基于有源濾波器的串口通信設計與實現

藺海艷 ，劉 海 ，王銀照

（1.山東大學威海分校，山東 威海 264209；2.山東濱州供電公司，山東 濱州 256610）

在工礦企業中，非線性電力負荷的大量增加使電網諧波污染日益加劇。而有源濾波器APF（Active Power Filter）能夠有效地濾除電網諧波，提高電能質量，已成為諧波補償的一種發展趨勢。隨著電網智能化的提高，僅僅完成諧波的濾除是不夠的，還需要將有源濾波器所處理監控的一些動態參數（如電壓、電流、諧波等）上傳給上位機，以實現電網數據的實時監測、分析和處理。串口通信是上位機與下位機數據交換常使用的方法之一，它具有數據傳輸可靠、連線少、成本低和抗干擾強等優點[1]。因此，在本監控系統中本文采用RS-232串行通信方式完成上下位機的數據交換。如果需要長距離傳輸，可以加Modem使用電話網或是直接使用無線通信網絡。

1 有源濾波器與上位機通信的硬件設計

有源濾波器設計采用并聯型拓撲結構，電網電流經電流互感器按比例轉換成低電流，經A/D轉換器采樣后讀入DSP控制模塊，DSP運用瞬時無功功率理論計算出補償電流的指令信號，再利用該信號和實際的補償電流設計滯環比較器，產生PWM信號控制主電路生成合適的補償電流回饋給電網，以消除電網諧波。

為了完成數據的實時傳輸，DSP控制模塊通過擴展異步通信芯片TL16C750實現系統的高速串行通信。TL16C750具有集成度高、使用方便及兼容性好等特點，可由軟件設定16 B或64 B的FIFO，波特率最高可達1 Mb/s，具有可編程的串行數據發送格式[2]。它的片內寄存器選擇信號線 A0～A2和數據線D0～D7直接與 DSP相連；片選信號、讀寫信號、接收準備好和發送準備好信號等控制信號通過CPLD邏輯電路與DSP相連，以便完成對TL16C750的控制。TL16C750接收上位機傳來的命令，并將下位機并行數據轉換成串行數據上傳給上位機。

由于RS-232端口的電氣特性規定邏輯1是-3 V～-15 V，邏輯 0是+3 V～+15 V，與 TTL電平不兼容。因此，本設計采用電平轉換芯片MAX3232，完成TTL電平到RS-232電平的轉換。然后將MAX3232的T1out和R1in接到PC的串口上。有源濾波器與上位機通信的硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 有源濾波器與上位機通信的硬件原理框圖

2 通信協議設計

通信協議是指通信雙方的一種約定，它規定了數據接收方和數據發送方需共同遵守的某種數據格式、同步方式、傳送速度、糾錯方式等，是串口通信的基礎[3]。本設計采用主從式、半雙工通信方式，波特率選擇9 600 b/s，1 bit偶校驗，8 bit數據位，1 bit停止位，并采用十六進制數據格式來表示指令代碼和數據，格式如下：

起始字節 地址碼 功能碼 參數代號 操作數 結束字節

指令代碼和數據都采用定長格式，起始字節為A5，結束字節為5A，沒有參數的字節用FF填充。其中，操作數為2 B，其他為 1 B。

地址碼為1 B，在多機通信中，每個下位機有唯一的地址碼，以響應與該地址相應的數據信息。由于本機還處于試驗調試階段，本文采用最簡單的單機通信，即只有一臺下位機，該下位機地址碼為01H。

功能碼包括查詢命令、讀命令和寫命令，每個功能碼是1 B，由上位機發送給下位機，告訴下位機執行何種動作。本通信中查詢命令、讀命令和寫命令功能碼分別為25H、26H和27H，分別告訴下位機執行查詢從機、讀數據和寫數據操作。

首先，上位機向下位機發送查詢從機命令，命令格式為：A5+地址碼+查詢命令（25H）+FF FF FF 5A。下位機接收到命令后，上傳特定數據給上位機，以完成上下位機的握手。

