论文部分内容阅读
摘 要：本文对PLC在异步电机智能保护数据采集电路中的应用进行分析，基于芯片TMS320LF2407A，对数据采集的采样模块、人机接口模块、时钟晶振模块以及总线通信模块等模块进行了设计。
关键词：TMS320LF2407A;采样;人机接口;总线通信
1芯片TMS320LF2407A简介
数字信号处理已经发展了20多年，最初仅在信号处理领域内应用。近年来，随着半导体技术的发展，其高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，在控制领域内也得到很好的应用。数字控制系统克服了模拟控制系统电路功能单一、控制精度不高的缺点，它抗干扰能力强，可靠性高，可实现复杂控制，增强了控制的灵活性。
2数据采集模块
2.1模拟量的采样
模拟量的采样是通过电压互感器和电流互感器采集三相电流、三相电压和零序电流，并经过信号调理后由I/O接口送至DSP芯片内的A/D转换电路再进行模数转换，DSP芯片对转换结果进行处理和计算，得到三相电压、电流的有效值、有功功率、无功功率以及功率因数，与整定值比较运算，判断电机是否处于不正常的运行状态，并执行相应的控制指令，实现对电动机的保护。
（1）电压和电流调理电路
下面以三相四线制供电系统为例说明如何将电网电压、电流经二次电压互感器、电流互感器调理并抬高为0～3.3VAC之间的电压信号的。
因为电网电压、电流是交流信号，根据LF2407A内置ADC模块的特点，在作A/D转换时，希望被转换的信号是单极性的，所以经过电压互感器、电流互感器变换后的交流电压还要被抬高，变到0～3.3V范围内。
以A相电压为例，电网A相电压首先经一次互感器和二次互感器，变换后的电压为双极性交流电压信号。再经过RC低通滤波，滤除高次谐波，并通过电压跟随器保持电压。最后经过电平抬升电路和放大电路以及稳压电路将双极性交流电压信号调理为0—3.3V的单极性电压信号，正好满足DSP的A/D转换模块要求的电压转换范围：0～3.3V。
（2）频率测量电路
由于采样周期与电网中的频率有关，而电网中的频率又是变化的，为了实现采样的整分割，必须跟踪电网中的频率信号。频率的测量是通过采集两个电压周期信号上升沿之间的时间差来实现的。电压波形经过零电压比较器产生方波，送入TMS320LF2407的捕获定时器引脚CAP1进行上升沿捕获，采用定时/计数器1作为时间基准。
2.2人机接口模块
（1）键盘设计
TMS320LF2407ADSP有多达40个通用、双向的数字I/O引脚，其中大多数都是基本功能和一般I/O功能复用。将IOPF0至IOPF5六个端口设置为一般I/O口输入方式，实现键盘输入功能。为满足实时性要求，本系统采用按键中断方式完成人机交互功能。本电路设计的键盘共有6个键，分别用于选择调节项、增减设定值、设置、确定、启动、停止。当按键没有被按下时，I/O口和XINT引脚一直为高电平状态，当任一按键按下时，XINT1引脚的输入出现低电平跳变（INT13设置为下降延触发）触发DSP外部中断，CPU响应中断后在中断服务子程序中读取键盘状态，并执行相应的操作。
（2）液晶显示器
本模块选用LCM320240液晶显示器。LCM320240是北京青云公司生产的320x240点阵LCD模块。内含7602个简体中文字型，支持4/8位6800/8080MPU接口，工作电源（3.3V）与DSP兼容，本设计中采用6800时序，8位数据并行方式。
LCM320240工作在两种不同的显示模式：
文字显示模式：内建512KB的16x16中文显示字型ROM，存储7602个标准GB码的简体中文。每个简体中文汉字由两个8位代码组成，对应关系参见LCM320240中文代码表。通过将汉字所对应的两个8位代码写入资料寄存器，就可以将对应汉字显示在当前光标处，汉字大小为16x16。
