PLC在異步電機智能保護數據采集電路中的應用

況洋洋

摘 要：本文對PLC在異步電機智能保護數據采集電路中的應用進行分析，基于芯片TMS320LF2407A，對數據采集的采樣模塊、人機接口模塊、時鐘晶振模塊以及總線通信模塊等模塊進行了設計。

關鍵詞：TMS320LF2407A;采樣;人機接口;總線通信

1芯片TMS320LF2407A簡介

數字信號處理已經發展了20多年，最初僅在信號處理領域內應用。近年來，隨著半導體技術的發展，其高速運算能力使很多復雜的控制算法和功能得以實現，同時將實時處理能力和控制器的外設功能集于一身，在控制領域內也得到很好的應用。數字控制系統克服了模擬控制系統電路功能單一、控制精度不高的缺點，它抗干擾能力強，可靠性高，可實現復雜控制，增強了控制的靈活性。

2數據采集模塊

2.1模擬量的采樣

模擬量的采樣是通過電壓互感器和電流互感器采集三相電流、三相電壓和零序電流，并經過信號調理后由I/O接口送至DSP芯片內的A/D轉換電路再進行模數轉換，DSP芯片對轉換結果進行處理和計算，得到三相電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率以及功率因數，與整定值比較運算，判斷電機是否處于不正常的運行狀態，并執行相應的控制指令，實現對電動機的保護。

（1）電壓和電流調理電路

下面以三相四線制供電系統為例說明如何將電網電壓、電流經二次電壓互感器、電流互感器調理并抬高為0～3.3VAC之間的電壓信號的。

因為電網電壓、電流是交流信號，根據LF2407A內置ADC模塊的特點，在作A/D轉換時，希望被轉換的信號是單極性的，所以經過電壓互感器、電流互感器變換后的交流電壓還要被抬高，變到0～3.3V范圍內。

以A相電壓為例，電網A相電壓首先經一次互感器和二次互感器，變換后的電壓為雙極性交流電壓信號。再經過RC低通濾波，濾除高次諧波，并通過電壓跟隨器保持電壓。最后經過電平抬升電路和放大電路以及穩壓電路將雙極性交流電壓信號調理為0—3.3V的單極性電壓信號，正好滿足DSP的A/D轉換模塊要求的電壓轉換范圍：0～3.3V。

（2）頻率測量電路

由于采樣周期與電網中的頻率有關，而電網中的頻率又是變化的，為了實現采樣的整分割，必須跟蹤電網中的頻率信號。頻率的測量是通過采集兩個電壓周期信號上升沿之間的時間差來實現的。電壓波形經過零電壓比較器產生方波，送入TMS320LF2407的捕獲定時器引腳CAP1進行上升沿捕獲，采用定時/計數器1作為時間基準。

2.2人機接口模塊

（1）鍵盤設計

TMS320LF2407ADSP有多達40個通用、雙向的數字I/O引腳，其中大多數都是基本功能和一般I/O功能復用。將IOPF0至IOPF5六個端口設置為一般I/O口輸入方式，實現鍵盤輸入功能。為滿足實時性要求，本系統采用按鍵中斷方式完成人機交互功能。本電路設計的鍵盤共有6個鍵，分別用于選擇調節項、增減設定值、設置、確定、啟動、停止。當按鍵沒有被按下時，I/O口和XINT引腳一直為高電平狀態，當任一按鍵按下時，XINT1引腳的輸入出現低電平跳變（INT13設置為下降延觸發）觸發DSP外部中斷，CPU響應中斷后在中斷服務子程序中讀取鍵盤狀態，并執行相應的操作。

（2）液晶顯示器

本模塊選用LCM320240液晶顯示器。LCM320240是北京青云公司生產的320x240點陣LCD模塊。內含7602個簡體中文字型，支持4/8位6800/8080MPU接口，工作電源（3.3V）與DSP兼容，本設計中采用6800時序，8位數據并行方式。

LCM320240工作在兩種不同的顯示模式：

文字顯示模式：內建512KB的16x16中文顯示字型ROM，存儲7602個標準GB碼的簡體中文。每個簡體中文漢字由兩個8位代碼組成，對應關系參見LCM320240中文代碼表。通過將漢字所對應的兩個8位代碼寫入資料寄存器，就可以將對應漢字顯示在當前光標處，漢字大小為16x16。

