DSP芯片SCI模塊在電力電子控制裝置中的應用

宗波 蔣曉春 王軒 中國電力科學研究院 100192

Zong Bo Jiang Xiaochun Wang Xuan

China Electric Power Research Institute 100192，China

DSP芯片SCI模塊在電力電子控制裝置中的應用

宗波 蔣曉春 王軒 中國電力科學研究院 100192

Zong Bo Jiang Xiaochun Wang Xuan

China Electric Power Research Institute 100192，China

TMS320F28335是32位浮點DSP（數字信號處理器）芯片，在電力電子裝置中的應用日益廣泛。本文介紹了利用DSP芯片的SCI（串行通信接口）模塊與Visual Basic中的MSComm控件在電力電子控制裝置中實現符合IEC60870-5-101規范的串行數據通信方案。該方案可應用于多種基于DSP的電力電子控制裝置與上位機間的數據交換。在實際環境下運行表明該方案簡單有效、移植方便，便于系統的開發與調試，具有較強的實用性。

數字信號處理器；TMS320F28335；串行通信接口；IEC60870-5-101規范；MSComm控件

DSP；TMS320F28335；SCI；IEC60870-5-101Protocol；MSComm Control

引言

美國TI（Texas Instruments）公司的系列數字信號處理器（DSP）芯片采用多總線的哈佛結構、流水線結構的指令操作方式、專用的硬件乘法器和快速的DSP運算指令，具有處理速度快、接口通用、外設資源豐富、穩定性好、精度高的特點，適用于匯編或C/C++語言開發，在數字信號處理、通信和工業自動化等領域得到了廣泛應用[1]。在大功率電力電子應用領域，設備往往要求具有較好的實時性、較高的可靠性以及維護的便利性，這些都為基于DSP的控制器創造了更廣闊的應用空間。控制器內部一般具有復雜的通訊網絡，而電力電子裝置控制系統與監控系統之間多采用串行數據交互的通訊方式，需要一種通用、簡單、可靠、移植性好的串行通信方案。

本文給出的串行數據通信方案中，控制器采用DSP芯片的串行通訊接口（SCI）資源，監控系統工作站采用Visual Basic的MSComm控件，通訊符合IEC60870-5-101規約。該方案可實現基于DSP控制的多種電力電子裝置與上位機間的數據交換，模塊化的設計有效縮短了電力電子控制裝置的開發與研制周期，更便于電力電子裝置的實驗與維護。

1、通信系統的硬件結構

控制器采用TI公司最新推出的C2000系列DSP產品TMS320F28335。該DSP具有三個串行通信接口，每個串行通信接口SCI的接收器和發送器各具有1個16級深度的先入先出數據緩存器（FIFO），可減少空頭服務；具有各自獨立的使能位和中斷位，可以在全雙工通信中同時進行操作[2]。為了確保數據的完整性，SCI對接收到的數據進行間斷檢測、奇偶性校驗、超時和幀出錯的檢查。通過1個16位的波特率選擇寄存器，數據傳輸的速度可以被編程為65535種不同的方式。串行通信接口的數據，無論是接收和發送都采用NRZ（非返回零）格式。NRZ數據格式包括：1個起始位、1～8個數據位、1個奇/偶校驗位或無奇/偶校驗位、1～2個停止位、1個用于區分數據和地址的額外位。

本文選用電平轉換器MAX3232芯片進行F28335與PC間TTL電平和RS-232電平的轉換。MAX3232簡單易用，單+3. 3V電源供電，僅需外接幾個電容即可完成從TTL電平到RS232電平的轉換，硬件接口電路如圖1所示。

圖1 TMS320F28335與MAX3232硬件接口電路

F 28335內部有三路串行通信模塊SCIA、SCIB和SCIC，可根據實際工程需要進行配置。圖1中所示為僅選用一路SCIB模塊與PC進行串行通信的接口電路方案。

2、通信協議設計

考慮到基于DSP的電力電子控制裝置與其他設備通信的多種需要。報文采用電力系統行業常用的IEC60870-5-101[3]規約的幀格式。方案中通信速率設定為9600bps，無校驗位，數據位8位，停止位1位。

