基于DSP的光纖數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的研制

摘要：在高電壓、強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，采用光纖網(wǎng)絡(luò)是最理想的通訊手段。超導(dǎo)托克馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置的加速極電源系統(tǒng)，工作在高電壓、強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，為了保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，必須對(duì)電源模塊的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)過軟、硬件設(shè)計(jì)，并制作硬件電路，通過調(diào)試，給出了系統(tǒng)在傳輸速度為115200bps時(shí)的數(shù)據(jù)采集波，證實(shí)了該方法的可行性。

關(guān)鍵字： DSP  光纖  數(shù)據(jù)采集  網(wǎng)絡(luò)

1.    引言

中性束注入加速極電源是為國(guó)家大科學(xué)工程超導(dǎo)托克馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）研制的一套高壓大功率脈沖電源。此電源采用Pulse Step Modulation[1]技術(shù)，用80個(gè)相同的1100v/100A輸出的電源模塊串聯(lián)而成（圖1），其額定輸出為：80kv/80A，最大脈寬1000s。由于該電源置于高壓、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，因此，必須對(duì)各電源模塊的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保該電源系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。通過對(duì)各種方案的比較，采用計(jì)算機(jī)RS232口和DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器)的RS232口通過光纖轉(zhuǎn)換器組建光纖網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，易擴(kuò)充，抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

  圖1加速極電源框圖及電壓輸出波形

1.    光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1光纖網(wǎng)絡(luò)硬件

該光纖數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用RS232總線的單主多從結(jié)構(gòu)，主站用PC機(jī)，從站用DSP，采用多模光纖連接，組建成總線型的光纖網(wǎng)。光纖轉(zhuǎn)換器是自己制作的1分2轉(zhuǎn)換器，把計(jì)算機(jī)的RS232口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。DSP采用TI公司的LF2407A。

該光纖網(wǎng)絡(luò)包括：主站計(jì)算機(jī)、單路光纖轉(zhuǎn)換器、1分8光纖轉(zhuǎn)換器和DSP組成。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見（圖2）。

        圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

DSP硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：A/D轉(zhuǎn)換部分、SCI接口、I/O口等如圖3所示。DSP需要實(shí)現(xiàn)的功能有,對(duì)電源模塊8個(gè)開關(guān)量狀態(tài)的監(jiān)控;對(duì)電源模塊輸入端電壓的監(jiān)測(cè),以決定是否可以閉合IGBT;控制IGBT、CKJ的分合；與主站計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。

         圖3 DSP硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2光纖網(wǎng)絡(luò)軟件

主站采用LabVIEW編寫的Windows系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集界面[2](圖4)，簡(jiǎn)單易用。可以根據(jù)需要設(shè)定不同的參數(shù)。從站采用TI公司針對(duì)TMS320C2XX開發(fā)的一套集成開發(fā)環(huán)境CC（CODE COMPOSE）[3]。CC采用圖形接口，提供編輯指令、參數(shù)修改工具，能對(duì)TMS320C2000系列DSP進(jìn)行指令級(jí)的仿真和進(jìn)行可視化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，可大大提高開發(fā)者的工作效率，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

DSP多處理器通訊有兩種方法：空閑線模式和地址位模式[4]。由于地址位模式在高發(fā)送速度下，程序速度不足以避免在傳輸流中的一個(gè)10bit的空閑，且空閑線模式與RS232通訊兼容，因此該光纖網(wǎng)絡(luò)采用空閑線通訊模式。

圖4 數(shù)據(jù)采集界面

主站通過COM1口與從站通訊，用軟件中斷的方法接收從站上傳的信息。主站接收與發(fā)送的數(shù)據(jù)都是NRZ（非歸零）格式，NRZ的格式包括以下組成部分：一個(gè)起始位、1~8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位（可選）、1或2個(gè)停止位。

從站接收到一幀數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷，并判斷是否與自己的虛擬地址一致。主站與從站的設(shè)定如下：從站虛擬地址從01到80，當(dāng)從站接收到的數(shù)據(jù)與自己的地址一致時(shí)，發(fā)送信息給主站，否則處于等待接收狀態(tài)(圖5)，各從站之間不通訊，同一時(shí)刻只有一個(gè)從站發(fā)送信息給主站。

圖5程序流程圖

3.模擬調(diào)試

用一臺(tái)PC機(jī)，2塊自己設(shè)計(jì)制作的DSP開發(fā)板，1分2光纖轉(zhuǎn)換器組建了一個(gè)光纖網(wǎng)（圖6），對(duì)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬調(diào)試。測(cè)試儀器采用泰克公司的TDS 3032B示波器。用PC機(jī)COM1通訊口的3號(hào)引腳的第一個(gè)上升沿為觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)電平為5V。通訊時(shí)間測(cè)試過程如下：COM1通訊口3號(hào)引腳發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個(gè)上升沿作為起始時(shí)間，到2號(hào)引腳接收到從站上傳數(shù)據(jù)的第一個(gè)上升沿為止，這個(gè)時(shí)間即為主站與從站一次通訊的時(shí)間。經(jīng)多次測(cè)試，通訊沒出現(xiàn)錯(cuò)誤，一次通訊時(shí)間為560us（圖7），波動(dòng)在20us以內(nèi)，數(shù)據(jù)的傳輸速度設(shè)定為115200bps。

