摘要：介紹了SCADA系統(tǒng)中交流采樣器的功能，提出了基于DSP技術(shù)和CAN總線的系統(tǒng)構(gòu)架，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，探討了一種基于消息的嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思想，給出了設(shè)計(jì)結(jié)論。
關(guān)鍵詞：SCADA系統(tǒng)DSP CAN總線交流采樣嵌入式系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

    SCADA(Supervisory Control and Data Acqmsifion)系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是一種以微型計(jì)算機(jī)為，綜合利用計(jì)算機(jī)、通信、控制等技術(shù)完成遙控、遙測、遙信、遙調(diào)(四遙)的控制系統(tǒng)。由于DSP技術(shù)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Ⅱ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(shè)計(jì)。該交流采樣器作為SCADA的功能模塊，具有如下功能特點(diǎn)：
    (1)計(jì)算功能。對電壓、電流、有功、無功、功率因素、頻率、相序等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
    (2)報(bào)警功能。當(dāng)發(fā)生越限、跳閘時(shí)報(bào)警。
    (3)錄波功能。錄波功能包括手動錄波(錄波正常)和故障錄渡。
    (4)CAN總線接口功能。采樣系統(tǒng)和上位機(jī)的應(yīng)用層通信協(xié)議選用DeficeNel協(xié)議。
    (5)人機(jī)接口功能。擴(kuò)展RS-232口與PC機(jī)連接，可以利用PC機(jī)的超級終端作采樣系統(tǒng)的顯示器，便于調(diào)試和監(jiān)測。

1 硬件設(shè)計(jì)
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(jī)的通信采用CAN總線。系統(tǒng)框圖如所示。

    (1)DSP選用TI公司的TMS320LF2407A，其主要特點(diǎn)[3-4]為：片內(nèi)32K字(16位字寬)的FLASH，不用外擴(kuò)程序存儲器，帶有一個(gè)CAN口，支持CAN2、0B協(xié)議規(guī)范。一個(gè)RS-232通信口，3．3V供電，二個(gè)8通道10位ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間500m(2MSPS)。
    (2)ADC選用MAXIM公司的MAXl25CEAX，14位并行轉(zhuǎn)換，A、B二組8通道，每組4通道同步轉(zhuǎn)換。
    (3)選用3．3V供電的MAX3232做RS232接口芯片，CAN收發(fā)器用82C25OT，5V和3．3的電平轉(zhuǎn)換器選用SN74ALVC164245。

1．2 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)
    在電力系統(tǒng)變電所，為實(shí)現(xiàn)對電壓電流的監(jiān)測，先將原邊的高電壓或大電流通過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(shè)備使用。在交流采樣中，要采樣的信號就是前的100V或5A信號，這時(shí)還需要引入第二級互感器，將100V或5A信號變換為DSP或NCU可以處理的小信號。一般將100V電壓信號或5A電流信號經(jīng)電壓或電流互感器變換為2mA左右的電流信號。是第二級的電壓互感器的信號調(diào)理電路，互感器的變比為100V，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(yùn)放接成跟隨器模式，起信號隔離緩沖作用。因?yàn)镸Axl25的輸入模擬電壓為-5V~+5V，VOUT的有效值為3．535V，所以要根據(jù)這個(gè)原則選取R503的阻值。為保護(hù)LM324。可以在運(yùn)放的輸入端并聯(lián)7V左右的雙向穩(wěn)壓管。
    中R503=1209Ω，輸入100V時(shí)，輸出VOUT=1209×O.002=2.418V。

1．3 電平轉(zhuǎn)移電路分析
    LF2407A的工作電壓為3．3V，A／D轉(zhuǎn)換器MAXl25的工作電壓為5V，不能直接接口，需要引入電平轉(zhuǎn)換電路，這里選取16位的SN74ALVCl64245做電平轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器左側(cè)B端是5V的邏輯電平，與MAXl25 A／D轉(zhuǎn)換器接口；右側(cè)A端是3．3V的邏輯電平，與LF2407A接口。具體電路見。

    (1)SN74ALVCl64245的輸出允許OE端接LF2407A的IS信號端，DSP以I／O日方式訪問MAXl25。當(dāng)DSP訪問MAXl25時(shí)，IS信號有效，ALVCl64245的輸出允許0E端有效，ALVCl64245工作；其他情況下，ALVCl64245的數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。
    (2)SN74ALVCl64245的1DIR、2DIR接LF2407A的19腳W/R，DSP寫時(shí)W/R=DIR-4245=1，ALVCl64245的數(shù)據(jù)從A到B；DSP讀時(shí)W／R=DIR-4245=O，ALVCl64245的數(shù)據(jù)從B到A；
    (3)SN74ALVCl64245的A端數(shù)據(jù)線接DSP的數(shù)據(jù)線，B端接MAxl25的數(shù)據(jù)線。