通信指令包括一條讀指令和一條寫指令。

讀指令格式為：A5+地址碼+讀命令 （26H）+FF FF FF 5A。

返回數據為電壓、電流、諧波電流、小數點位置。

寫指令格式為：A5+地址碼+寫命令 （27H）+參數代號+被寫入參數值+5A。

當上位機將讀指令發送給下位機時，下位機將采集的電壓、電流、諧波電流和小數點位置上傳給上位機。小數點位置用1 B表示，其他參數由2 B組成，低字節在前，高字節在后。

寫指令中的參數代號是指有源濾波器中需要修改的參數，如01H表示波特率，02H表示小數點位置。被寫入參數值用2 B表示，低字節在前，高字節在后。比如，寫指令為A5 01 27 01 80 25 5A，則表示要將下位機的波特率改為9 600 b/s。第一個01H表示從機地址，27H表示寫命令，第二個01H表示需要修改波特率，要修改成的數據是2580H，十進制為9 600。

3 串行通信軟件設計

串口通信軟件設計包括下位機的DSP串口編程和上位機的程序設計兩部分。下位機的串口編程主要由串口初始化和通信協議組成，它接收上位機傳來的指令，并根據指令作出相應處理。上位機軟件設計主要包括串口配置和后續數據處理，它向下位機發送命令，并將接收到的數據進行處理、運算和保存。

3.1 下位機串口軟件設計

下位機的串口編程首先要完成串口的初始化，也就是設置操作所需要的參數，如設定串行通信中字符的格式、波特率和工作方式等。在本系統中，異步通信芯片采用TL16C750，它內部有 11個寄存器，占用7個 I/O口地址。DSP工作在微處理器模式，選擇TL16C750端口地址為 4000H～4006H （A15=0，A14=1），并通過控制地址線A0、A1、A2和線路控制寄存器的除數寄存器選通位D7來選通不同寄存器，以便進行讀寫操作。

在異步串行通信中，一方的發送數據波特率一定要和對方的接收數據波特率相同[4]，本系統設置波特率為9 600 b/s，又因 TL16C750的晶振是 14.745 6 MHz，根據“發送波特率=輸入時鐘頻率÷除數寄存器內容÷16”可得波特率除數寄存器（低位地址是4000H，高位地址是4001H，選擇該地址時，線路控制寄存器的 D7=1）內容為96，轉化成十六進制是0060H。

線路控制寄存器地址為4003H，它既是可寫的也是可讀的，該寄存器中的內容規定了通信中一幀的格式。本系統選擇通信格式為8 bit數據位，1 bit停止位，1 bit偶校驗，因此線路控制寄存器的值為1B。

系統工作在中斷方式下，允許接收錯、發送寄存器空和接收數據就緒中斷，因此中斷允許寄存器（地址為4001H，選擇該地址時線路控制寄存器的 D7=0）的值為07H。

將TL16C750的接收準備好信號（RXRDY）和發送準備好信號（TXRDY）與 DSP系統的外部中斷 1（INT1）和中斷3（INT3）相連。當 DSP接到串口中斷時，先屏蔽掉系統的其他中斷請求，然后將RXREADY賦值為1，以便用來判斷DSP是否完成了此中斷響應。如果鍵盤沒有終止串口通信，則將存入緩沖存儲器組的數據上傳給上位機。串口通信的中斷子程序流程圖如圖2所示。

3.2 上位機串口通信軟件設計

上位機程序使用 Visual C++作為軟件開發環境。Visual C++在串口通信方面功能很強，不僅操作簡單、代碼執行速度快，而且界面設計比較好[5]。使用Visual C++進行串口開發有多種方法，如Windows API通信函數、MSComm ActiveX串行通信控件、Visual C++運行庫函數，第三方編寫通信類都可以實現串口編程。本設計采用MSComm ActiveX串行通信控件來編寫通信程序。

