基于DSP的光纖數據采集網絡的研制

1. 引言

中性束注入加速極電源是為國家大科學工程超導托克馬克聚變實驗裝置（EAST）研制的一套高壓大功率脈沖電源。此電源采用Pulse Step Modulation[1]技術，用80個相同的1100v/100A輸出的電源模塊串聯而成（圖1），其額定輸出為：80kv/80A，最大脈寬1000s。由于該電源置于高壓、強電磁干擾環(huán)境下，因此，必須對各電源模塊的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，以確保該電源系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。通過對各種方案的比較，采用計算機RS232口和DSP(Digital Signal Processor，數字信號處理器)的RS232口通過光纖轉換器組建光纖網絡。整個系統(tǒng)具有結構簡單，性價比高，易擴充，抗干擾性強等優(yōu)點。

圖1加速極電源框圖及電壓輸出波形

1. 光纖網絡結構

2.1光纖網絡硬件

該光纖數據采集網絡采用RS232總線的單主多從結構，主站用PC機，從站用DSP，采用多模光纖連接，組建成總線型的光纖網。光纖轉換器是自己制作的1分2轉換器，把計算機的RS232口數據轉換成光信號。DSP采用TI公司的LF2407A。

該光纖網絡包括：主站計算機、單路光纖轉換器、1分8光纖轉換器和DSP組成。網絡拓撲結構見（圖2）。

圖2 網絡結構拓撲圖

DSP硬件系統(tǒng)結構包括：A/D轉換部分、SCI接口、I/O口等如圖3所示。DSP需要實現的功能有,對電源模塊8個開關量狀態(tài)的監(jiān)控;對電源模塊輸入端電壓的監(jiān)測,以決定是否可以閉合IGBT;控制IGBT、CKJ的分合；與主站計算機進行通訊。

圖3 DSP硬件系統(tǒng)結構

2.2光纖網絡軟件

主站采用LabVIEW編寫的Windows系統(tǒng)的數據采集界面[2](圖4)，簡單易用。可以根據需要設定不同的參數。從站采用TI公司針對TMS320C2XX開發(fā)的一套集成開發(fā)環(huán)境CC（CODE COMPOSE）[3]。CC采用圖形接口，提供編輯指令、參數修改工具，能對TMS320C2000系列DSP進行指令級的仿真和進行可視化的實時數據分析，可大大提高開發(fā)者的工作效率，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

DSP多處理器通訊有兩種方法：空閑線模式和地址位模式[4]。由于地址位模式在高發(fā)送速度下，程序速度不足以避免在傳輸流中的一個10bit的空閑，且空閑線模式與RS232通訊兼容，因此該光纖網絡采用空閑線通訊模式。

圖4 數據采集界面

主站通過COM1口與從站通訊，用軟件中斷的方法接收從站上傳的信息。主站接收與發(fā)送的數據都是NRZ（非歸零）格式，NRZ的格式包括以下組成部分：一個起始位、1~8個數據位，一個奇偶校驗位（可選）、1或2個停止位。

從站接收到一幀數據時，產生一個中斷，并判斷是否與自己的虛擬地址一致。主站與從站的設定如下：從站虛擬地址從01到80，當從站接收到的數據與自己的地址一致時，發(fā)送信息給主站，否則處于等待接收狀態(tài)(圖5)，各從站之間不通訊，同一時刻只有一個從站發(fā)送信息給主站。

圖5程序流程圖

3.模擬調試

用一臺PC機，2塊自己設計制作的DSP開發(fā)板，1分2光纖轉換器組建了一個光纖網（圖6），對數據采集網絡進行模擬調試。測試儀器采用泰克公司的TDS 3032B示波器。用PC機COM1通訊口的3號引腳的第一個上升沿為觸發(fā)信號，觸發(fā)電平為5V。通訊時間測試過程如下：COM1通訊口3號引腳發(fā)送數據的第一個上升沿作為起始時間，到2號引腳接收到從站上傳數據的第一個上升沿為止，這個時間即為主站與從站一次通訊的時間。經多次測試，通訊沒出現錯誤，一次通訊時間為560us（圖7），波動在20us以內，數據的傳輸速度設定為115200bps。

