宗波 蔣曉春 王軒 中國電力科學(xué)研究院 100192

Zong Bo Jiang Xiaochun Wang Xuan

China Electric Power Research Institute 100192，China

DSP芯片SCI模塊在電力電子控制裝置中的應(yīng)用

宗波 蔣曉春 王軒 中國電力科學(xué)研究院 100192

Zong Bo Jiang Xiaochun Wang Xuan

China Electric Power Research Institute 100192，China

TMS320F28335是32位浮點DSP（數(shù)字信號處理器）芯片，在電力電子裝置中的應(yīng)用日益廣泛。本文介紹了利用DSP芯片的SCI（串行通信接口）模塊與Visual Basic中的MSComm控件在電力電子控制裝置中實現(xiàn)符合IEC60870-5-101規(guī)范的串行數(shù)據(jù)通信方案。該方案可應(yīng)用于多種基于DSP的電力電子控制裝置與上位機間的數(shù)據(jù)交換。在實際環(huán)境下運行表明該方案簡單有效、移植方便，便于系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試，具有較強的實用性。

數(shù)字信號處理器；TMS320F28335；串行通信接口；IEC60870-5-101規(guī)范；MSComm控件

DSP；TMS320F28335；SCI；IEC60870-5-101Protocol；MSComm Control

引言

美國TI（Texas Instruments）公司的系列數(shù)字信號處理器（DSP）芯片采用多總線的哈佛結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)的指令操作方式、專用的硬件乘法器和快速的DSP運算指令，具有處理速度快、接口通用、外設(shè)資源豐富、穩(wěn)定性好、精度高的特點，適用于匯編或C/C++語言開發(fā)，在數(shù)字信號處理、通信和工業(yè)自動化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。在大功率電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)備往往要求具有較好的實時性、較高的可靠性以及維護的便利性，這些都為基于DSP的控制器創(chuàng)造了更廣闊的應(yīng)用空間。控制器內(nèi)部一般具有復(fù)雜的通訊網(wǎng)絡(luò)，而電力電子裝置控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)之間多采用串行數(shù)據(jù)交互的通訊方式，需要一種通用、簡單、可靠、移植性好的串行通信方案。

本文給出的串行數(shù)據(jù)通信方案中，控制器采用DSP芯片的串行通訊接口（SCI）資源，監(jiān)控系統(tǒng)工作站采用Visual Basic的MSComm控件，通訊符合IEC60870-5-101規(guī)約。該方案可實現(xiàn)基于DSP控制的多種電力電子裝置與上位機間的數(shù)據(jù)交換，模塊化的設(shè)計有效縮短了電力電子控制裝置的開發(fā)與研制周期，更便于電力電子裝置的實驗與維護。

1、通信系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

控制器采用TI公司最新推出的C2000系列DSP產(chǎn)品TMS320F28335。該DSP具有三個串行通信接口，每個串行通信接口SCI的接收器和發(fā)送器各具有1個16級深度的先入先出數(shù)據(jù)緩存器（FIFO），可減少空頭服務(wù)；具有各自獨立的使能位和中斷位，可以在全雙工通信中同時進行操作[2]。為了確保數(shù)據(jù)的完整性，SCI對接收到的數(shù)據(jù)進行間斷檢測、奇偶性校驗、超時和幀出錯的檢查。通過1個16位的波特率選擇寄存器，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤梢员痪幊虨?5535種不同的方式。串行通信接口的數(shù)據(jù)，無論是接收和發(fā)送都采用NRZ（非返回零）格式。NRZ數(shù)據(jù)格式包括：1個起始位、1～8個數(shù)據(jù)位、1個奇/偶校驗位或無奇/偶校驗位、1～2個停止位、1個用于區(qū)分數(shù)據(jù)和地址的額外位。

本文選用電平轉(zhuǎn)換器MAX3232芯片進行F28335與PC間TTL電平和RS-232電平的轉(zhuǎn)換。MAX3232簡單易用，單+3. 3V電源供電，僅需外接幾個電容即可完成從TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換，硬件接口電路如圖1所示。

圖1 TMS320F28335與MAX3232硬件接口電路

F 28335內(nèi)部有三路串行通信模塊SCIA、SCIB和SCIC，可根據(jù)實際工程需要進行配置。圖1中所示為僅選用一路SCIB模塊與PC進行串行通信的接口電路方案。

2、通信協(xié)議設(shè)計

考慮到基于DSP的電力電子控制裝置與其他設(shè)備通信的多種需要。報文采用電力系統(tǒng)行業(yè)常用的IEC60870-5-101[3]規(guī)約的幀格式。方案中通信速率設(shè)定為9600bps，無校驗位，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位。

101 規(guī)約中規(guī)定了2種幀格式，1種是可變幀格式，1種是固定幀格式?？勺儙袷娇梢杂脕韺崿F(xiàn)主站（上位機）與從站（電力電子裝置控制器）之間的數(shù)據(jù)傳輸。固定幀格式則可以用來實現(xiàn)主站與從站之間的查詢和確認。幀格式如表1、表2所示。

