劉帆，韓國(guó)棟，張智雄，吳鈁

(1.華中科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)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(lái)極大便利的同時(shí)，也使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量惡化，尤其對(duì)于電能需求大的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其非線性負(fù)載在運(yùn)行期間會(huì)對(duì)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(yùn)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(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，對(duì)于系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，有著非常重要的意義[1-2]。

文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]使用主控芯片TMS320C5416的SCI接口，通過(guò)RS-232通信方式與上位機(jī)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)于MAX3232來(lái)說(shuō)，其最高的通信速率為120 kbps，即使?jié)M負(fù)荷運(yùn)行，在滿足采樣精度的前提下，也無(wú)法完成從同一個(gè)時(shí)刻開(kāi)始對(duì)電網(wǎng)側(cè)電壓電流等模擬采樣值的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并且其通信模式也制約了數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離傳輸。文獻(xiàn)[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(guò)4個(gè)串口進(jìn)行傳輸，雖然它的外設(shè)豐富，可以支持無(wú)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(méi)有與主控芯片交互，對(duì)于內(nèi)部的運(yùn)行數(shù)據(jù)無(wú)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(kuò)的SD卡存儲(chǔ)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(shí)時(shí)采集與監(jiān)控。

針對(duì)以上的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LwIP的APF實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)ARM獲取來(lái)自主控芯片DSP的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后利用ARM自身的網(wǎng)絡(luò)接口，與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其最大速率可以達(dá)到100 M。本系統(tǒng)解決了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求，在最大32 kHz控制頻率下，可以獲取每一個(gè)采樣中斷得到的12個(gè)模擬數(shù)據(jù)以及此時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，來(lái)自于上位機(jī)的各種控制參數(shù)可以由網(wǎng)口寫(xiě)入到下位機(jī)中，便于實(shí)現(xiàn)在不同控制參數(shù)下測(cè)試APF系統(tǒng)的性能，并且系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以在上位機(jī)中采集，通過(guò)對(duì)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(shí)控制算法的優(yōu)化。另一方面由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸距離不受限制，可以設(shè)置不同IP節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)，方便應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)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(jì)

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(fù)載三相電流等模擬量的采集，故障信號(hào)輸入，IO信號(hào)輸入輸出，串口通信，PWM脈沖輸出等工作，是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。某公司的LPC4357作為系統(tǒng)的對(duì)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(yù)留的通訊接口可作為日后功能擴(kuò)展。ARM利用外部的以太網(wǎng)物理層芯片DP83848與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行流程為：板子上電后，存儲(chǔ)在ARM中的控制參數(shù)通過(guò)串口寫(xiě)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(guò)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(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為幅值在一定范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)各種調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換為最終進(jìn)入到DSP的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。其中差分的模擬信號(hào)作為DSP內(nèi)部16位精度的AD輸入，數(shù)字信號(hào)(故障信號(hào))先輸入到CPLD中，然后通過(guò)SPI傳輸?shù)紻SP中。每次進(jìn)入采樣中斷，DSP讀取AD模塊中已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成的12個(gè)16位精度的數(shù)字量，與獲得的故障及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)組成一幀(17個(gè)16位數(shù)據(jù))，在適當(dāng)時(shí)機(jī)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(jī)中，由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2 LwIP網(wǎng)口通訊協(xié)議簡(jiǎn)介

LwIP是由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院(SICS)的Adam Dunkels開(kāi)發(fā)的一種輕量級(jí)IP協(xié)議，它使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)減少對(duì)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(wù)器等，這些功能可以通過(guò)lwippopts.h中的宏定義來(lái)決定功能的啟用或者禁用[9]。同時(shí)，LwIP不僅能夠獨(dú)立運(yùn)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(diǎn)，使得其在嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊中有廣泛的應(yīng)用。

本系統(tǒng)采用LwIP作為L(zhǎng)PC4357與上位機(jī)通信的協(xié)議，考慮到傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，主要使用了TCP/IP與UDP協(xié)議。對(duì)于一些數(shù)據(jù)，比如上位機(jī)發(fā)出的控制指令和控制參數(shù)，它們只需要在某一個(gè)特定時(shí)刻寫(xiě)入到下位機(jī)中，但是必須保證下位機(jī)接收到了數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)必須正確，這時(shí)使用TCP/IP協(xié)議，因?yàn)門(mén)CP是面向連接的通訊協(xié)議，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，會(huì)要求重新發(fā)送，這樣就能保證數(shù)據(jù)安全準(zhǔn)確地發(fā)送到目的地。而對(duì)于要以32 kHz頻率實(shí)時(shí)更新的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，由于實(shí)時(shí)性的要求采用UDP這種無(wú)需接收方確認(rèn)的無(wú)連接通訊協(xié)議，可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的需求[10]。

