毛建偉，徐慶坤，王軍偉

(河北工業(yè)大學(xué) 電工廠，天津300130)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，勵(lì)磁控制系統(tǒng)中單片機(jī)技術(shù)已占主導(dǎo)地位，它不但結(jié)構(gòu)簡單、集成度高，而且運(yùn)行速度快、處理功能強(qiáng)，滿足了勵(lì)磁的設(shè)計(jì)需求。但在勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，其肩負(fù)著數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷和網(wǎng)絡(luò)通訊等眾多任務(wù)，占用了大量硬件資源，限制了勵(lì)磁設(shè)備的信號(hào)接口數(shù)量。

在電力系統(tǒng)中，勵(lì)磁設(shè)備與電站監(jiān)控系統(tǒng)之間的信號(hào)需求越來越多，勵(lì)磁設(shè)備面臨I/O信號(hào)和RS485通信接口不足的問題，如果重新開發(fā)設(shè)計(jì)勵(lì)磁控制單元，不僅工作時(shí)間無法滿足，而且浪費(fèi)了大量的人力物力，了提高了成本。文中介紹的智能端子是一種快速靈活擴(kuò)展勵(lì)磁信號(hào)接口的設(shè)備。智能端子不僅集成度高、硬件簡單，而且成本低、方便可靠，有利于勵(lì)磁設(shè)計(jì)工作。

1 系統(tǒng)方案

智能端子采用dsPIC30F6014A作為其核心處理器。dsPIC30F6014是一款高性能數(shù)字信號(hào)控制器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐能力和豐富的外圍設(shè)備，其強(qiáng)大的性能方便了智能端子的研發(fā)。

目前勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)化已普及，而基于安全性和穩(wěn)定性考慮，勵(lì)磁系統(tǒng)通信多采用CAN通信方式，因此智能端子采用CAN總線實(shí)現(xiàn)與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的實(shí)時(shí)通訊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展I/O的目的，并可通過顯示屏監(jiān)視和控制智能端子的狀態(tài)。智能端子外設(shè)16路開關(guān)量輸入信號(hào)回路和16路開關(guān)量輸出信號(hào)回路。其中開關(guān)量輸入回路作為勵(lì)磁控制信號(hào)的輸入端;而開關(guān)量輸出回路作為電站監(jiān)控勵(lì)磁設(shè)備狀態(tài)的信號(hào)回路。智能端子外設(shè)了一路RS－485串行通信接口，作為勵(lì)磁設(shè)備與上位機(jī)的通信接口，可以把勵(lì)磁設(shè)備的模擬量數(shù)據(jù)傳遞給電站監(jiān)控設(shè)備。智能端子的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 智能端子軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 dsPIC 30F6014A特點(diǎn)

作為控制核心dsPIC 30F6014A是美國微芯公司推出數(shù)字信號(hào)控制器，具有16位閃存單片機(jī)的高性能，并兼有數(shù)字信號(hào)處理器的計(jì)算能力和吞吐能力［1］以及外圍設(shè)備快速的中斷處理能力，而且融合了可管理高速計(jì)算活動(dòng)的數(shù)字信號(hào)處理器功能，是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳單芯片解決方案［2］。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.2 CAN網(wǎng)絡(luò)通信

dsPIC30F6014A芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)和CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)兼容的CAN總線模塊，支持CAN協(xié)議的CAN2.0A、CAN2.0B的主動(dòng)和被動(dòng)版本［3］。這些特點(diǎn)使得dsPIC適宜冗余CAN總線通訊系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

鑒于dsPIC30F6014A內(nèi)部已經(jīng)集成了CAN通信模塊，因此只設(shè)計(jì)了其接口驅(qū)動(dòng)電路。這里選用VP1050器件作為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，對CAN協(xié)議控制器提供差動(dòng)接收能力，對傳輸總線提供差動(dòng)發(fā)送能力。圖2中在VP1050與dsPIC之間接入光電隔離主要是出于安全考慮，以便提高系統(tǒng)的可靠性，這里選用高速光電隔離芯片6N137實(shí)現(xiàn)。

