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基于DSP的串行通信在變頻調速系統(tǒng)中的應用
摘要：介紹了基于專用DSP芯片ADMC328的異步電機調速系統(tǒng)中的主控部分與驅動部分之間的通信。詳細介紹了通訊的硬件接口電路、通訊協(xié)議以及軟件實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了利用DSP的網(wǎng)步帶口進行異步通訊的方法，并確保通訊準確可靠。實驗結果證明了其可靠性。
關鍵詞：數(shù)字信號處理器 串行異步通訊 交流調速系統(tǒng)
隨著電力電子技術的不斷發(fā)展和微處理技術尤其是數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)，基于數(shù)字控制的現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)可以應用復雜的控制策略，實現(xiàn)高速動態(tài)響應功能。在以DSP為控制核心的異步電機驅動系統(tǒng)中，要實現(xiàn)觀測驅動系統(tǒng)在運行中的數(shù)據(jù)變量，根據(jù)需要對程序進行控制，就需要應用DSP中的串口通訊接口與上位機——控制面板或者計算機系統(tǒng)進行通訊。本文針對一套基于DSP的異步電機變頻調速驅動系統(tǒng)，設計了DSP與上位機系統(tǒng)通訊的硬件電路，編寫了通訊的匯編程序，實現(xiàn)了DSP與上位機的異步通訊。在調試階段，為了方便調試，在WINDOWS環(huán)境下，在PC機上利用VB編寫了通訊控制程序，實現(xiàn)了DSP與上位PC機的通訊。通過多種條件下的運行調試，證明通訊可靠，運行穩(wěn)定。
1 變頻調速系統(tǒng)
近年來交流調速領域中最活躍、發(fā)展最快的是變頻調速技術，它是交流調速的基礎和主干內容。變頻調速對于提高電工作效率和工作質量以及節(jié)約能源等，都起著十分重要的作用。本文以AD公司的專用DSP芯片ADMC328為控制核心，實現(xiàn)異步電機的變頻調速。(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)
·調速系統(tǒng)的硬件電路分為四個主要模塊：電源模塊、控制器模塊、功率模塊以及通訊模塊。
電源模塊負責為其它模塊提供相應的電源。它的輸入是交流220V，由主控板或其它交流電源提供；輸出是三個直流電源，為逆變器提供直流300V和直流15V，為控制器部分提供直流5V。
控制器模塊的主要功能是實現(xiàn)空間矢量脈沖寬度調制（SVPWM），對直流300V母線進行電壓和電流檢測，與外界通訊。
功率模塊的實質是一個10A/600V的三相逆變器，它受控于控制器輸出的PWM信號，為異步電動機（IM）提供三相正弦電流。
通訊模塊是變頻驅動板與主控板以及UART設備通訊的通道。通訊模塊是保證上位機與下位機準確快速聯(lián)系的重要環(huán)節(jié)，是確保系統(tǒng)可靠運行的重要因素。
變頻調速系統(tǒng)的控制框圖如圖1所示。
2 ADMCF328及其串口簡介
ADMCF328芯片是美國AD（Analog Devices）公司生產(chǎn)的一種低價位、基于DSP的單片機控制器，適合于控制交流感應電機、永磁同步電機、無刷直流電機和開關磁阻電機。它包括一個20MIPS的定點DSP內核和一整套電機控制外設，適于開發(fā)快速有效的電機控制器[1]。
ADMCF328提供有共同步串行通訊口，支持多種串行通訊協(xié)議，并且可以在多處理器系統(tǒng)中直接互連各個處理器。每個串口包括五個引腳：
SCLK（串行時鐘），
RFS（接收幀同步），
TFS（發(fā)送幀同步），
DR（串行數(shù)據(jù)接收），
DT（串行數(shù)據(jù)發(fā)送）。