绘图显示模式：它是以字元映射方式在DisplayRAM上填入图形资料。当所要显示的汉字大小不为16x16时，可以将LCD设置为绘图模式，通过字模提取软件得到所需大小的汉字字码表，再在LCD上以绘图方式显示。
通过控制其指令寄存器[FD]实现LCD在这两种不同模式之间切换。对LCM320240的操作实质上就是通过控制RS引脚对指令寄存器和资料寄存器进行相应的读写操作。
DSP经常会对读写周期较慢的输入/输出设备（如液晶显示模块、打印机、键盘等）进行访问，通常用以下两种方法来解决DSP与这些慢速设备之间的输入/输出时序匹配问题。
直接访问：直接访问方式是将DSP的读写信号线与慢速设备接口控制板引出的读写信号线直接相连，时序由DSP内部读写逻辑控制。由于慢速外设的读写周期相对DSP较慢，要使两者的时序匹配，还必须进行一些时序方面的控制处理。一种处理方法是软件编程等待状态发生器，将外部总线周期扩展到数个机器周期。由于受硬件条件的限制，这种扩展通常也是有限的，TMS320C2000系列DSP最多只能扩展到7个机器周期。另一种处理方法是利用DSP的READY（外部设备准备就绪）引脚，通过硬件扩展实现外部状态自动等待，从而使DSP与慢速设备之间的时序匹配。虽然可以将总线周期扩展到任意个机器周期，但是需要进行硬件扩展，增加了系统设计的复杂度。
间接访问：用DSP的数字I/0间接控制慢速设备，通过软件控制DSP的I/O口来实现与慢速设备的时序匹配。此种方式无需硬件扩展即可实现与任意时序慢速设备之间的时序匹配。
2.3时钟晶振模块
与一般微处理器不同，C240x系列DSP利用掛接在片内外设总线上的锁相环时钟模块（PLL）合成系统需要的各种时钟信号（CPU时钟、系统时钟、模拟时钟和看门狗时钟）。外部时钟信号经PLL倍频后合成系统时钟频率。外部时钟信号由lOMHz晶振提供，通过系统控制和状态寄存器（SCSR1）设置4倍频因子后，2407ADSP以最大时钟频率（40MHZ）工作。通过检查DSP时钟输出引脚（CLK0UT）的频率，可以判断DSP芯片是否已开始正常工作。PLL模块使用外部滤波器回路来抑制信号抖动和电磁干扰。滤波器回路由PLL接在滤波器输入引脚PLLF和PLLF2之间的电阻R1和电容Cl、C2组成。电容Cl、C2必须为无极性电容。
在不同的振荡器频率下，R1、Cl、C2的取值不同，常用的参数组合如表l所列。PLL模块的电源引脚PLLVCCA分别通过磁珠和0.1μF的电容与数字电源引脚VDD和数字地引脚VSS连接，构成低通滤波电路，保证时钟模块的可靠供电。
2.4总线通信模块
目前电力系统的分布式监控系统几乎都是基于RS-485构建的网络，采用半双工的电气协议，这种机制使得在构建复杂工业现场的实时监控网络时存在不足，可靠性低，系统故障隔离能力差。
在本设计方案中采用了CAN总线技术。CAN总线型结构是一种适合工业现场自动控制的计算机局域网络。它由物理层和数据链路层两部分组成，而数据链路层又包括逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。CAN总线的应用范围很广，从高速的局域网络到低价位的多路配线都可以使用CAN总线。
CAN总线技术具有独特的机制，其主要有以下几个优点：网络节点不分主动主从;采用非破坏总线仲裁;支持竞争;传输距离远;通信速度较高（最大1Mbit/s）;组网灵活;其报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰小，具有自己的协议等;所以现场总线CAN以其自身的优点有效支持分布式控制系统或成为实时控制的串行通信网络。
参考文献：
[1] 甄国涌，张传民，齐蕾等.一种182路传感器数据采集电路的设计[J].计算机测量与控制，2014，22（12）：4147-4149，4153.
[2] 高芸.从《汉书？艺文志》与《隋书？经籍志》看小说的演进[J].毕节学院学报，2010，28（10）：77-81.