圖2 CAN總線接口電路

2.3 開關(guān)量電路

智能端子開關(guān)量輸入信號(hào)多為24 V，而主芯片dsPIC30F6014開關(guān)量引腳工作電壓為5 V，為實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)與主芯片dsPIC的連接，需要進(jìn)行信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換，即將24 V變換為5 V。為提高I/O信號(hào)的可靠性，外設(shè)回路采用高速光耦芯片PS2801。該芯片具有信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對輸入端無影響、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定、無觸點(diǎn)、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。電路如圖3所示。

開關(guān)量輸出信號(hào)主要是用來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管和繼電器，以顯示微機(jī)勵(lì)磁裝置的運(yùn)行狀態(tài)。開關(guān)量輸出信號(hào)其設(shè)計(jì)原理與開關(guān)量輸入回路相同，但由于PS2801的驅(qū)動(dòng)能力有限，不足以驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，因此在開關(guān)量輸出回路引入了三極管來增大驅(qū)動(dòng)能力。

圖3 開關(guān)量輸入回路

在主芯片上電復(fù)位時(shí)，由于信號(hào)不穩(wěn)定，容易誤動(dòng)作，采取在電路中增加兩組邏輯“非”門的措施，可以有效防止誤動(dòng)作。開關(guān)量輸出回路如圖4所示。

圖4 開關(guān)量輸出回路

2.4 RS485總線電路

RS485串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制訂并發(fā)布的，它是在RS－422基礎(chǔ)上制定的標(biāo)準(zhǔn)［4］，鑒于dsPIC30F6014A內(nèi)部已經(jīng)集成了RS－485通信模塊，因此這里只設(shè)計(jì)了其接口驅(qū)動(dòng)電路。RS485硬件電路采用半雙工兩線制。收發(fā)器采用SN65LBC184D芯片，它性能穩(wěn)定，具有抗電流沖擊能力，帶載能力強(qiáng)，而且擁有一些針對限流和開路等故障的保護(hù)措施，可以有效保證器件工作的可靠性。為提高抗干擾性，采用3片高速光耦6N137芯片使通訊芯片和主芯片的電源隔離，通訊更為可靠。為加強(qiáng)對接收信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，收發(fā)器信號(hào)在進(jìn)入光耦前先經(jīng)過DM7407M芯片，可以增強(qiáng)帶負(fù)載的能力。在485總線設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮總線匹配問題，即在總線兩端的差分端口A與B之間跨接120Ω匹配電阻，以減少由于不匹配而引起的射、吸收噪聲，抑制噪聲干擾［5］。如圖5所示。

圖5 RS485總線電路

2.5 軟件實(shí)現(xiàn)

智能端子軟件程序設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化程序、報(bào)文發(fā)送程序、報(bào)文接收程序以及定時(shí)器中斷程度等。在軟件設(shè)計(jì)中，主要的軟件設(shè)計(jì)思想有3個(gè)方面:(1)軟件必須滿足實(shí)時(shí)控制的需要。(2)軟件要充分發(fā)揮單片機(jī)dsPIC30F6014的指令精簡高效和硬件功能豐富的特點(diǎn)。(3)軟件要有靈活性、通用性、可靠性和移植性［6］。軟件流程圖如圖6所示。

在軟件流程圖中，系統(tǒng)初始化是整個(gè)軟件的基礎(chǔ)，而Timer定時(shí)中斷程序是軟件的主程序，其具體內(nèi)容如下:系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置，定時(shí)器設(shè)置和CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等;Timer定時(shí)器。定時(shí)器采用為5 ms定時(shí)中斷，實(shí)時(shí)查詢IO口狀態(tài)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后通過CAN發(fā)送通信發(fā)送到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，同時(shí)還將從CAN總線接收緩沖器讀取的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，通過I/O輸出口輸出。