圖6 光纖數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)硬件電路

（1為光纖，2為L(zhǎng)F2407A芯片，3為1分2光纖轉(zhuǎn)換器）

數(shù)據(jù)采集的測(cè)試過程如下：主站PC機(jī)給從站DSP發(fā)出一個(gè)地址76，各DSP經(jīng)過判斷、等待，最后，虛擬地址是76的DSP把該電源模塊的工作狀態(tài)（包括IGBT的開/關(guān)，熔絲的通/斷等）和端口電壓發(fā)送給主站計(jì)算機(jī)。主站接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如果I/O接收到的該電源模塊的工作狀態(tài)為非正常狀態(tài)，則DSP向主控計(jì)算機(jī)發(fā)出一個(gè)警告信號(hào)，提醒工作人員關(guān)斷模塊電源，同時(shí)把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定的文件夾。如果I/O接受到的改電源模塊的工作狀態(tài)是正常狀態(tài)，則不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。通過多次測(cè)試分析，該光纖數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的主站與其中一個(gè)從站通訊的平均時(shí)間為42.3ms（從站發(fā)送31個(gè)字符）。在測(cè)試過程中沒有出現(xiàn)通訊故障，該光纖網(wǎng)絡(luò)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖7 通訊時(shí)間波形圖（1發(fā)送，4接收）

2.    抗干擾效果比較

RS232是微機(jī)之間最常用的串行通信接口，但RS232串行通信接口的抗干擾能力很差。這是由于RS232C采用單端信號(hào)傳輸，而它的連接電纜把它所連接的兩臺(tái)機(jī)器的地又連接在一起，因此，當(dāng)兩個(gè)地線之間的地電位不一致時(shí)，就有共模干擾電壓產(chǎn)生。于是就造成了嚴(yán)重的干擾，甚至燒毀接口器件；隨著頻率的增加，雙絞線線對(duì)的衰減迅速增高，并且雙絞線還有所謂的近端串?dāng)_，即在發(fā)送線對(duì)和接收線對(duì)之間存在電磁耦合干擾。如果采用光纖通信，就可以隔斷兩個(gè)地之間的聯(lián)系，從而極大地提高其抗干擾能力。并且光纖還具有不輻射能量、不導(dǎo)電、沒有電感，且光纜中不存在串?dāng)_以及光信號(hào)相互不干擾的影響，也不會(huì)在線路“接頭處”感應(yīng)耦合導(dǎo)致的安全問題。

用一臺(tái)PC機(jī)，1塊LF2407開發(fā)板，采用雙絞線通訊時(shí)，在COM1口2號(hào)引腳接收到的干擾信號(hào)（如圖8）。由于干擾信號(hào)太強(qiáng)，覆蓋了有效的傳輸信號(hào)，導(dǎo)致雙絞線無法在該環(huán)境下工作。采用光纖網(wǎng)在該環(huán)境下工作，抗干擾效果明顯，干擾信號(hào)對(duì)通訊沒有影響。因此，光纖是該環(huán)境下理想的通訊介質(zhì)。

      圖8 干擾波形

5.結(jié)束語

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：SCI總線與光纖通訊介質(zhì)相結(jié)合。隨著DSP功能的不斷完善，DSP正越來越多地應(yīng)用于過程控制和監(jiān)控領(lǐng)域。并且該網(wǎng)絡(luò)可以與工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)結(jié)合構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程分散控制。采用本文所做的光纖轉(zhuǎn)換器成本較低，易于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。本文所述的光纖監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于其它高電壓隔離、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中。

參考文獻(xiàn)：

[1]  U.E.Schwarz "Gigitized high power modulation" 14th Symposium on Fusion Technology, Avignon, 1986
[2]  張霞 宋仲康 基于LabVIEW的局域網(wǎng)雙機(jī)通信微計(jì)算機(jī)信息 2004年 第12期 49頁
[3]  羅朝霞 張高記 基于TMS320LF2407A DSP的MODBUS通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)  微計(jì)算機(jī)信息2005年第7期 138頁
[4]  [美] Texas Instruments Incorporated著，徐科軍，張興等編譯，《TMS320LF/LC24系列DSP的CPU與外設(shè)》[M]  清華大學(xué)出版社   2004   起217頁止221頁。