劉帆，韓國棟，張智雄，吳鈁

(1.華中科技大學 自動化學院, 武漢 430074； 2.中核蘭州鈾濃縮有限公司, 蘭州 730065)

0 引 言

電力電子技術(shù)的普及，為我們帶來極大便利的同時，也使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量惡化，尤其對于電能需求大的工業(yè)現(xiàn)場，其非線性負載在運行期間會對電網(wǎng)注入諧波，引起周邊用戶供電質(zhì)量的惡化，甚至影響電網(wǎng)輸配電設(shè)備的穩(wěn)定運行。使用有源電力濾波器(APF)，可以有效地改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，APF供電系統(tǒng)運行時數(shù)據(jù)的實時采集與監(jiān)控，對于系統(tǒng)的安全可靠運行，有著非常重要的意義[1-2]。

文獻[3]和文獻[4]使用主控芯片TMS320C5416的SCI接口，通過RS-232通信方式與上位機直接進行數(shù)據(jù)交換，對于MAX3232來說，其最高的通信速率為120 kbps，即使?jié)M負荷運行，在滿足采樣精度的前提下，也無法完成從同一個時刻開始對電網(wǎng)側(cè)電壓電流等模擬采樣值的實時數(shù)據(jù)采集，并且其通信模式也制約了數(shù)據(jù)的長距離傳輸。文獻[5]采用STM32作為系統(tǒng)的監(jiān)控模塊，利用自身的AD模塊采集需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并通過4個串口進行傳輸，雖然它的外設(shè)豐富，可以支持無線、RS485等多種數(shù)據(jù)傳輸顯示方式，但是一方面其所獲得的模擬數(shù)據(jù)并非是參與控制的數(shù)據(jù)，采樣精度低，并且沒有與主控芯片交互，對于內(nèi)部的運行數(shù)據(jù)無法獲取，另一方面受限于串口通信速率，其不能獲取每一次采樣中斷中所得到的數(shù)據(jù)，即使利用外擴的SD卡存儲數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)保存量有限并且獲取數(shù)據(jù)操作繁瑣，不利于數(shù)據(jù)實時采集與監(jiān)控。

針對以上的問題，設(shè)計了一個基于LwIP的APF實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，通過ARM獲取來自主控芯片DSP的實時數(shù)據(jù)，然后利用ARM自身的網(wǎng)絡接口，與上位機進行數(shù)據(jù)交互，其最大速率可以達到100 M。本系統(tǒng)解決了數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求，在最大32 kHz控制頻率下，可以獲取每一個采樣中斷得到的12個模擬數(shù)據(jù)以及此時系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時，來自于上位機的各種控制參數(shù)可以由網(wǎng)口寫入到下位機中，便于實現(xiàn)在不同控制參數(shù)下測試APF系統(tǒng)的性能，并且系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)，可以在上位機中采集，通過對原始數(shù)據(jù)的分析，可以更加直觀地獲得系統(tǒng)的控制效果，利于初期設(shè)備調(diào)試時控制算法的優(yōu)化。另一方面由于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸距離不受限制，可以設(shè)置不同IP節(jié)點,實現(xiàn)多臺設(shè)備組網(wǎng)，方便應用于工業(yè)現(xiàn)場的遠程監(jiān)控[6-7]。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)的核心芯片為某公司的雙核DSP芯片TMS32F28377D，其主要參與系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)三相電壓、電流以及負載三相電流等模擬量的采集，故障信號輸入，IO信號輸入輸出，串口通信，PWM脈沖輸出等工作，是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。某公司的LPC4357作為系統(tǒng)的對外通訊模塊，其為Cortex-M4內(nèi)核的ARM芯片，擁有USART，SPI，SSP，CAN以及ENTHERNET等通信模塊，由于本系統(tǒng)是選取PC作為顯示終端，所以主要使用其SPI，SSP以及ENTHERNET接口，其余預留的通訊接口可作為日后功能擴展。ARM利用外部的以太網(wǎng)物理層芯片DP83848與上位機進行數(shù)據(jù)交互。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整個數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)運行流程為：板子上電后，存儲在ARM中的控制參數(shù)通過串口寫入到DSP中，在確定傳輸數(shù)據(jù)有效后，系統(tǒng)正常工作。首先通過電流霍爾、線性光耦以及電壓互感器(Potential Transformer,PT)等傳感器將三相電壓電流信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為幅值在一定范圍內(nèi)的電壓信號，再經(jīng)過各種調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換為最終進入到DSP的模擬信號和數(shù)字信號。其中差分的模擬信號作為DSP內(nèi)部16位精度的AD輸入，數(shù)字信號(故障信號)先輸入到CPLD中，然后通過SPI傳輸?shù)紻SP中。每次進入采樣中斷，DSP讀取AD模塊中已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成的12個16位精度的數(shù)字量，與獲得的故障及系統(tǒng)運行狀態(tài)信號組成一幀(17個16位數(shù)據(jù))，在適當時機由SPI接口(16 bit傳輸模式)傳輸?shù)紸RM中，ARM在接收完這幀數(shù)據(jù)后就將其傳輸?shù)缴衔粰C中，由上位機對數(shù)據(jù)進行相應的處理，并顯示相應的數(shù)據(jù)。