采用TCP/IP傳輸數(shù)據(jù)，上位機(jī)作為客戶端，下位機(jī)(LPC4357)作為服務(wù)器，下位機(jī)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)上位機(jī)發(fā)起連接請(qǐng)求時(shí)，下位機(jī)就與上位機(jī)建立好連接，此時(shí)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。當(dāng)接收到TCP/IP協(xié)議獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的指令時(shí)，開(kāi)始傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，此時(shí)采用UDP協(xié)議，上位機(jī)作為服務(wù)器，下位機(jī)作為客戶端，下位機(jī)以32 kHz的頻率向上位機(jī)的指定端口寫(xiě)入數(shù)據(jù)幀。

3 采集監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為三部分：主控芯片DSP負(fù)責(zé)整個(gè)APF系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取與控制，同時(shí)組織相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸給ARM或者接受來(lái)自ARM的數(shù)據(jù)，DSP控制整個(gè)采集系統(tǒng)的時(shí)序，只有當(dāng)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(fù)責(zé)協(xié)調(diào)組織來(lái)自DSP的數(shù)據(jù)并將其上傳到上位機(jī)中，并且DSP所需的控制參數(shù)也由其存儲(chǔ)，在系統(tǒng)上電后寫(xiě)入；上位機(jī)采用C#編寫(xiě)了一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示的應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)自ARM的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再根據(jù)需求顯示存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)采集底層軟件設(shè)計(jì)

如圖2、圖3所示，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要分為兩種：(1)開(kāi)機(jī)階段儲(chǔ)存于ARM中的控制參數(shù)下發(fā)與上傳及正常運(yùn)行時(shí)控制參數(shù)修改后寫(xiě)入ARM的EEROM中；(2)正常運(yùn)行時(shí)采樣中斷頻率下更新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由DSP經(jīng)ARM上傳到上位機(jī)中。

圖2 控制參數(shù)傳輸

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸

由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單位時(shí)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(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新，所以對(duì)于底層的軟件設(shè)計(jì)要解決數(shù)據(jù)更新傳輸?shù)臅r(shí)序控制問(wèn)題。圖4為實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求高的需求。

系統(tǒng)實(shí)際分為DSP和ARM中的底層軟件設(shè)計(jì)：

(1)APF中所有核心控制算法均由DSP實(shí)現(xiàn)，DSP計(jì)算任務(wù)艱巨，為了不影響APF系統(tǒng)的整體控制性能，對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸要做到在不過(guò)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(shí)間分片的方式，由中斷程序的數(shù)據(jù)更新標(biāo)志控制DSP主循環(huán)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的組織與發(fā)送。當(dāng)更新標(biāo)志置1時(shí)，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(shí)鐘來(lái)讀取數(shù)據(jù)，無(wú)需等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，當(dāng)數(shù)據(jù)未更新時(shí)，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(yùn)行必須要設(shè)定控制參數(shù)，所以在系統(tǒng)上電的時(shí)候要從ARM中獲取當(dāng)前運(yùn)行的控制參數(shù)值，因此在沒(méi)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(gè)采集監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)調(diào)度。一方面ARM和上位機(jī)交互，根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的不同指令一一予以回復(fù)，同時(shí)還要保證DSP數(shù)據(jù)更新信號(hào)到來(lái)時(shí)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，從DSP端讀取數(shù)據(jù)；另一方面，要保證在系統(tǒng)上電時(shí)，能準(zhǔn)確地向DSP端寫(xiě)入控制參數(shù)，使系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。為了滿足對(duì)DSP信號(hào)的及時(shí)響應(yīng)，在每一個(gè)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(jī)有下發(fā)新指令，其余時(shí)間都在等待數(shù)據(jù)更新信號(hào)，這樣就可以在最短的時(shí)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(jī)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用C#編寫(xiě)監(jiān)控界面,主要負(fù)責(zé)下發(fā)指令和控制參數(shù)以及接收下位機(jī)上傳的實(shí)時(shí)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(gè)界面。其中連接調(diào)試界面用于設(shè)置遠(yuǎn)程服務(wù)器IP以及端口號(hào)，連接或者斷開(kāi)服務(wù)器，同時(shí)可以顯示當(dāng)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(jìn)行下位機(jī)控制參數(shù)的獲取和寫(xiě)入新的參數(shù)值；數(shù)據(jù)采樣界面負(fù)責(zé)下達(dá)實(shí)時(shí)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(jī)狀態(tài)，功率回路采樣的電壓與電流有效值在此頁(yè)面顯示；系統(tǒng)狀態(tài)界面用于顯示當(dāng)前APF系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)顯示并報(bào)警；波形查看界面負(fù)責(zé)所有波形的顯示任務(wù)，它可以在同一個(gè)坐標(biāo)系下顯示同一時(shí)刻的一個(gè)或者多個(gè)波形，波形刷新頻率可以根據(jù)不同需求進(jìn)行設(shè)置，也能停止數(shù)據(jù)刷新，查看波形狀態(tài)。對(duì)于每一個(gè)波形數(shù)據(jù)都有對(duì)應(yīng)的按鈕可以保存某一時(shí)刻開(kāi)始的系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(duì)系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證基于LwIP的APF實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的正確性，通過(guò)設(shè)計(jì)的硬件電路，如圖5所示，驗(yàn)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(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與保存等功能(數(shù)據(jù)僅為驗(yàn)證系統(tǒng)功能)。