101 規約中規定了2種幀格式，1種是可變幀格式，1種是固定幀格式。可變幀格式可以用來實現主站（上位機）與從站（電力電子裝置控制器）之間的數據傳輸。固定幀格式則可以用來實現主站與從站之間的查詢和確認。幀格式如表1、表2所示。

表1 可變幀格式

說明：

1）啟動字符：幀格式的特征碼68H代表可變幀格式，10H代表固定幀格式。

2）數據長度：包括控制域、地址域、用戶數據區的8位位組的個數，為二進制數。L=1字節（控制域）+1字節（控制域）+用戶數據個數×2字節。

3）控制域格式如表三所示。

主站到從站的功能碼為：

3 發送/確認幀，傳送數據 FCV位1；

表3 控制域

4）鏈路地址域：地址域（A）的含義是當主站觸發一次傳輸服務時，主站向子站傳送的幀中表示報文所要送達的目的站址，即子站站址；當由子站向主站傳送幀時，表示該報文發送的源站址，即表示該子站站址。地址域的值為0至255，其中FFH=255為廣播站地址，即向所有站傳送報文。這里規定上位機（主站）地址為0x01，電力電子裝置控制器（從站地址）為0x02。

5）鏈路用戶數據：要傳輸的數據內容。這里每個數據占2個字節。

6）幀校驗和：幀校驗和是控制域、地址域、用戶數據區8位位組的算術和。

7）結束字符：作為該幀數據的結束。

3、DSP程序設計

3.1 DSP SCI模塊初始化

初始化串行口，使幀格式滿足通信協議的要求，設置波特率為9600bps。打開串口接收終端，并使能串行口。串行口的初始化程序如下：

該段程序完成了復用I O口的設置，SCIB的初始化，使能SCI發送中斷并使SCI退出復位。

3.2 DSP通信程序設計

TMS320F28335串行通信的軟件設計和F2407、F2812一樣，可以采用查詢和中斷兩種不同的方式，其中查詢方式是在查詢到相應標志成立時，執行相應的動作（如發送一個字節）。這種工作方式要在串行口和接口電路間交換數據、狀態和控制三種信息，致使DSP的利用率受到嚴重影響[4]。

方案中采用中斷方式。DSP啟動串口后，不再詢問其狀態，繼續執行主程序，直至串行口產生中斷，D S P響應后，開始執行相應的中斷服務。

下面僅以接收數據為例，說明DSP芯片SCI模塊如何工作。數據接收流程圖如圖2所示。

圖2 DSP數據接收流程圖

當SCI模塊接收數據后，首先判斷接收數據是否完整。隨后進行數據解析，解析時，先檢測數據幀中的地址信號，如果和自身的地址不匹配，則丟棄該幀；否則進行相應的數據解析。在函數實現中利用SWITCH多分支結構，依據幀中的命令信號對幀進行相應分析，完成串行通信的握手和數據的交互。當解析完成之后向上位機發出確認幀，返回主程序。

4、上位機程序設計

通常情況下，電力電子裝置需要1套完善的監控平臺實現參數設置、指令發送和系統檢測等功能。而VB開發環境具有開發過程簡單，開發周期短，可用控件兼容性好等優點，在監控系統工作站這一領域具備較好的優勢。MSComm是Microsoft提供的Windows下串行通信編程的一個ActiveX控件，其核心內容是組件對象模型C O M，它以屬性和事件的形式提供對Windows通信驅動程序API函數的接口[5]。MSComm控件使用事件驅動方式來處理和解決各類通信軟件的開發設計，并提供了使用RS232進行數據通信的所有協議。VB為該控件提供了標準時間處理函數，并通過屬性和方法提供對串行通信的設置。其中主要屬性如下所示：

C o m m P o r t：設置并返回通信端口號；

Settings：以字符串的形式設置并返回波特率、奇偶校驗、數據位、停止位；

PortOpen：設置并返回通信端口的狀態，也可以打開和關閉端口；

Input：從接收緩沖區返回和刪除字符；

Output：向傳輸緩沖區寫一個字符串；

Rthreshold：設定引發OnComm事件的字節數。在設計接收可預知變長數據串時，靈活使用此屬性將大大簡化程序設計難度。

4.1 上位機程序設計思想

上位機軟件可以用來對電力電子設備進行快速狀態設置及查詢，便于現場工程師進行快速調試及故障排除。

圖3 上位機軟件流程圖

本上位機軟件通過RS232接口與DSP控制器進行通信交互。上位機下發數據給DSP控制器時，DSP控制器采用中斷方式接收，DSP控制器回報數據給上位機時則采用查詢方式。參數的下發采用先查詢后下發的方式。查詢完成后，修改要調整的參數再下發所有參數。

