基于DSP的光纖數據采集網(wǎng)絡(luò )的研制

1. 引言

中性束注入加速極電源是為國家大科學(xué)工程超導托克馬克聚變實(shí)驗裝置（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、強電磁干擾環(huán)境下，因此，必須對各電源模塊的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，以確保該電源系統的安全和穩定。通過(guò)對各種方案的比較，采用計算機RS232口和DSP(Digital Signal Processor，數字信號處理器)的RS232口通過(guò)光纖轉換器組建光纖網(wǎng)絡(luò )。整個(gè)系統具有結構簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，易擴充，抗干擾性強等優(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 )結構

2.1光纖網(wǎng)絡(luò )硬件

該光纖數據采集網(wǎng)絡(luò )采用RS232總線(xiàn)的單主多從結構，主站用PC機，從站用DSP，采用多模光纖連接，組建成總線(xiàn)型的光纖網(wǎng)。光纖轉換器是自己制作的1分2轉換器，把計算機的RS232口數據轉換成光信號。DSP采用TI公司的LF2407A。

該光纖網(wǎng)絡(luò )包括：主站計算機、單路光纖轉換器、1分8光纖轉換器和DSP組成。網(wǎng)絡(luò )拓撲結構見(jiàn)（圖2）。

圖2 網(wǎng)絡(luò )結構拓撲圖

DSP硬件系統結構包括：A/D轉換部分、SCI接口、I/O口等如圖3所示。DSP需要實(shí)現的功能有,對電源模塊8個(gè)開(kāi)關(guān)量狀態(tài)的監控;對電源模塊輸入端電壓的監測,以決定是否可以閉合IGBT;控制IGBT、CKJ的分合；與主站計算機進(jìn)行通訊。

圖3 DSP硬件系統結構

2.2光纖網(wǎng)絡(luò )軟件

主站采用LabVIEW編寫(xiě)的Windows系統的數據采集界面[2](圖4)，簡(jiǎn)單易用?？梢愿鶕枰O定不同的參數。從站采用TI公司針對TMS320C2XX開(kāi)發(fā)的一套集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CC（CODE COMPOSE）[3]。CC采用圖形接口，提供編輯指令、參數修改工具，能對TMS320C2000系列DSP進(jìn)行指令級的仿真和進(jìn)行可視化的實(shí)時(shí)數據分析，可大大提高開(kāi)發(fā)者的工作效率，縮短系統開(kāi)發(fā)周期。

DSP多處理器通訊有兩種方法：空閑線(xiàn)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(xiàn)模式與RS232通訊兼容，因此該光纖網(wǎng)絡(luò )采用空閑線(xiàn)通訊模式。

圖4 數據采集界面

主站通過(guò)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)送的數據都是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)數據位，一個(gè)奇偶校驗位（可選）、1或2個(gè)停止位。

從站接收到一幀數據時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷，并判斷是否與自己的虛擬地址一致。主站與從站的設定如下：從站虛擬地址從01到80，當從站接收到的數據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.模擬調試

用一臺PC機，2塊自己設計制作的DSP開(kāi)發(fā)板，1分2光纖轉換器組建了一個(gè)光纖網(wǎng)（圖6），對數據采集網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行模擬調試。測試儀器采用泰克公司的TDS 3032B示波器。用PC機COM1通訊口的3號引腳的第一個(gè)上升沿為觸發(fā)信號，觸發(fā)電平為5V。通訊時(shí)間測試過(guò)程如下：COM1通訊口3號引腳發(fā)送數據的第一個(gè)上升沿作為起始時(shí)間，到2號引腳接收到從站上傳數據的第一個(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)多次測試，通訊沒(méi)出現錯誤，一次通訊時(shí)間為560us（圖7），波動(dòng)在20us以?xún)?，數據的傳輸速度設定為115200bps。

圖6 光纖數據采集網(wǎng)絡(luò )硬件電路

（1為光纖，2為L(cháng)F2407A芯片，3為1分2光纖轉換器）

數據采集的測試過(guò)程如下：主站PC機給從站DSP發(fā)出一個(gè)地址76，各DSP經(jīng)過(guò)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(kāi)/關(guān)，熔絲的通/斷等）和端口電壓發(fā)送給主站計算機。主站接收到數據后，對所接收的數據進(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向主控計算機發(fā)出一個(gè)警告信號，提醒工作人員關(guān)斷模塊電源，同時(shí)把采集到的數據存儲到指定的文件夾。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)，則不存儲數據。通過(guò)多次測試分析，該光纖數據采集網(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）。在測試過(guò)程中沒(méi)有出現通訊故障，該光纖網(wǎng)絡(luò )滿(mǎn)足設計指標。

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采用單端信號傳輸，而它的連接電纜把它所連接的兩臺機器的地又連接在一起，因此，當兩個(gè)地線(xiàn)之間的地電位不一致時(shí)，就有共模干擾電壓產(chǎn)生。于是就造成了嚴重的干擾，甚至燒毀接口器件；隨著(zhù)頻率的增加，雙絞線(xiàn)線(xiàn)對的衰減迅速增高，并且雙絞線(xiàn)還有所謂的近端串擾，即在發(fā)送線(xiàn)對和接收線(xiàn)對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、不導電、沒(méi)有電感，且光纜中不存在串擾以及光信號相互不干擾的影響，也不會(huì )在線(xiàn)路“接頭處”感應耦合導致的安全問(wèn)題。

用一臺PC機，1塊LF2407開(kāi)發(fā)板，采用雙絞線(xiàn)通訊時(shí)，在COM1口2號引腳接收到的干擾信號（如圖7）。由于干擾信號太強，覆蓋了有效的傳輸信號，導致雙絞線(xiàn)無(wú)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，干擾信號對通訊沒(méi)有影響。因此，光纖是該環(huán)境下理想的通訊介質(zhì)。

圖7 干擾波形

5.結束語(yǔ)

本文的創(chuàng )新點(diǎn)是：SCI總線(xiàn)與光纖通訊介質(zhì)相結合。隨著(zhù)DSP功能的不斷完善，DSP正越來(lái)越多地應用于過(guò)程控制和監控領(lǐng)域。并且該網(wǎng)絡(luò )可以與工業(yè)以太網(wǎng)、現場(chǎng)總線(xiàn)等技術(shù)結合構成分布式控制系統以及現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，實(shí)現工業(yè)過(guò)程分散控制。采用本文所做的光纖轉換器成本較低，易于網(wǎng)絡(luò )的擴展。本文所述的光纖監控網(wǎng)絡(luò )可以應用于其它高電壓隔離、強電磁干擾環(huán)境中。

參考文獻：

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