[3] 郑永秋，史赟，李圣昆等.多通道高精度数据采集电路的设计与实践[J].电测与仪表，2011，48（9）：86-90.
关键词：TMS320LF2407A;采样;人机接口;总线通信
1芯片TMS320LF2407A简介
数字信号处理已经发展了20多年，最初仅在信号处理领域内应用。近年来，随着半导体技术的发展，其高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现，同时将实时处理能力和控制器的外设功能集于一身，在控制领域内也得到很好的应用。数字控制系统克服了模拟控制系统电路功能单一、控制精度不高的缺点，它抗干扰能力强，可靠性高，可实现复杂控制，增强了控制的灵活性。
2数据采集模块
2.1模拟量的采样
模拟量的采样是通过电压互感器和电流互感器采集三相电流、三相电压和零序电流，并经过信号调理后由I/O接口送至DSP芯片内的A/D转换电路再进行模数转换，DSP芯片对转换结果进行处理和计算，得到三相电压、电流的有效值、有功功率、无功功率以及功率因数，与整定值比较运算，判断电机是否处于不正常的运行状态，并执行相应的控制指令，实现对电动机的保护。
（1）电压和电流调理电路
下面以三相四线制供电系统为例说明如何将电网电压、电流经二次电压互感器、电流互感器调理并抬高为0～3.3VAC之间的电压信号的。
因为电网电压、电流是交流信号，根据LF2407A内置ADC模块的特点，在作A/D转换时，希望被转换的信号是单极性的，所以经过电压互感器、电流互感器变换后的交流电压还要被抬高，变到0～3.3V范围内。
以A相电压为例，电网A相电压首先经一次互感器和二次互感器，变换后的电压为双极性交流电压信号。再经过RC低通滤波，滤除高次谐波，并通过电压跟随器保持电压。最后经过电平抬升电路和放大电路以及稳压电路将双极性交流电压信号调理为0—3.3V的单极性电压信号，正好满足DSP的A/D转换模块要求的电压转换范围：0～3.3V。
（2）频率测量电路
由于采样周期与电网中的频率有关，而电网中的频率又是变化的，为了实现采样的整分割，必须跟踪电网中的频率信号。频率的测量是通过采集两个电压周期信号上升沿之间的时间差来实现的。电压波形经过零电压比较器产生方波，送入TMS320LF2407的捕获定时器引脚CAP1进行上升沿捕获，采用定时/计数器1作为时间基准。
2.2人机接口模块
（1）键盘设计
TMS320LF2407ADSP有多达40个通用、双向的数字I/O引脚，其中大多数都是基本功能和一般I/O功能复用。将IOPF0至IOPF5六个端口设置为一般I/O口输入方式，实现键盘输入功能。为满足实时性要求，本系统采用按键中断方式完成人机交互功能。本电路设计的键盘共有6个键，分别用于选择调节项、增减设定值、设置、确定、启动、停止。当按键没有被按下时，I/O口和XINT引脚一直为高电平状态，当任一按键按下时，XINT1引脚的输入出现低电平跳变（INT13设置为下降延触发）触发DSP外部中断，CPU响应中断后在中断服务子程序中读取键盘状态，并执行相应的操作。
（2）液晶显示器
本模块选用LCM320240液晶显示器。LCM320240是北京青云公司生产的320x240点阵LCD模块。内含7602个简体中文字型，支持4/8位6800/8080MPU接口，工作电源（3.3V）与DSP兼容，本设计中采用6800时序，8位数据并行方式。
LCM320240工作在两种不同的显示模式：
文字显示模式：内建512KB的16x16中文显示字型ROM，存储7602个标准GB码的简体中文。每个简体中文汉字由两个8位代码组成，对应关系参见LCM320240中文代码表。通过将汉字所对应的两个8位代码写入资料寄存器，就可以将对应汉字显示在当前光标处，汉字大小为16x16。
绘图显示模式：它是以字元映射方式在DisplayRAM上填入图形资料。当所要显示的汉字大小不为16x16时，可以将LCD设置为绘图模式，通过字模提取软件得到所需大小的汉字字码表，再在LCD上以绘图方式显示。