2 LwIP網(wǎng)口通訊協(xié)議簡介

LwIP是由瑞典計算機科學院(SICS)的Adam Dunkels開發(fā)的一種輕量級IP協(xié)議，它使用C語言編寫，通過減少對RAM的占用，使得其在保存TCP協(xié)議主要功能的情況下，可以移植到嵌入式系統(tǒng)中使用[8]。并且LwIP提供了多種常用的的協(xié)議，例如：IP,UCMP, TCP/IP, ARP, DHCP, HTTP服務器等，這些功能可以通過lwippopts.h中的宏定義來決定功能的啟用或者禁用[9]。同時，LwIP不僅能夠獨立運行，而且可以移植到嵌入式操作系統(tǒng)。正是由于LwIP的這些優(yōu)點，使得其在嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊中有廣泛的應用。

本系統(tǒng)采用LwIP作為LPC4357與上位機通信的協(xié)議，考慮到傳輸數(shù)據(jù)的特點，主要使用了TCP/IP與UDP協(xié)議。對于一些數(shù)據(jù)，比如上位機發(fā)出的控制指令和控制參數(shù)，它們只需要在某一個特定時刻寫入到下位機中，但是必須保證下位機接收到了數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)必須正確，這時使用TCP/IP協(xié)議，因為TCP是面向連接的通訊協(xié)議，當它發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)問題時，會要求重新發(fā)送，這樣就能保證數(shù)據(jù)安全準確地發(fā)送到目的地。而對于要以32 kHz頻率實時更新的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，由于實時性的要求采用UDP這種無需接收方確認的無連接通訊協(xié)議，可以滿足系統(tǒng)實時性的需求[10]。

采用TCP/IP傳輸數(shù)據(jù)，上位機作為客戶端，下位機(LPC4357)作為服務器，下位機處于監(jiān)聽狀態(tài)，當上位機發(fā)起連接請求時，下位機就與上位機建立好連接，此時就可以進行數(shù)據(jù)的交互。當接收到TCP/IP協(xié)議獲取實時數(shù)據(jù)的指令時，開始傳輸實時數(shù)據(jù)，此時采用UDP協(xié)議，上位機作為服務器，下位機作為客戶端，下位機以32 kHz的頻率向上位機的指定端口寫入數(shù)據(jù)幀。

3 采集監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為三部分：主控芯片DSP負責整個APF系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取與控制，同時組織相應數(shù)據(jù)傳輸給ARM或者接受來自ARM的數(shù)據(jù)，DSP控制整個采集系統(tǒng)的時序，只有當DSP數(shù)據(jù)更新才觸發(fā)ARM完成一次數(shù)據(jù)的傳輸；通訊芯片ARM負責協(xié)調(diào)組織來自DSP的數(shù)據(jù)并將其上傳到上位機中，并且DSP所需的控制參數(shù)也由其存儲，在系統(tǒng)上電后寫入；上位機采用C#編寫了一個數(shù)據(jù)存儲和顯示的應用程序，負責對來自ARM的數(shù)據(jù)進行分析處理，再根據(jù)需求顯示存儲數(shù)據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)采集底層軟件設(shè)計