串口有獨立的發(fā)送和接收部分，并且每個部分都有一個寄存器能把數(shù)據(jù)字從處理器移進或移出，雙緩沖區(qū)技術為串口服務提供了附加時間。串口可以使用外部時鐘或在內部生成時鐘，頻率范圍寬，最小為0Hz，最大為6.144MHz。串口可以支持串行字長從3位到16位的數(shù)據(jù)傳輸。串口還可使用可以靈活控制的幀同步信號。接收和發(fā)送一個完整的數(shù)據(jù)字之后，可以產(chǎn)生一個中斷。
發(fā)送數(shù)據(jù)時，由TX寄存器實現(xiàn)TFS信號，表明傳送開始，寫入TX寄存器的每個值都會被傳送到內部發(fā)送移位寄存器中，然后從MSB開始發(fā)送各位，每一位都是在SCLK上升沿移出；接收數(shù)據(jù)時，接收到一個完整的字后，寫入RX寄存器，同時產(chǎn)生接收中斷。
3 串行通訊接口電路
串行通訊接口包括數(shù)據(jù)傳輸線DT和數(shù)據(jù)接收線DR。這樣，可以通過對串口控制寄存器（Sport Control Register）的值進行修改，來控制數(shù)據(jù)接收幀同步只對串行通信中的第一個字節(jié)有效。也就是說，將DR和RFS連在一起之后，在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，在數(shù)據(jù)傳輸開始的時刻，就是第一個字節(jié)的起始位到達的時刻，RFS會對其進行判斷，產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)接收中斷，從而達到異步通信的效果。
當需要把TTL（0V和+5V）電平轉換為UART電平（-10V和+10V）時，比如說要和PC串口（RS/232）進行通訊時，就要添加一些硬件電路。如圖2所示，使用了AD7306BR轉換電平，由圖中可以看出PC串口的3（TD）管腳即數(shù)據(jù)發(fā)送管理，經(jīng)過AD7306BR之后，電平由-10V～+10V轉換到0～+5V連接到DSP串口的數(shù)據(jù)接收（DR）管腳；同理DSP串口的數(shù)據(jù)發(fā)送（DT）管腳經(jīng)過AD7306BR完成電平轉換接到PC串口的2（RD）管腳即數(shù)據(jù)接收管腳上。在完成電平轉換之后，還要使用HCPL2630將DSP與電平轉換電路隔離。
4 通訊協(xié)議及軟件設計
4.1 通訊協(xié)議
通訊協(xié)議采用異步串行通訊方式，波特率為2400bps，數(shù)據(jù)包括8位數(shù)據(jù)位、1個奇校驗位、1個低電平起始位和1個高電平停止位；變頻驅動板與主控板的通訊由3個字節(jié)組成：同步碼0XFF、命令碼和命令參數(shù)；主控板為主設備，變頻驅動板為從設備，變頻驅動板接到命令后立即應答，50ms無應答則重發(fā)命令，1s無應答則出錯誤報警。
通訊數(shù)據(jù)格式如表1所示。
表1 通訊數(shù)據(jù)格式
數(shù)據(jù)格式 起始位 8位數(shù)據(jù)字 奇偶校驗 停止位 LSB 1 2 3 4 5 6 MSB 串口
數(shù)據(jù)格式 000 XXX YYY XXX YYY XXX YYY XXX YYY XXX 111
24位數(shù)據(jù)組成的字節(jié)
4.2 由于ADMCF328只有一個同步串口，為了實現(xiàn)通訊協(xié)議的異步串行通訊，本文采用了一種使用同步串口作為異步通訊接口的方法。將串口的同步時鐘頻率設定為通訊協(xié)議波特率（2400）的三倍（7200），這樣，命令字節(jié)中的第一位（bit）將讀被取三次，取中間一次作為正確結果，用以保證消除上升、下降沿對通訊命令讀取造成的誤差；為了保證異步通訊，硬件上要求將數(shù)據(jù)接收線DR和RFS接在一起，以便產(chǎn)生異步中斷。