上位機軟件流程圖如圖3所示。首先完成必要的初始化，如操作窗口重繪、各變量的初始值設置，以及通訊串口的初始化操作等；

進入主循環后根據初始化數據（默認值）顯示部分參數數據（必要定值），并自動查詢當前控制器數據。在查詢控制器數據結束之后，在主界面上對各參數進行顯示，此時，用戶可根據需要修改參數，并發送至控制器。再次查詢之后，可以根據界面顯示判斷參數是否修改完成。

4.2 上位機程序部分實現代碼

在上位機軟件代碼實現中，數據的發送由命令按鈕的C l i c k事件觸發，由M S C o m m的O u t p u t屬性來實現。在OnComm事件中從接收緩沖區取出數據，數據的接收是由MSComm的Input屬性來實現。這樣接收和發送由兩個事件分別觸發，從而保證了通信的實時性。MSComm的Rthreshold屬性用來設定引發O n C o m m事件的字節數。在設計接收可預知變長數據串時，程序員只需在發送查詢幀時，重新打開串口，并更改此屬性，即可靈活改變需要接受的數據串的長度。

通訊串口1設置源代碼：

4.3 上位機程序特點

通過使用V B控件，工程人員可以方便地根據不同任務在上位機上設計出美觀的界面和實用的功能。

在本軟件設計過程中，涉及界面操作及串口操作的函數全部進行模塊化封裝。在開發同類型的電力電子設備控制系統時，只需要修改數據解析和數據封裝函數，即可實現代碼復用。

5、結語

TMS320F28335是目前性能最好的DSP之一，除了具有高速運算能力之外，還具有豐富的外設。采用MAX3232芯片實現TMS320F28335與上位機的串行通信，實現簡單且性能可靠。該電路適用于近距離PC與DSP串行通信，通信范圍15米之內。

本文給出了一種基于DSP的電力電子控制裝置與PC間的數據交換的設計方案，此方案通過DSP中的SCI模塊，實現了電力電子裝置與P C間的串行數據通信，完成了電力電子裝置開發調試過程中的定值參數傳遞與實驗數據上傳的功能。該方案已在包括DVR（動態電壓補償器），TSF（晶閘管投切濾波器）等多個電力電子項目中投入使用，效果明顯，可有效縮短電力電子裝置的開發與研制周期，降低電力電子裝置的實驗與維護成本。

[1] Texas Instrument. DSP Selection Guide. 2004.

[2] TMS320F28335Digital Signal Controllers (DSCs) Data Manual. Texas Instruments Incorporated, USA, 2007.

[3] IEC 60870-5-101. Companion standard for basic telecontrol tasks.

[4] 蘇奎峰等. TMS320X281X DSP原理及C程序開發[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社.2008.

[5] 范逸之. Visual Basic與RS232串行通信控制[M]. 北京: 清華大學出版社. 2002.

Application of the SCI Module of DSP Chip in Power Electronic Control Devices

TMS320F28335, a 32-bit floating-point DSP (digital signal processor) chip, is more widely used in power electronic control devices. This paper describe a serial data communications program which combines the SCI (serial communication interface) module of DSP and the MSComm control of Visual Basic could easily achieve the transmit data under the protocol of IEC60870-5-101in power electronic control devices. It can be used in data exchange between variety of DSP-based power electronic devices and the host computer. And the real environment test proved that this method is simple, effective and portable convenience, facilitate the development and debugging of DSP-based power electronic control devices, has strong practicability.

宗波（1981-），男，碩士，助理工程師。從事電力電子技術、數字化控制技術的研究；

蔣曉春（1978-），女，碩士，工程師。從事電力電子與電能質量研究；

王軒（1978-），男，碩士，工程師，從事電力系統與電力電子技術的研究。