圖6 光纖數據采集網絡硬件電路

（1為光纖，2為LF2407A芯片，3為1分2光纖轉換器）

數據采集的測試過程如下：主站PC機給從站DSP發(fā)出一個地址76，各DSP經過判斷、等待，最后，虛擬地址是76的DSP把該電源模塊的工作狀態(tài)（包括IGBT的開/關，熔絲的通/斷等）和端口電壓發(fā)送給主站計算機。主站接收到數據后，對所接收的數據進行分析。如果I/O接收到的該電源模塊的工作狀態(tài)為非正常狀態(tài)，則DSP向主控計算機發(fā)出一個警告信號，提醒工作人員關斷模塊電源，同時把采集到的數據存儲到指定的文件夾。如果I/O接受到的改電源模塊的工作狀態(tài)是正常狀態(tài)，則不存儲數據。通過多次測試分析，該光纖數據采集網絡的主站與其中一個從站通訊的平均時間為42.3ms（從站發(fā)送31個字符）。在測試過程中沒有出現通訊故障，該光纖網絡滿足設計指標。

圖7 通訊時間波形圖（1發(fā)送，4接收）

2. 抗干擾效果比較

RS232是微機之間最常用的串行通信接口，但RS232串行通信接口的抗干擾能力很差。這是由于RS232C采用單端信號傳輸，而它的連接電纜把它所連接的兩臺機器的地又連接在一起，因此，當兩個地線之間的地電位不一致時，就有共模干擾電壓產生。于是就造成了嚴重的干擾，甚至燒毀接口器件；隨著頻率的增加，雙絞線線對的衰減迅速增高，并且雙絞線還有所謂的近端串擾，即在發(fā)送線對和接收線對之間存在電磁耦合干擾。如果采用光纖通信，就可以隔斷兩個地之間的聯系，從而極大地提高其抗干擾能力。并且光纖還具有不輻射能量、不導電、沒有電感，且光纜中不存在串擾以及光信號相互不干擾的影響，也不會在線路“接頭處”感應耦合導致的安全問題。

用一臺PC機，1塊LF2407開發(fā)板，采用雙絞線通訊時，在COM1口2號引腳接收到的干擾信號（如圖7）。由于干擾信號太強，覆蓋了有效的傳輸信號，導致雙絞線無法在該環(huán)境下工作。采用光纖網在該環(huán)境下工作，抗干擾效果明顯，干擾信號對通訊沒有影響。因此，光纖是該環(huán)境下理想的通訊介質。

圖7 干擾波形

5.結束語

本文的創(chuàng)新點是：SCI總線與光纖通訊介質相結合。隨著DSP功能的不斷完善，DSP正越來越多地應用于過程控制和監(jiān)控領域。并且該網絡可以與工業(yè)以太網、現場總線等技術結合構成分布式控制系統(tǒng)以及現場總線控制系統(tǒng)，實現工業(yè)過程分散控制。采用本文所做的光纖轉換器成本較低，易于網絡的擴展。本文所述的光纖監(jiān)控網絡可以應用于其它高電壓隔離、強電磁干擾環(huán)境中。

參考文獻：

[1] U.E.Schwarz "Gigitized high power modulation" 14^th Symposium on Fusion Technology, Avignon, 1986
[2] 張霞 宋仲康 基于LabVIEW的局域網雙機通信微計算機信息 2004年 第12期 49頁
[3] 羅朝霞 張高記 基于TMS320LF2407A DSP的MODBUS通信協(xié)議的實現 微計算機信息2005年第7期 138頁
[4] [美] Texas Instruments Incorporated著，徐科軍，張興等編譯，《TMS320LF/LC24系列DSP的CPU與外設》[M] 清華大學出版社 2004 起217頁止221頁。