由于是三倍頻，所以每一位（bit）需要發(fā)送三次（接收時亦按三個字節(jié)接收），每一個命令字節(jié)共包括11位：一個起始位、八個數(shù)據(jù)位、一個奇偶校驗位和一個停止位，所以共需33位，而串口傳輸數(shù)據(jù)的寄存器TX和RX只有32位，所以在接收數(shù)據(jù)的過程中，最后的停止位只接收2/3次，由于是三分頻，只讀取中間一部分的數(shù)據(jù)，所以不影響接收的正確性；在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，最后停止位只能發(fā)送2/3次，因此發(fā)送一個完整的命令字節(jié)后，補發(fā)一個0XFF來補齊停止位，以保證通訊完整，和上位機正常通訊。
發(fā)送和接收數(shù)據(jù)均采用中斷方式。由于串口接收數(shù)據(jù)采用的是雙緩沖的方式，由硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，因此不會受高級中斷的影響而使通訊失敗。只要在發(fā)數(shù)據(jù)的兩條指令前屏蔽其它中斷，一來可以保證通訊的準確性，二來又不會對PWM同步中斷造成很大影響，從而保證對電機的控制。
4.3 軟件流程
確定了通訊方式以后，即可根據(jù)通訊協(xié)議設計通訊程序，圖3是串行異步通訊程序的流程圖。
4.4 同步與異步串行通信比較
異步通信其它是依賴于同步性的，字符到達可以不同步，但每個字符的接收要通過起始位使之同步。事務上，異步和同步通信之間的基本差別只是程序不同，前者在每個字符中都需要同步位，而后者則經(jīng)常需要一個精的時間控制時，連續(xù)位方式的同步傳送要比異步傳送優(yōu)越。然而即使完全的同步化能夠實現(xiàn)，系統(tǒng)仍然在許多方面產(chǎn)生故障，因為它需要的是不可中斷的數(shù)據(jù)流，換句話說，傳送字符串數(shù)據(jù)的技術沒有辦法將一個字符與另一個字符分離。所以，即使環(huán)境理想，如果字符不能按照指定時間到達接收方的應用系統(tǒng)。純粹的同步是不能實現(xiàn)的[3]，所以可靠準確的數(shù)據(jù)傳輸需要使用異步通信的方法，并且由于DSP速度大大提高，增加了起始位、停止位和奇偶校驗位的異步通信方式并不對數(shù)據(jù)處理造成過多的影響。因此，本文工作中采用了串行異步通信的方式。
采用這種方法的特點和實際意義如下：
（1）利用同步串口實現(xiàn)了異步通信，充分利用了DSP的資源，使DSP可以對異步電機的調速控制和與上位機的通訊同時處理，節(jié)約了成本。
(2)由于這套異步電機調速系統(tǒng)主要應用于家電中，因此功率不大，線路不長，本方法采用的設定三倍頻率同步時鐘以及合適的波特率，保證了通訊抗干擾能力，使得運行可靠。
本文提出的利用ADMCF328芯片的同步串口進行串行異步通訊的方法，通過對ADMCF328芯片的同步串口進行軟件編程，實現(xiàn)異步通訊。由于采用了三分頻的方法，讀取數(shù)據(jù)準確，雙工串行異步通訊效果良好。在驅動板與主控板連接調試之前，利用VB編寫了通訊監(jiān)控程序，通過硬件電平轉換電路使DSP與PC機之間進行通訊，收發(fā)數(shù)據(jù)準確，通過良好，而且驅動板帶動異步電機工作，運行正常。將主控板與驅動板連接整機調試，通訊正常，電機運行正常。
總之，從軟件到硬件的實施方案，通過實驗以及應用，證明了這個方法的可行性和可靠性。
摘要：介紹了基于專用DSP芯片ADMC328的異步電機調速系統(tǒng)中的主控部分與驅動部分之間的通信。詳細介紹了通訊的硬件接口電路、通訊協(xié)議以及軟件實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了利用DSP的網(wǎng)步帶口進行異步通訊的方法，并確保通訊準確可靠。實驗結果證明了其可靠性。
關鍵詞：數(shù)字信號處理器 串行異步通訊 交流調速系統(tǒng)
