRAM擴(kuò)展電路、液晶擴(kuò)展電路等為通用電路．在此不做闡述。

2軟件設(shè)計(jì) 

2．1嵌入式軟件設(shè)計(jì)思想 

 借鑒Windows編程中基于消息驅(qū)動(dòng)的思想，在嵌入式軟件中引入基于消息的處理方泫。嵌入式系統(tǒng)的消息可以分為：鍵盤(pán)輸入命令、系統(tǒng)接口電路產(chǎn)生的狀態(tài)信息(如報(bào)警、越限等)以及上位機(jī)命令。消息的接收采用中斷方式，確保消息可靠及時(shí)的接收；時(shí)間要求非?？量痰南?，如電機(jī)保護(hù)，在中斷直接處理；其他消息在主程序中對(duì)消息進(jìn)行解析執(zhí)行。程序設(shè)計(jì)思想可以用圖6表示。

本系統(tǒng)通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)的命令（接收消息）。CAN接收方式采用中斷方式．當(dāng)上位機(jī)下達(dá)命令時(shí)，該裝置通過(guò)中斷及時(shí)接收．實(shí)時(shí)任務(wù)直接在中斷程序中完成，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求；非實(shí)時(shí)任務(wù)則將該命令存入消息(或命令)緩沖區(qū)，等待在主函數(shù)中查詢處理。

2．2程序整體框圖 

整個(gè)程序由主函數(shù)、功能函數(shù)、CAN通信中斷函數(shù)、DSP的定時(shí)器T1的周期中斷(采樣中斷)函數(shù)構(gòu)成。

DSP的CAN控制器接收中斷采用DSP的內(nèi)核中斷1；定時(shí)器T1的周期中斷采用DSP的內(nèi)核中斷2，用來(lái)定期觸發(fā)MAXl25進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。關(guān)于LF2407A的中斷編程可參見(jiàn)文獻(xiàn)[1～2]。

主函數(shù)main()的流程如圖7所示。

主函數(shù)先初始化系統(tǒng)，啟動(dòng)實(shí)時(shí)采樣，實(shí)時(shí)采樣一直運(yùn)行并始終保持有多個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)，供故障錄波后觀察故障點(diǎn)前后幾個(gè)周期的波形，以便分析故障原因。然后進(jìn)入消息處理的循環(huán)程序。從流程圖可以看到，程序先檢查消息(或命令)緩沖區(qū)，若有消息／命令，則調(diào)用相應(yīng)功能函數(shù)執(zhí)行命令，判斷是否到計(jì)算周期以確定是否調(diào)用計(jì)算函數(shù)，然后回到消息處理入口；若沒(méi)有消息等待處理，則判斷100ms計(jì)算周期是否到(計(jì)算周期可以調(diào)整)。若到，則計(jì)算一遍電參數(shù)，判斷是否有越限情況。若有越限則通知上位機(jī)，然后返回到消息處理入口，重復(fù)開(kāi)始消息(或命令)的解析執(zhí)行。消息接收程序以中斷方式在后臺(tái)運(yùn)行。

2．3功能函數(shù)設(shè)計(jì) 

功能函數(shù)由主函數(shù)main()調(diào)用，下面介紹幾種主要的功能函數(shù)。限于篇幅，函數(shù)沒(méi)有展開(kāi)，只列出函數(shù)名。

計(jì)算電參數(shù)的函數(shù)：void Calc()；

向上位機(jī)傳送電參數(shù)值的函數(shù)：unsigned int Send_AcqData()；

執(zhí)行參數(shù)設(shè)定命令的函數(shù)：unsigned int Set_Parameter()；

向上位機(jī)傳送報(bào)警數(shù)據(jù)的函數(shù)：unsigned Int Send_AlarmnData()；

向上位機(jī)傳送錄波數(shù)據(jù)的函數(shù)：unsigned Int Send_WaveRecordData()；

本交流采樣系統(tǒng)已運(yùn)行在鐵路水電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的FTU(Field Terminal Unit)中，與上位機(jī)通信的應(yīng)用層協(xié)議采用DeviceNet協(xié)議。實(shí)際證明該系統(tǒng)功能正常、性能穩(wěn)定。