表1 可變幀格式

說明：

1）啟動字符：幀格式的特征碼68H代表可變幀格式，10H代表固定幀格式。

2）數(shù)據(jù)長度：包括控制域、地址域、用戶數(shù)據(jù)區(qū)的8位位組的個數(shù)，為二進制數(shù)。L=1字節(jié)（控制域）+1字節(jié)（控制域）+用戶數(shù)據(jù)個數(shù)×2字節(jié)。

3）控制域格式如表三所示。

主站到從站的功能碼為：

3 發(fā)送/確認幀，傳送數(shù)據(jù) FCV位1；

表3 控制域

4）鏈路地址域：地址域（A）的含義是當主站觸發(fā)一次傳輸服務(wù)時，主站向子站傳送的幀中表示報文所要送達的目的站址，即子站站址；當由子站向主站傳送幀時，表示該報文發(fā)送的源站址，即表示該子站站址。地址域的值為0至255，其中FFH=255為廣播站地址，即向所有站傳送報文。這里規(guī)定上位機（主站）地址為0x01，電力電子裝置控制器（從站地址）為0x02。

5）鏈路用戶數(shù)據(jù)：要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容。這里每個數(shù)據(jù)占2個字節(jié)。

6）幀校驗和：幀校驗和是控制域、地址域、用戶數(shù)據(jù)區(qū)8位位組的算術(shù)和。

7）結(jié)束字符：作為該幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

3、DSP程序設(shè)計

3.1 DSP SCI模塊初始化

初始化串行口，使幀格式滿足通信協(xié)議的要求，設(shè)置波特率為9600bps。打開串口接收終端，并使能串行口。串行口的初始化程序如下：

該段程序完成了復(fù)用I O口的設(shè)置，SCIB的初始化，使能SCI發(fā)送中斷并使SCI退出復(fù)位。

3.2 DSP通信程序設(shè)計

TMS320F28335串行通信的軟件設(shè)計和F2407、F2812一樣，可以采用查詢和中斷兩種不同的方式，其中查詢方式是在查詢到相應(yīng)標志成立時，執(zhí)行相應(yīng)的動作（如發(fā)送一個字節(jié)）。這種工作方式要在串行口和接口電路間交換數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制三種信息，致使DSP的利用率受到嚴重影響[4]。

方案中采用中斷方式。DSP啟動串口后，不再詢問其狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行主程序，直至串行口產(chǎn)生中斷，D S P響應(yīng)后，開始執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)。

下面僅以接收數(shù)據(jù)為例，說明DSP芯片SCI模塊如何工作。數(shù)據(jù)接收流程圖如圖2所示。

圖2 DSP數(shù)據(jù)接收流程圖

當SCI模塊接收數(shù)據(jù)后，首先判斷接收數(shù)據(jù)是否完整。隨后進行數(shù)據(jù)解析，解析時，先檢測數(shù)據(jù)幀中的地址信號，如果和自身的地址不匹配，則丟棄該幀；否則進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析。在函數(shù)實現(xiàn)中利用SWITCH多分支結(jié)構(gòu)，依據(jù)幀中的命令信號對幀進行相應(yīng)分析，完成串行通信的握手和數(shù)據(jù)的交互。當解析完成之后向上位機發(fā)出確認幀，返回主程序。

4、上位機程序設(shè)計

通常情況下，電力電子裝置需要1套完善的監(jiān)控平臺實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、指令發(fā)送和系統(tǒng)檢測等功能。而VB開發(fā)環(huán)境具有開發(fā)過程簡單，開發(fā)周期短，可用控件兼容性好等優(yōu)點，在監(jiān)控系統(tǒng)工作站這一領(lǐng)域具備較好的優(yōu)勢。MSComm是Microsoft提供的Windows下串行通信編程的一個ActiveX控件，其核心內(nèi)容是組件對象模型C O M，它以屬性和事件的形式提供對Windows通信驅(qū)動程序API函數(shù)的接口[5]。MSComm控件使用事件驅(qū)動方式來處理和解決各類通信軟件的開發(fā)設(shè)計，并提供了使用RS232進行數(shù)據(jù)通信的所有協(xié)議。VB為該控件提供了標準時間處理函數(shù)，并通過屬性和方法提供對串行通信的設(shè)置。其中主要屬性如下所示：

C o m m P o r t：設(shè)置并返回通信端口號；

Settings：以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位；

PortOpen：設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)，也可以打開和關(guān)閉端口；

Input：從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符；

Output：向傳輸緩沖區(qū)寫一個字符串；

Rthreshold：設(shè)定引發(fā)OnComm事件的字節(jié)數(shù)。在設(shè)計接收可預(yù)知變長數(shù)據(jù)串時，靈活使用此屬性將大大簡化程序設(shè)計難度。