1．4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
    為實(shí)現(xiàn)高的交流采樣，本系統(tǒng)的ADC選用MAXIM公司的14位MAXl25CEAX。有關(guān)該芯片的資料參見文獻(xiàn)，為具體應(yīng)用電路。

    (1)CHlA~CH4A、CHIB～CH4B分別接PT/CT(電壓，電流互感器)調(diào)理電路的輸出電壓。DO～D13接電平轉(zhuǎn)移器件的5V數(shù)據(jù)線．經(jīng)電平轉(zhuǎn)移后接DSP的DO～D13。
    (2)DSP的IOPF6直接接MAX125的CONVST端，IOPF6端發(fā)一個(gè)正脈沖啟動A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，MAX125的INT端輸出低電平，通過5V-3V電平轉(zhuǎn)移電路接到DSP的IOPA2(XINTl)腳，程序查詢IOPA2(XINTl)是否為低電平，為低則讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。
    (3)DSP的IS腳直接接MAXl25的CS端，DSP將MAXl25視為一個(gè)I／O端口，用端口指令訪問。DSP的電平可以直接驅(qū)動MAXl25的控制端。
    下面是對MAXl25操作的DSP C語言實(shí)例。
    (1)寫命令到MAXl25
    outport(MAXl25，Ox03)；//input Mux A／Eour-Channel
    (2)發(fā)出啟動MAXl25進(jìn)行AID轉(zhuǎn)換的脈沖
    MAXl25CONV HIGH；//I0PF6=1
    MAXl25CONV_LOW；//需要大于30ns的負(fù)脈沖
    MAXl25CONV_HIGH；//上升沿啟動轉(zhuǎn)換
    (3)查詢IOPA2(XINT1)是否為低電平(轉(zhuǎn)換完成)
    while(*PADATDIR&0X0004)

    {KICKDOG；}

    (4)讀轉(zhuǎn)換結(jié)果

   
1．5 OAN總線接口電路設(shè)計(jì)
    LF2407A集成了CAN控制器，擴(kuò)展一片CAN收發(fā)器就構(gòu)成了CAN接口電路。收發(fā)器選用Philips公司的P82C250，具體電路如。

    P82C250是5V電源供電．與LF2407A連接要加電平轉(zhuǎn)移電路。R301、D301完成3．3V電平向5V電平轉(zhuǎn)移；R302、R303完成5V電平向3．3V電平轉(zhuǎn)移。
    其他如串口擴(kuò)展電路、SRAM擴(kuò)展電路、液晶擴(kuò)展電路等為通用電路，在此不做闡述。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)思想
    借鑒Windows編程中基于消息驅(qū)動的思想，在嵌入式軟件中引入基于消息的處理方法。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(chǎn)生的狀態(tài)信息(如報(bào)警、越限等)以及上位機(jī)命令。消息的接收采用中斷方式，確保消息可靠及時(shí)的接收；時(shí)間要求非常苛刻的消息，如電機(jī)保護(hù)，在中斷直接處理；其他消息在主程序中對消息進(jìn)行解析執(zhí)行。程序設(shè)計(jì)思想可以用表示。

    本系統(tǒng)通過CAN總線接收上位機(jī)的命令(接收消息)。CAN接收方式采用中斷方式，當(dāng)上位機(jī)下達(dá)命令時(shí)，該裝置通過中斷及時(shí)接收，實(shí)時(shí)任務(wù)直接在中斷程序中完成．滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求；非實(shí)時(shí)任務(wù)則將該命令存入消息(或命令)緩沖區(qū)，等待在主函數(shù)中查詢處理。

2．2 程序整體框圖
    整個(gè)程序由主函數(shù)、功能函數(shù)、CAN通信中斷函數(shù)、DSP的定時(shí)器T1的周期中斷(采樣中斷)函數(shù)構(gòu)成。
    DSP的CAN控制器接收中斷采用DSP的內(nèi)核中斷l(xiāng)；定時(shí)器Tl的周期中斷采用DSP的內(nèi)核中斷2，用來定期觸發(fā)MAXl25進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。關(guān)于LF2407A的中斷編程可參見文獻(xiàn)[l～2]。
    主函數(shù)main()的流程如所示。

    主函數(shù)先初始化系統(tǒng)，啟動實(shí)時(shí)采樣，實(shí)時(shí)采樣一直運(yùn)行并始終保持有多個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)，供故障錄被后觀察故障點(diǎn)前后幾個(gè)周期的波形，以便分析故障原因。然后進(jìn)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(diào)用相應(yīng)功能函數(shù)執(zhí)行命令，判斷是否到計(jì)算周期以確定是否調(diào)用計(jì)算函數(shù)，然后回到消息處理入口；若沒有消息等待處理，則判斷l(xiāng)OOms計(jì)算周期是否到(計(jì)算周期可以調(diào)整)。若到，則計(jì)算一遍電參數(shù)，判斷是否有越限情況。若有越限則通知上位機(jī)，然后返回到消息處理入口，重復(fù)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(yùn)行。