如圖2、圖3所示，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要分為兩種：(1)開機階段儲存于ARM中的控制參數(shù)下發(fā)與上傳及正常運行時控制參數(shù)修改后寫入ARM的EEROM中；(2)正常運行時采樣中斷頻率下更新的實時數(shù)據(jù)由DSP經(jīng)ARM上傳到上位機中。

圖2 控制參數(shù)傳輸

圖3 實時數(shù)據(jù)傳輸

由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)更新量大，底層硬件電路要保證在盡可能短的時間內(nèi)完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新，所以對于底層的軟件設(shè)計要解決數(shù)據(jù)更新傳輸?shù)臅r序控制問題。圖4為實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的主要底層軟件程序流程圖，可以有效滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，實時性要求高的需求。

系統(tǒng)實際分為DSP和ARM中的底層軟件設(shè)計：

(1)APF中所有核心控制算法均由DSP實現(xiàn)，DSP計算任務艱巨，為了不影響APF系統(tǒng)的整體控制性能，對于實時數(shù)據(jù)的傳輸要做到在不過多占用系統(tǒng)主頻的情況下將數(shù)據(jù)組織發(fā)送給ARM。本系統(tǒng)采用時間分片的方式，由中斷程序的數(shù)據(jù)更新標志控制DSP主循環(huán)中實時數(shù)據(jù)的組織與發(fā)送。當更新標志置1時，執(zhí)行主循環(huán)中數(shù)據(jù)發(fā)送程序，將新的數(shù)據(jù)壓入到SPI的發(fā)送FIFO中，然后通知ARM數(shù)據(jù)已更新，由ARM產(chǎn)生時鐘來讀取數(shù)據(jù)，無需等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，當數(shù)據(jù)未更新時，則執(zhí)行主循環(huán)中的其它程序。需要注意的是，APF系統(tǒng)運行必須要設(shè)定控制參數(shù)，所以在系統(tǒng)上電的時候要從ARM中獲取當前運行的控制參數(shù)值，因此在沒有獲得參數(shù)之前，系統(tǒng)一直處于等待狀態(tài)。

圖4 主要功能程序流程圖

(2)ARM是整個采集監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負責數(shù)據(jù)調(diào)度。一方面ARM和上位機交互，根據(jù)上位機下發(fā)的不同指令一一予以回復，同時還要保證DSP數(shù)據(jù)更新信號到來時在盡可能短的時間內(nèi)響應，從DSP端讀取數(shù)據(jù)；另一方面，要保證在系統(tǒng)上電時，能準確地向DSP端寫入控制參數(shù)，使系統(tǒng)可以正常運行。為了滿足對DSP信號的及時響應，在每一個數(shù)據(jù)更新周期中，只檢查一次IP層數(shù)據(jù)包，查詢是否上位機有下發(fā)新指令，其余時間都在等待數(shù)據(jù)更新信號，這樣就可以在最短的時間內(nèi)讀取DSP的新數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)幀的丟失。

3.2 上位機數(shù)據(jù)采集監(jiān)控界面設(shè)計

上位機采用C#編寫監(jiān)控界面,主要負責下發(fā)指令和控制參數(shù)以及接收下位機上傳的實時數(shù)據(jù)。監(jiān)控界面分為連接調(diào)試、控制參數(shù)、數(shù)據(jù)采樣、系統(tǒng)狀態(tài)、波形查看5個界面。其中連接調(diào)試界面用于設(shè)置遠程服務器IP以及端口號，連接或者斷開服務器，同時可以顯示當前連接狀態(tài)與接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)；控制參數(shù)界面主要進行下位機控制參數(shù)的獲取和寫入新的參數(shù)值；數(shù)據(jù)采樣界面負責下達實時數(shù)據(jù)采樣指令，也可以停止數(shù)據(jù)上傳，使采集監(jiān)控系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，功率回路采樣的電壓與電流有效值在此頁面顯示；系統(tǒng)狀態(tài)界面用于顯示當前APF系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，能及時顯示并報警；波形查看界面負責所有波形的顯示任務，它可以在同一個坐標系下顯示同一時刻的一個或者多個波形，波形刷新頻率可以根據(jù)不同需求進行設(shè)置，也能停止數(shù)據(jù)刷新，查看波形狀態(tài)。對于每一個波形數(shù)據(jù)都有對應的按鈕可以保存某一時刻開始的系統(tǒng)實時采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保存在txt文檔中，便于利用分析軟件對系統(tǒng)的控制效果進行分析。