隨著電力電子技術的不斷發(fā)展和微處理技術尤其是數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)，基于數(shù)字控制的現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)可以應用復雜的控制策略，實現(xiàn)高速動態(tài)響應功能。在以DSP為控制核心的異步電機驅動系統(tǒng)中，要實現(xiàn)觀測驅動系統(tǒng)在運行中的數(shù)據(jù)變量，根據(jù)需要對程序進行控制，就需要應用DSP中的串口通訊接口與上位機——控制面板或者計算機系統(tǒng)進行通訊。本文針對一套基于DSP的異步電機變頻調速驅動系統(tǒng)，設計了DSP與上位機系統(tǒng)通訊的硬件電路，編寫了通訊的匯編程序，實現(xiàn)了DSP與上位機的異步通訊。在調試階段，為了方便調試，在WINDOWS環(huán)境下，在PC機上利用VB編寫了通訊控制程序，實現(xiàn)了DSP與上位PC機的通訊。通過多種條件下的運行調試，證明通訊可靠，運行穩(wěn)定。
1 變頻調速系統(tǒng)
近年來交流調速領域中最活躍、發(fā)展最快的是變頻調速技術，它是交流調速的基礎和主干內容。變頻調速對于提高電工作效率和工作質量以及節(jié)約能源等，都起著十分重要的作用。本文以AD公司的專用DSP芯片ADMC328為控制核心，實現(xiàn)異步電機的變頻調速。(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)
·調速系統(tǒng)的硬件電路分為四個主要模塊：電源模塊、控制器模塊、功率模塊以及通訊模塊。
電源模塊負責為其它模塊提供相應的電源。它的輸入是交流220V，由主控板或其它交流電源提供；輸出是三個直流電源，為逆變器提供直流300V和直流15V，為控制器部分提供直流5V。
控制器模塊的主要功能是實現(xiàn)空間矢量脈沖寬度調制（SVPWM），對直流300V母線進行電壓和電流檢測，與外界通訊。
功率模塊的實質是一個10A/600V的三相逆變器，它受控于控制器輸出的PWM信號，為異步電動機（IM）提供三相正弦電流。
通訊模塊是變頻驅動板與主控板以及UART設備通訊的通道。通訊模塊是保證上位機與下位機準確快速聯(lián)系的重要環(huán)節(jié)，是確保系統(tǒng)可靠運行的重要因素。
變頻調速系統(tǒng)的控制框圖如圖1所示。
2 ADMCF328及其串口簡介
ADMCF328芯片是美國AD（Analog Devices）公司生產(chǎn)的一種低價位、基于DSP的單片機控制器，適合于控制交流感應電機、永磁同步電機、無刷直流電機和開關磁阻電機。它包括一個20MIPS的定點DSP內核和一整套電機控制外設，適于開發(fā)快速有效的電機控制器[1]。
ADMCF328提供有共同步串行通訊口，支持多種串行通訊協(xié)議，并且可以在多處理器系統(tǒng)中直接互連各個處理器。每個串口包括五個引腳：
SCLK（串行時鐘），
RFS（接收幀同步），
TFS（發(fā)送幀同步），
DR（串行數(shù)據(jù)接收），
DT（串行數(shù)據(jù)發(fā)送）。
串口有獨立的發(fā)送和接收部分，并且每個部分都有一個寄存器能把數(shù)據(jù)字從處理器移進或移出，雙緩沖區(qū)技術為串口服務提供了附加時間。串口可以使用外部時鐘或在內部生成時鐘，頻率范圍寬，最小為0Hz，最大為6.144MHz。串口可以支持串行字長從3位到16位的數(shù)據(jù)傳輸。串口還可使用可以靈活控制的幀同步信號。接收和發(fā)送一個完整的數(shù)據(jù)字之后，可以產(chǎn)生一個中斷。
發(fā)送數(shù)據(jù)時，由TX寄存器實現(xiàn)TFS信號，表明傳送開始，寫入TX寄存器的每個值都會被傳送到內部發(fā)送移位寄存器中，然后從MSB開始發(fā)送各位，每一位都是在SCLK上升沿移出；接收數(shù)據(jù)時，接收到一個完整的字后，寫入RX寄存器，同時產(chǎn)生接收中斷。
3 串行通訊接口電路