圖6 程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

本實(shí)驗(yàn)中，通過CAN總線實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、人機(jī)界面與智能端子的連接。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將開關(guān)量數(shù)據(jù)傳遞給智能端子，并通過人機(jī)界面監(jiān)控智能端子I/O輸出接口所輸出的開關(guān)量信號(hào)。

調(diào)節(jié)器發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)具有固定的地址，在人機(jī)界面下的ITSetupDisp的窗口命令下，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)信號(hào)的地址任意設(shè)置智能端子各個(gè)I/O輸出信號(hào)，智能端子各個(gè)I/O輸出接口按照地址整定的對應(yīng)關(guān)系輸出對應(yīng)的開關(guān)量信號(hào)。圖7中“現(xiàn)場整定”欄下的數(shù)據(jù)就是開關(guān)量地址。

圖7 智能端子參數(shù)整定

智能端子通過CAN通信接收來自勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的數(shù)據(jù)，并按照參數(shù)整定的對應(yīng)關(guān)系從對應(yīng)的I/O信號(hào)輸出回路輸出，驅(qū)動(dòng)底層繼電器動(dòng)作。為檢測智能端子參數(shù)整定是否正確以及各個(gè)I/O接口的動(dòng)作狀態(tài)，可以在人機(jī)界面ITInputDisp的窗口命令下，查詢智能端子各個(gè)I/O輸出信號(hào)的狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 智能端子狀態(tài)指示燈

智能端子和電站監(jiān)控設(shè)備通過RS485通信接收試驗(yàn)數(shù)據(jù)的通信連接，勵(lì)磁設(shè)備將模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)。本實(shí)驗(yàn)中使用人機(jī)界面代替電站監(jiān)控設(shè)備，檢測智能端子RS485通信狀態(tài)。在人機(jī)界面下的RS485通信軟件窗口命令下，通過定時(shí)循環(huán)查詢方式向智能端子發(fā)送查詢指令，智能端子收到查詢指令后，向人機(jī)界面發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)將顯示在RS485通信軟件窗口內(nèi)，如圖9所示。

圖9 RS485通信顯示

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出的以dsPIC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器為核心的智能端子硬件電路的有效性以及相應(yīng)軟件編程的合理性，效果令人滿意。

4 結(jié)束語

采用當(dāng)前在工業(yè)控制中比較流行的dsPIC作為智能端子的控制核心，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路和軟件部分。智能端子滿足了勵(lì)磁設(shè)備與DCS等上位機(jī)之間的信號(hào)連接要求，提高了勵(lì)磁設(shè)備的冗余度、降低了設(shè)備成本、方便了勵(lì)磁設(shè)計(jì)人員的工作。目前，智能端子已應(yīng)用于多個(gè)電站項(xiàng)目中如:重慶鋼鐵、唐山遷鋼等勵(lì)磁項(xiàng)目的勵(lì)磁設(shè)備中，運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠。

［1］Microchip Technology Inc.dsPIC30F6011A/6012A/6013A/6014A data sheet high－performance 16－bit digital signal controllers［M］.USA AZ:Microchip Technology Inc，2008.

［2］ 胡薔.dsPIC數(shù)字信號(hào)處理控制器及其應(yīng)用［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2005(2):126－129.

［3］Robert Bosch GmbH.CAN specification version 2.0［M］.Berlin:Robert Bosch GmbH，1991.

［4］ 許燕萍，楊代華.RS485串行總線可靠性的研究［J］.電子科技，2009(2):8－10

［5］ 王麗萍，劉永強(qiáng).電氣裝置中485電路及其可靠性設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009(2):274－276.

［6］WIDROW B，WALACH E.自適應(yīng)逆控制［M］.劉樹棠，韓崇昭，譯.西安:西安交通大學(xué)出版社，2000.