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(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(guò)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(guò)程；工控機(jī)主要功能是通過(guò)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(guò)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(guó)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(wú)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(guò)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(guò)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)。

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