4.1 上位機程序設(shè)計思想

上位機軟件可以用來對電力電子設(shè)備進行快速狀態(tài)設(shè)置及查詢，便于現(xiàn)場工程師進行快速調(diào)試及故障排除。

圖3 上位機軟件流程圖

本上位機軟件通過RS232接口與DSP控制器進行通信交互。上位機下發(fā)數(shù)據(jù)給DSP控制器時，DSP控制器采用中斷方式接收，DSP控制器回報數(shù)據(jù)給上位機時則采用查詢方式。參數(shù)的下發(fā)采用先查詢后下發(fā)的方式。查詢完成后，修改要調(diào)整的參數(shù)再下發(fā)所有參數(shù)。

上位機軟件流程圖如圖3所示。首先完成必要的初始化，如操作窗口重繪、各變量的初始值設(shè)置，以及通訊串口的初始化操作等；

進入主循環(huán)后根據(jù)初始化數(shù)據(jù)（默認值）顯示部分參數(shù)數(shù)據(jù)（必要定值），并自動查詢當前控制器數(shù)據(jù)。在查詢控制器數(shù)據(jù)結(jié)束之后，在主界面上對各參數(shù)進行顯示，此時，用戶可根據(jù)需要修改參數(shù)，并發(fā)送至控制器。再次查詢之后，可以根據(jù)界面顯示判斷參數(shù)是否修改完成。

4.2 上位機程序部分實現(xiàn)代碼

在上位機軟件代碼實現(xiàn)中，數(shù)據(jù)的發(fā)送由命令按鈕的C l i c k事件觸發(fā)，由M S C o m m的O u t p u t屬性來實現(xiàn)。在OnComm事件中從接收緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的接收是由MSComm的Input屬性來實現(xiàn)。這樣接收和發(fā)送由兩個事件分別觸發(fā)，從而保證了通信的實時性。MSComm的Rthreshold屬性用來設(shè)定引發(fā)O n C o m m事件的字節(jié)數(shù)。在設(shè)計接收可預(yù)知變長數(shù)據(jù)串時，程序員只需在發(fā)送查詢幀時，重新打開串口，并更改此屬性，即可靈活改變需要接受的數(shù)據(jù)串的長度。

通訊串口1設(shè)置源代碼：

4.3 上位機程序特點

通過使用V B控件，工程人員可以方便地根據(jù)不同任務(wù)在上位機上設(shè)計出美觀的界面和實用的功能。

在本軟件設(shè)計過程中，涉及界面操作及串口操作的函數(shù)全部進行模塊化封裝。在開發(fā)同類型的電力電子設(shè)備控制系統(tǒng)時，只需要修改數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)封裝函數(shù)，即可實現(xiàn)代碼復(fù)用。

5、結(jié)語

TMS320F28335是目前性能最好的DSP之一，除了具有高速運算能力之外，還具有豐富的外設(shè)。采用MAX3232芯片實現(xiàn)TMS320F28335與上位機的串行通信，實現(xiàn)簡單且性能可靠。該電路適用于近距離PC與DSP串行通信，通信范圍15米之內(nèi)。

本文給出了一種基于DSP的電力電子控制裝置與PC間的數(shù)據(jù)交換的設(shè)計方案，此方案通過DSP中的SCI模塊，實現(xiàn)了電力電子裝置與P C間的串行數(shù)據(jù)通信，完成了電力電子裝置開發(fā)調(diào)試過程中的定值參數(shù)傳遞與實驗數(shù)據(jù)上傳的功能。該方案已在包括DVR（動態(tài)電壓補償器），TSF（晶閘管投切濾波器）等多個電力電子項目中投入使用，效果明顯，可有效縮短電力電子裝置的開發(fā)與研制周期，降低電力電子裝置的實驗與維護成本。

[1] Texas Instrument. DSP Selection Guide. 2004.

[2] TMS320F28335Digital Signal Controllers (DSCs) Data Manual. Texas Instruments Incorporated, USA, 2007.

[3] IEC 60870-5-101. Companion standard for basic telecontrol tasks.

[4] 蘇奎峰等. TMS320X281X DSP原理及C程序開發(fā)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社.2008.

[5] 范逸之. Visual Basic與RS232串行通信控制[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社. 2002.

Application of the SCI Module of DSP Chip in Power Electronic Control Devices

TMS320F28335, a 32-bit floating-point DSP (digital signal processor) chip, is more widely used in power electronic control devices. This paper describe a serial data communications program which combines the SCI (serial communication interface) module of DSP and the MSComm control of Visual Basic could easily achieve the transmit data under the protocol of IEC60870-5-101in power electronic control devices. It can be used in data exchange between variety of DSP-based power electronic devices and the host computer. And the real environment test proved that this method is simple, effective and portable convenience, facilitate the development and debugging of DSP-based power electronic control devices, has strong practicability.

宗波（1981-），男，碩士，助理工程師。從事電力電子技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)的研究；

蔣曉春（1978-），女，碩士，工程師。從事電力電子與電能質(zhì)量研究；

王軒（1978-），男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)與電力電子技術(shù)的研究。