MSComm ActiveX串行通信控件是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件[6]。它提供了事件驅動方式和查詢方式兩種處理通信的方式。查詢方式是通過檢查CommEvent屬性值來查詢事件和錯誤，然后進行相應的處理；而事件驅動方式是在串口發生事件或錯誤時，產生OnComm事件進行相應的處理，它響應及時，可靠性高，因此本文選用事件驅動方式。

首先在VC中建立一個基于對話框的應用程序，在該MFC項目中插入MicrosoftCommunicationControl控件。在使用該控件前，先要對其進行初始化設置，主要包括選擇COM口以及設置輸入方式、波特率、數據位、檢驗位、停止位、發送緩沖區大小和接收緩沖區大小等。當然不要忘記打開串口，因為在32 bit Windows中，串口和其他通信設備都被作為文件進行處理，在使用前必須先將其打開。部分初始化程序如下：

初始化完成后，按照通信協議在查詢設備和開始采集按鈕所對應的函數 Oncheck（）和 Onstart（）中編寫發送命令的字符串。為了定時發送讀指令，在Onstart（）函數中添加計時器函數 SetTimer（），當采集結束時，一定要清除該計時器。函數如下：

當接收緩沖器中有數據時，將會觸發OnComm事件，因此要在MSComm控件相應的消息響應函數OnOnCommMscomm1（）中編寫數據處理程序。由于串口通信接收和發送數據類型只能是VARIANT，因此要將數據進行格式轉換。將接收到的數據轉化成CString類，處理后將其保存到與之相連接的SQL Server 2000數據庫的表中，以便在主界面中進行顯示和相應數據的處理。

4 串口調試

串口屬性設計完成后，運行主界面，單擊串口設置按鈕，進入串口通信界面，運行界面如圖3所示。

首先單擊串口參數設置按鈕，設置串口通信的波特率、檢驗位、數據位和停止位。波特率選擇9600b/s，1 bit偶校驗，8 bit數據位，1 bit停止位。設置完成后單擊設備查詢，上位機將會向下位機發送設備查詢命令，下位機收到查詢命令后，將返回相同的數據，如圖3中的a5 01 25 ff ff ff 5a，就是下位機返回給上位機的數據。上位機接收到該數據，說明上下位機完成握手，數據能在兩者之間進行實時傳送。

單擊開始采集按鈕，上位機定時向下位機發送讀指令，下位機接收到讀命令后，將相關數據上傳給上位機。為了更加清楚地查看數據的傳輸過程，本文在串口對話框中加一個編輯框，用來顯示下位機傳給上位機的數據，如圖3中的98 08 22 00 09 00 01就是下位機上傳的數據。其中，0898是電壓值，0022是電流值，0009是諧波電流值，01表示保留一位小數，因此轉換成十進制電壓是 220 V，電流是 3.4 A，諧波電流是 0.9 A。

當需要修改下位機相關參數時，將寫命令填寫到圖3最下邊的編輯框中，然后單擊寫命令按鈕，即會向下位機發送修改命令。

為了實現上位機對有源濾波器的監控，本文設計了有源濾波器與上位機的RS-232串口通信，并詳細介紹了串口通信的硬件電路、通信協議和軟件編程。下位機使用C和匯編語言混合編程，上位機使用Visual C++完成界面設計，并編寫MSComm通信控件。通過串口調試可知，該設計能夠完成上位機對有源濾波器的實時監控。

[1]曹衛彬.C/C++串口通信典型應用實例編程實踐[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]TL16C750 data sheet[DB/OL].[2011-12-16].http：//www.icpdf.com/partnoview.asp？id=733855_128973.

[3]王曉麗.基于串口通信的摩托車前照燈檢測[J].小型內燃機與摩托車，2009，38（2）：66-68.

[4]劉樂善，歐陽星明，劉學清.微型計算機接口技術及應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2000.

[5]龔建偉，熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐[M].北京：電子工業出版社，2008.

[6]王春曉，劉海.基于 VB和 MSComm的 APF監控系統設計[J].工業控制計算機，2010，23（12）：20-21.