繪圖顯示模式：它是以字元映射方式在DisplayRAM上填入圖形資料。當所要顯示的漢字大小不為16x16時，可以將LCD設置為繪圖模式，通過字模提取軟件得到所需大小的漢字字碼表，再在LCD上以繪圖方式顯示。

通過控制其指令寄存器[FD]實現LCD在這兩種不同模式之間切換。對LCM320240的操作實質上就是通過控制RS引腳對指令寄存器和資料寄存器進行相應的讀寫操作。

DSP經常會對讀寫周期較慢的輸入/輸出設備（如液晶顯示模塊、打印機、鍵盤等）進行訪問，通常用以下兩種方法來解決DSP與這些慢速設備之間的輸入/輸出時序匹配問題。

直接訪問：直接訪問方式是將DSP的讀寫信號線與慢速設備接口控制板引出的讀寫信號線直接相連，時序由DSP內部讀寫邏輯控制。由于慢速外設的讀寫周期相對DSP較慢，要使兩者的時序匹配，還必須進行一些時序方面的控制處理。一種處理方法是軟件編程等待狀態發生器，將外部總線周期擴展到數個機器周期。由于受硬件條件的限制，這種擴展通常也是有限的，TMS320C2000系列DSP最多只能擴展到7個機器周期。另一種處理方法是利用DSP的READY（外部設備準備就緒）引腳，通過硬件擴展實現外部狀態自動等待，從而使DSP與慢速設備之間的時序匹配。雖然可以將總線周期擴展到任意個機器周期，但是需要進行硬件擴展，增加了系統設計的復雜度。

間接訪問：用DSP的數字I/0間接控制慢速設備，通過軟件控制DSP的I/O口來實現與慢速設備的時序匹配。此種方式無需硬件擴展即可實現與任意時序慢速設備之間的時序匹配。

2.3時鐘晶振模塊

與一般微處理器不同，C240x系列DSP利用掛接在片內外設總線上的鎖相環時鐘模塊（PLL）合成系統需要的各種時鐘信號（CPU時鐘、系統時鐘、模擬時鐘和看門狗時鐘）。外部時鐘信號經PLL倍頻后合成系統時鐘頻率。外部時鐘信號由lOMHz晶振提供，通過系統控制和狀態寄存器（SCSR1）設置4倍頻因子后，2407ADSP以最大時鐘頻率（40MHZ）工作。通過檢查DSP時鐘輸出引腳（CLK0UT）的頻率，可以判斷DSP芯片是否已開始正常工作。PLL模塊使用外部濾波器回路來抑制信號抖動和電磁干擾。濾波器回路由PLL接在濾波器輸入引腳PLLF和PLLF2之間的電阻R1和電容Cl、C2組成。電容Cl、C2必須為無極性電容。

在不同的振蕩器頻率下，R1、Cl、C2的取值不同，常用的參數組合如表l所列。PLL模塊的電源引腳PLLVCCA分別通過磁珠和0.1μF的電容與數字電源引腳VDD和數字地引腳VSS連接，構成低通濾波電路，保證時鐘模塊的可靠供電。

2.4總線通信模塊

目前電力系統的分布式監控系統幾乎都是基于RS-485構建的網絡，采用半雙工的電氣協議，這種機制使得在構建復雜工業現場的實時監控網絡時存在不足，可靠性低，系統故障隔離能力差。

在本設計方案中采用了CAN總線技術。CAN總線型結構是一種適合工業現場自動控制的計算機局域網絡。它由物理層和數據鏈路層兩部分組成，而數據鏈路層又包括邏輯鏈路控制子層和介質訪問控制子層。CAN總線的應用范圍很廣，從高速的局域網絡到低價位的多路配線都可以使用CAN總線。

CAN總線技術具有獨特的機制，其主要有以下幾個優點：網絡節點不分主動主從;采用非破壞總線仲裁;支持競爭;傳輸距離遠;通信速度較高（最大1Mbit/s）;組網靈活;其報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾小，具有自己的協議等;所以現場總線CAN以其自身的優點有效支持分布式控制系統或成為實時控制的串行通信網絡。

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