圖5 硬件電路實(shí)物圖

如圖6的控制參數(shù)界面，可以完成系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的調(diào)試以及各次諧波的補(bǔ)償控制等需求。通過(guò)讀取參數(shù)按鈕可以獲取當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的控制參數(shù)，如需修改APF運(yùn)行的控制參數(shù)，將參數(shù)填入相應(yīng)的方框中，按確認(rèn)修改按鈕，則新的控制參數(shù)寫(xiě)入到ARM的EEROM中，在系統(tǒng)重新上電后通過(guò)SPI傳輸?shù)紻SP中，作為APF系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。只有當(dāng)這些控制參數(shù)準(zhǔn)確下發(fā)到DSP中，系統(tǒng)才能正常運(yùn)行，完成對(duì)應(yīng)諧波的補(bǔ)償。

圖6 控制參數(shù)

圖7和圖 8為上位機(jī)單相線電壓與三相線電壓的顯示波形，通過(guò)本系統(tǒng)準(zhǔn)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(guò)數(shù)據(jù)保存按鈕，獲取VSR_Vab一段時(shí)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用Matlab對(duì)其中的3201數(shù)據(jù)進(jìn)行波形分析得到圖9的5個(gè)完整的正弦周期。由于DSP是以32 kHz頻率對(duì)電網(wǎng)50 Hz的三相電壓進(jìn)行模擬采樣，在輸入電壓的一個(gè)周期內(nèi)采樣640～641個(gè)點(diǎn)，則對(duì)于5個(gè)正弦周期有3 200～3 205個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，滿足了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳的需求。

圖9 Matlab導(dǎo)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間不間斷的運(yùn)行測(cè)試，底層硬件能穩(wěn)定工作，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按照設(shè)定的時(shí)序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口準(zhǔn)確地上傳到上位機(jī)中，不會(huì)影響到APF系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

闡述了基于LwIP的APF實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了利用網(wǎng)口傳輸速率快的特點(diǎn)，結(jié)合DSP與ARM之間的SPI數(shù)據(jù)通信，通過(guò)一定的時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)獲取DSP在32 kHz中斷頻率下的12個(gè)實(shí)時(shí)采樣模擬數(shù)據(jù)以及此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)(3個(gè)16位數(shù)據(jù))，上位機(jī)單位時(shí)間內(nèi)所獲取的數(shù)據(jù)量為48萬(wàn)個(gè)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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與DSP的數(shù)據(jù)同步，達(dá)到APF系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集的功能。同時(shí)，可以通過(guò)DSP與ARM之間的通信接口從上位機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)到下位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)APF的控制參數(shù)更新，便于滿足不同諧波補(bǔ)償比例的需求以及研發(fā)初期設(shè)備的調(diào)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。