通过控制其指令寄存器[FD]实现LCD在这两种不同模式之间切换。对LCM320240的操作实质上就是通过控制RS引脚对指令寄存器和资料寄存器进行相应的读写操作。
DSP经常会对读写周期较慢的输入/输出设备（如液晶显示模块、打印机、键盘等）进行访问，通常用以下两种方法来解决DSP与这些慢速设备之间的输入/输出时序匹配问题。
直接访问：直接访问方式是将DSP的读写信号线与慢速设备接口控制板引出的读写信号线直接相连，时序由DSP内部读写逻辑控制。由于慢速外设的读写周期相对DSP较慢，要使两者的时序匹配，还必须进行一些时序方面的控制处理。一种处理方法是软件编程等待状态发生器，将外部总线周期扩展到数个机器周期。由于受硬件条件的限制，这种扩展通常也是有限的，TMS320C2000系列DSP最多只能扩展到7个机器周期。另一种处理方法是利用DSP的READY（外部设备准备就绪）引脚，通过硬件扩展实现外部状态自动等待，从而使DSP与慢速设备之间的时序匹配。虽然可以将总线周期扩展到任意个机器周期，但是需要进行硬件扩展，增加了系统设计的复杂度。
间接访问：用DSP的数字I/0间接控制慢速设备，通过软件控制DSP的I/O口来实现与慢速设备的时序匹配。此种方式无需硬件扩展即可实现与任意时序慢速设备之间的时序匹配。
2.3时钟晶振模块
与一般微处理器不同，C240x系列DSP利用掛接在片内外设总线上的锁相环时钟模块（PLL）合成系统需要的各种时钟信号（CPU时钟、系统时钟、模拟时钟和看门狗时钟）。外部时钟信号经PLL倍频后合成系统时钟频率。外部时钟信号由lOMHz晶振提供，通过系统控制和状态寄存器（SCSR1）设置4倍频因子后，2407ADSP以最大时钟频率（40MHZ）工作。通过检查DSP时钟输出引脚（CLK0UT）的频率，可以判断DSP芯片是否已开始正常工作。PLL模块使用外部滤波器回路来抑制信号抖动和电磁干扰。滤波器回路由PLL接在滤波器输入引脚PLLF和PLLF2之间的电阻R1和电容Cl、C2组成。电容Cl、C2必须为无极性电容。
在不同的振荡器频率下，R1、Cl、C2的取值不同，常用的参数组合如表l所列。PLL模块的电源引脚PLLVCCA分别通过磁珠和0.1μF的电容与数字电源引脚VDD和数字地引脚VSS连接，构成低通滤波电路，保证时钟模块的可靠供电。
2.4总线通信模块
目前电力系统的分布式监控系统几乎都是基于RS-485构建的网络，采用半双工的电气协议，这种机制使得在构建复杂工业现场的实时监控网络时存在不足，可靠性低，系统故障隔离能力差。
在本设计方案中采用了CAN总线技术。CAN总线型结构是一种适合工业现场自动控制的计算机局域网络。它由物理层和数据链路层两部分组成，而数据链路层又包括逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。CAN总线的应用范围很广，从高速的局域网络到低价位的多路配线都可以使用CAN总线。
CAN总线技术具有独特的机制，其主要有以下几个优点：网络节点不分主动主从;采用非破坏总线仲裁;支持竞争;传输距离远;通信速度较高（最大1Mbit/s）;组网灵活;其报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰小，具有自己的协议等;所以现场总线CAN以其自身的优点有效支持分布式控制系统或成为实时控制的串行通信网络。
参考文献：
[1] 甄国涌，张传民，齐蕾等.一种182路传感器数据采集电路的设计[J].计算机测量与控制，2014，22（12）：4147-4149，4153.
[2] 高芸.从《汉书？艺文志》与《隋书？经籍志》看小说的演进[J].毕节学院学报，2010，28（10）：77-81.
[3] 郑永秋，史赟，李圣昆等.多通道高精度数据采集电路的设计与实践[J].电测与仪表，2011，48（9）：86-90.