基于DSP的光纤数据采集网络的研制

1.    引言

    中性束注入加速极电源是为国家大科学工程超导托克马克聚变实验装置（EAST）研制的一套高压大功率脉冲电源。此电源采用Pulse Step Modulation[1]技术，用80个相同的1100v/100A输出的电源模块串联而成（图1），其额定输出为：80kv/80A，最大脉宽1000s。由于该电源置于高压、强电磁干扰环境下，因此，必须对各电源模块的状态进行实时监控，以确保该电源系统的安全和稳定。通过对各种方案的比较，采用计算机RS232口和DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)的RS232口通过光纤转换器组建光纤网络。整个系统具有结构简单，性价比高，易扩充，抗干扰性强等优点。

  图1加速极电源框图及电压输出波形

1.    光纤网络结构

2.1光纤网络硬件

    该光纤数据采集网络采用RS232总线的单主多从结构，主站用PC机，从站用DSP，采用多模光纤连接，组建成总线型的光纤网。光纤转换器是自己制作的1分2转换器，把计算机的RS232口数据转换成光信号。DSP采用TI公司的LF2407A。

    该光纤网络包括：主站计算机、单路光纤转换器、1分8光纤转换器和DSP组成。网络拓扑结构见（图2）。

        图2 网络结构拓扑图

    DSP硬件系统结构包括：A/D转换部分、SCI接口、I/O口等如图3所示。DSP需要实现的功能有,对电源模块8个开关量状态的监控;对电源模块输入端电压的监测,以决定是否可以闭合IGBT;控制IGBT、CKJ的分合；与主站计算机进行通讯。

         图3 DSP硬件系统结构

2.2光纤网络软件

    主站采用LabVIEW编写的Windows系统的数据采集界面[2](图4)，简单易用。可以根据需要设定不同的参数。从站采用TI公司针对TMS320C2XX开发的一套集成开发环境CC（CODE COMPOSE）[3]。CC采用图形接口，提供编辑指令、参数修改工具，能对TMS320C2000系列DSP进行指令级的仿真和进行可视化的实时数据分析，可大大提高开发者的工作效率，缩短系统开发周期。

    DSP多处理器通讯有两种方法：空闲线模式和地址位模式[4]。由于地址位模式在高发送速度下，程序速度不足以避免在传输流中的一个10bit的空闲，且空闲线模式与RS232通讯兼容，因此该光纤网络采用空闲线通讯模式。

图4 数据采集界面

    主站通过COM1口与从站通讯，用软件中断的方法接收从站上传的信息。主站接收与发送的数据都是NRZ（非归零）格式，NRZ的格式包括以下组成部分：一个起始位、1~8个数据位，一个奇偶校验位（可选）、1或2个停止位。

    从站接收到一帧数据时，产生一个中断，并判断是否与自己的虚拟地址一致。主站与从站的设定如下：从站虚拟地址从01到80，当从站接收到的数据与自己的地址一致时，发送信息给主站，否则处于等待接收状态(图5)，各从站之间不通讯，同一时刻只有一个从站发送信息给主站。

 图5程序流程图

3.模拟调试

    用一台PC机，2块自己设计制作的DSP开发板，1分2光纤转换器组建了一个光纤网（图6），对数据采集网络进行模拟调试。测试仪器采用泰克公司的TDS 3032B示波器。用PC机COM1通讯口的3号引脚的第一个上升沿为触发信号，触发电平为5V。通讯时间测试过程如下：COM1通讯口3号引脚发送数据的第一个上升沿作为起始时间，到2号引脚接收到从站上传数据的第一个上升沿为止，这个时间即为主站与从站一次通讯的时间。经多次测试，通讯没出现错误，一次通讯时间为560us（图7），波动在20us以内，数据的传输速度设定为115200bps。

图6 光纤数据采集网络硬件电路

（1为光纤，2为LF2407A芯片，3为1分2光纤转换器）

    数据采集的测试过程如下：主站PC机给从站DSP发出一个地址76，各DSP经过判断、等待，最后，虚拟地址是76的DSP把该电源模块的工作状态（包括IGBT的开/关，熔丝的通/断等）和端口电压发送给主站计算机。主站接收到数据后，对所接收的数据进行分析。如果I/O接收到的该电源模块的工作状态为非正常状态，则DSP向主控计算机发出一个警告信号，提醒工作人员关断模块电源，同时把采集到的数据存储到指定的文件夹。如果I/O接受到的改电源模块的工作状态是正常状态，则不存储数据。通过多次测试分析，该光纤数据采集网络的主站与其中一个从站通讯的平均时间为42.3ms（从站发送31个字符）。在测试过程中没有出现通讯故障，该光纤网络满足设计指标。

图7 通讯时间波形图（1发送，4接收）

2.    抗干扰效果比较

    RS232是微机之间最常用的串行通信接口，但RS232串行通信接口的抗干扰能力很差。这是由于RS232C采用单端信号传输，而它的连接电缆把它所连接的两台机器的地又连接在一起，因此，当两个地线之间的地电位不一致时，就有共模干扰电压产生。于是就造成了严重的干扰，甚至烧毁接口器件；随着频率的增加，双绞线线对的衰减迅速增高，并且双绞线还有所谓的近端串扰，即在发送线对和接收线对之间存在电磁耦合干扰。如果采用光纤通信，就可以隔断两个地之间的联系，从而极大地提高其抗干扰能力。并且光纤还具有不辐射能量、不导电、没有电感，且光缆中不存在串扰以及光信号相互不干扰的影响，也不会在线路“接头处”感应耦合导致的安全问题。

    用一台PC机，1块LF2407开发板，采用双绞线通讯时，在COM1口2号引脚接收到的干扰信号（如图7）。由于干扰信号太强，覆盖了有效的传输信号，导致双绞线无法在该环境下工作。采用光纤网在该环境下工作，抗干扰效果明显，干扰信号对通讯没有影响。因此，光纤是该环境下理想的通讯介质。

      图7 干扰波形

5.结束语

    本文的创新点是：SCI总线与光纤通讯介质相结合。随着DSP功能的不断完善，DSP正越来越多地应用于过程控制和监控领域。并且该网络可以与工业以太网、现场总线等技术结合构成分布式控制系统以及现场总线控制系统，实现工业过程分散控制。采用本文所做的光纤转换器成本较低，易于网络的扩展。本文所述的光纤监控网络可以应用于其它高电压隔离、强电磁干扰环境中。

参考文献：

[1]  U.E.Schwarz "Gigitized high power modulation" 14^th Symposium on Fusion Technology, Avignon, 1986
[2]  张霞 宋仲康 基于LabVIEW的局域网双机通信微计算机信息 2004年 第12期 49页
[3]  罗朝霞 张高记 基于TMS320LF2407A DSP的MODBUS通信协议的实现  微计算机信息2005年第7期 138页
[4]  [美] Texas Instruments Incorporated著，徐科军，张兴等编译，《TMS320LF/LC24系列DSP的CPU与外设》[M]  清华大学出版社   2004   起217页止221页。