4 實驗結(jié)果

為了驗證基于LwIP的APF實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的正確性，通過設(shè)計的硬件電路，如圖5所示，驗證電網(wǎng)三相交流電壓輸入的情況下，控制參數(shù)的上傳與下發(fā)以及上位機實時數(shù)據(jù)顯示與保存等功能(數(shù)據(jù)僅為驗證系統(tǒng)功能)。

圖5 硬件電路實物圖

如圖6的控制參數(shù)界面，可以完成系統(tǒng)實際運行時的調(diào)試以及各次諧波的補償控制等需求。通過讀取參數(shù)按鈕可以獲取當前系統(tǒng)運行的控制參數(shù)，如需修改APF運行的控制參數(shù)，將參數(shù)填入相應的方框中，按確認修改按鈕，則新的控制參數(shù)寫入到ARM的EEROM中，在系統(tǒng)重新上電后通過SPI傳輸?shù)紻SP中，作為APF系統(tǒng)的運行參數(shù)。只有當這些控制參數(shù)準確下發(fā)到DSP中，系統(tǒng)才能正常運行，完成對應諧波的補償。

圖6 控制參數(shù)

圖7和圖 8為上位機單相線電壓與三相線電壓的顯示波形，通過本系統(tǒng)準確地顯示出了DSP采樣得到的電網(wǎng)輸入三相線電壓波形。

圖7 輸入單相電壓的顯示波形

圖8 輸入三相電壓的顯示波形

通過數(shù)據(jù)保存按鈕，獲取VSR_Vab一段時間的實時數(shù)據(jù)，利用Matlab對其中的3201數(shù)據(jù)進行波形分析得到圖9的5個完整的正弦周期。由于DSP是以32 kHz頻率對電網(wǎng)50 Hz的三相電壓進行模擬采樣，在輸入電壓的一個周期內(nèi)采樣640～641個點，則對于5個正弦周期有3 200～3 205個數(shù)據(jù)點。因此驗證了系統(tǒng)的實時性，滿足了實時數(shù)據(jù)上傳的需求。

圖9 Matlab導入數(shù)據(jù)波形

由于采用的是以太網(wǎng)通訊方式，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c穩(wěn)定性。系統(tǒng)經(jīng)過長時間不間斷的運行測試，底層硬件能穩(wěn)定工作，實時數(shù)據(jù)按照設(shè)定的時序，通過網(wǎng)絡接口準確地上傳到上位機中，不會影響到APF系統(tǒng)的正常運行。

5 結(jié)束語

闡述了基于LwIP的APF實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，本文設(shè)計了利用網(wǎng)口傳輸速率快的特點，結(jié)合DSP與ARM之間的SPI數(shù)據(jù)通信，通過一定的時序控制，實現(xiàn)了上位機獲取DSP在32 kHz中斷頻率下的12個實時采樣模擬數(shù)據(jù)以及此時系統(tǒng)運行狀態(tài)(3個16位數(shù)據(jù))，上位機單位時間內(nèi)所獲取的數(shù)據(jù)量為48萬個16位數(shù)據(jù)，解決了利用RS-232或者RS-485等串口通信數(shù)據(jù)傳輸有限的問題，實現(xiàn)了上位機與DSP的數(shù)據(jù)同步，達到APF系統(tǒng)實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集的功能。同時，可以通過DSP與ARM之間的通信接口從上位機下發(fā)數(shù)據(jù)到下位機中，實現(xiàn)APF的控制參數(shù)更新，便于滿足不同諧波補償比例的需求以及研發(fā)初期設(shè)備的調(diào)試。通過實驗驗證了該系統(tǒng)的實時性與可靠性。