SCADA系統(tǒng)中交流采樣器設計

SCADA(Supervlsory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)即數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是一種以微型計算機為核心，綜合利用計算機、通信、控制等技術完成遙控、遙測、遙信、遙調(四遙)的控制系統(tǒng)：”。由于DSP技術的發(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(即遙測功能)由過去的基于變送器的直流采樣逐漸向交流采樣過渡。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計。該交流采樣器作為SCADA的功能模塊．具有如下功能特點：

(1)計算功能。對電壓、電流、有功、無功、功率因素、頻率、相序等參數進行計算。

(2)報警功能。當發(fā)生越限、跳閘時報警。

(3)錄波功能。錄波功能包括手動錄波(錄波正常)和故障錄波。

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

(5)人機接口功能。擴展RS 232口與PC機連接，可以利用PC機的超級終端作采樣系統(tǒng)的顯示器，便于調試和監(jiān)測。

1硬件設計 

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，其主要特點為：片內32K字(16位字寬)的FLASH，不用外擴程序存儲器，帶有一個CAN口．支持CAN2、OB協(xié)議規(guī)范．一個RS232通信口，3．3V供電，二個8通道10位ADC，最小轉換時間500ns(2 MSPS)。

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

(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的電平轉換器選用  SN74ALVCl64245。

1．2信號調理電路設計 

在電力系統(tǒng)變電所，為實現對電壓電流的監(jiān)測，先將原邊的高電壓或大電流通過一級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。這些信號引入到變電站的控制室，供控制系統(tǒng)設備使用。在交流采樣中．要采樣的信號就是前一級的  100V或5A信號。這時還需要引入第二級互感器，將100V或5A信號變換為DSP或MCU可以處理的小信號。一般將100V電壓信號或5A電流信號經電壓或電流互感器變換為2mA左右的電流信號。圖2是第二級的電壓互感器的信號調理電路，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，后面的運放接成跟隨器模式，起信號隔離緩沖作用。因為MAXl25的輸入模擬電壓為—5V～+5V，Vout的最大有效值為3．535V，所以要根據這個原則選取R503的阻值。為保護LM324，可以在運放的輸入端并聯7V左右的雙向穩(wěn)壓管。

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

1．3電平轉移電路分析 

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

(1)SN74ALVCl64245的輸出允許OE端接LF2407A的IS信號端．DSP以I／O口方式訪問MAXl25。當DSP訪問MAXl25時，IS信號有效，ALVCl64245的輸出允許OE端有效，ALVCl64245工作；其他情況下，ALVCl64245的數據線呈高阻狀態(tài)。

(2)SN74ALVCl64245的1DIR、2DIR接LF2407A的19腳W／R，DSP寫時W／R=DIR－4245=1。ALVCl64245的數據從A到B；DSP讀時W／R=DIR－4245=0，ALVCl64245的數據從B到A；

(3)SN74ALVCl64245的A端數據線接DSP的數據線，B端接MAXl25的數據線。

[!--empirenews.page--]1．4 A／D轉換電路設計 

為實現高精度的交流采樣，本系統(tǒng)的ADC選用MAXIM公司的14位MAXl25CEAX。有關該芯片的資料參見文獻[6]，圖4為具體應用電路。

(1)CHlA～CH4A、CHlB～CH4B分別接PT／CT（電壓／電流互感器）調理電路的輸出電壓。DO～D13接電平轉移器件的5V數據線，經電平轉移后接DSP的D0～D13。

(2)DSP的IOPF6直接接MAXl25的CONVST端，IOPF6端發(fā)一個正脈沖啟動一次A／D轉換。轉換結束時，MAXl25的INT端輸出低電平，通過5V—3V電平轉移電路接到DSP的IOPA2(XINn)腳，程序查詢IOPA2（ⅪNT1）是否為低電平，為低則讀取轉換結果。

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

下面是對MAXl25操作的DSP C語言實例。

(1)寫命令到MAXl25

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

(2)發(fā)出啟動MAXl25進行A／D轉換的脈沖

MAXl25CONV_HIGH；／／IOPF6=1

MAXl25CONV_LOW；／／需要大于30ns的負脈沖

MAXl25CONV_HIGH；／／上升沿啟動轉換

(3)查詢IOPA2(ⅪNT1)是否為低電平(轉換完成)

while（*PADATDIR&0X0004）

    {KICKDOG；}

(4)讀轉換結果

 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總線接口電路設計 

 LP2407A集成了CAN控制器，擴展一片CAN收發(fā)器就構成了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連接要加電平轉移電路。R301、D301完成3．3V電平向5V電平轉移；R302、R303完成5V電平向3．3V電平轉移。

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

2軟件設計 

2．1嵌入式軟件設計思想 

 借鑒Windows編程中基于消息驅動的思想，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：鍵盤輸入命令、系統(tǒng)接口電路產生的狀態(tài)信息(如報警、越限等)以及上位機命令。消息的接收采用中斷方式，確保消息可靠及時的接收；時間要求非?？量痰南ⅲ珉姍C保護，在中斷直接處理；其他消息在主程序中對消息進行解析執(zhí)行。程序設計思想可以用圖6表示。

本系統(tǒng)通過CAN總線接收上位機的命令（接收消息）。CAN接收方式采用中斷方式．當上位機下達命令時，該裝置通過中斷及時接收．實時任務直接在中斷程序中完成，滿足系統(tǒng)的實時性要求；非實時任務則將該命令存入消息(或命令)緩沖區(qū)，等待在主函數中查詢處理。

2．2程序整體框圖 

整個程序由主函數、功能函數、CAN通信中斷函數、DSP的定時器T1的周期中斷(采樣中斷)函數構成。

DSP的CAN控制器接收中斷采用DSP的內核中斷1；定時器T1的周期中斷采用DSP的內核中斷2，用來定期觸發(fā)MAXl25進行A／D轉換。關于LF2407A的中斷編程可參見文獻[1～2]。

主函數main()的流程如圖7所示。

主函數先初始化系統(tǒng)，啟動實時采樣，實時采樣一直運行并始終保持有多個周期的波形數據，供故障錄波后觀察故障點前后幾個周期的波形，以便分析故障原因。然后進入消息處理的循環(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，則調用相應功能函數執(zhí)行命令，判斷是否到計算周期以確定是否調用計算函數，然后回到消息處理入口；若沒有消息等待處理，則判斷100ms計算周期是否到(計算周期可以調整)。若到，則計算一遍電參數，判斷是否有越限情況。若有越限則通知上位機，然后返回到消息處理入口，重復開始消息(或命令)的解析執(zhí)行。消息接收程序以中斷方式在后臺運行。

2．3功能函數設計 

功能函數由主函數main()調用，下面介紹幾種主要的功能函數。限于篇幅，函數沒有展開，只列出函數名。

計算電參數的函數：void Calc()；

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

執(zhí)行參數設定命令的函數：unsigned int Set_Parameter()；

向上位機傳送報警數據的函數：unsigned Int Send_AlarmnData()；

向上位機傳送錄波數據的函數：unsigned Int Send_WaveRecordData()；

本交流采樣系統(tǒng)已運行在鐵路水電遠動系統(tǒng)的FTU(Field Terminal Unit)中，與上位機通信的應用層協(xié)議采用DeviceNet協(xié)議。實際證明該系統(tǒng)功能正常、性能穩(wěn)定。