串行通訊接口包括數(shù)據(jù)傳輸線DT和數(shù)據(jù)接收線DR。這樣，可以通過對串口控制寄存器（Sport Control Register）的值進行修改，來控制數(shù)據(jù)接收幀同步只對串行通信中的第一個字節(jié)有效。也就是說，將DR和RFS連在一起之后，在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，在數(shù)據(jù)傳輸開始的時刻，就是第一個字節(jié)的起始位到達的時刻，RFS會對其進行判斷，產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)接收中斷，從而達到異步通信的效果。
當需要把TTL（0V和+5V）電平轉換為UART電平（-10V和+10V）時，比如說要和PC串口（RS/232）進行通訊時，就要添加一些硬件電路。如圖2所示，使用了AD7306BR轉換電平，由圖中可以看出PC串口的3（TD）管腳即數(shù)據(jù)發(fā)送管理，經(jīng)過AD7306BR之后，電平由-10V～+10V轉換到0～+5V連接到DSP串口的數(shù)據(jù)接收（DR）管腳；同理DSP串口的數(shù)據(jù)發(fā)送（DT）管腳經(jīng)過AD7306BR完成電平轉換接到PC串口的2（RD）管腳即數(shù)據(jù)接收管腳上。在完成電平轉換之后，還要使用HCPL2630將DSP與電平轉換電路隔離。
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通訊數(shù)據(jù)格式如表1所示。
表1 通訊數(shù)據(jù)格式
UART
數(shù)據(jù)格式
起始位
8位數(shù)據(jù)字
奇偶校驗
停止位
LSB
1
2
3
4
5
6
MSB
串口
數(shù)據(jù)格式
000
XXX
YYY
XXX
YYY
XXX
YYY
XXX
YYY
XXX
111
24位數(shù)據(jù)組成的字節(jié)
4.2 由于ADMCF328只有一個同步串口，為了實現(xiàn)通訊協(xié)議的異步串行通訊，本文采用了一種使用同步串口作為異步通訊接口的方法。將串口的同步時鐘頻率設定為通訊協(xié)議波特率（2400）的三倍（7200），這樣，命令字節(jié)中的第一位（bit）將讀被取三次，取中間一次作為正確結果，用以保證消除上升、下降沿對通訊命令讀取造成的誤差；為了保證異步通訊，硬件上要求將數(shù)據(jù)接收線DR和RFS接在一起，以便產(chǎn)生異步中斷。
由于是三倍頻，所以每一位（bit）需要發(fā)送三次（接收時亦按三個字節(jié)接收），每一個命令字節(jié)共包括11位：一個起始位、八個數(shù)據(jù)位、一個奇偶校驗位和一個停止位，所以共需33位，而串口傳輸數(shù)據(jù)的寄存器TX和RX只有32位，所以在接收數(shù)據(jù)的過程中，最后的停止位只接收2/3次，由于是三分頻，只讀取中間一部分的數(shù)據(jù)，所以不影響接收的正確性；在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，最后停止位只能發(fā)送2/3次，因此發(fā)送一個完整的命令字節(jié)后，補發(fā)一個0XFF來補齊停止位，以保證通訊完整，和上位機正常通訊。
發(fā)送和接收數(shù)據(jù)均采用中斷方式。由于串口接收數(shù)據(jù)采用的是雙緩沖的方式，由硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，因此不會受高級中斷的影響而使通訊失敗。只要在發(fā)數(shù)據(jù)的兩條指令前屏蔽其它中斷，一來可以保證通訊的準確性，二來又不會對PWM同步中斷造成很大影響，從而保證對電機的控制。
4.3 軟件流程
確定了通訊方式以后，即可根據(jù)通訊協(xié)議設計通訊程序，圖3是串行異步通訊程序的流程圖。
4.4 同步與異步串行通信比較
異步通信其它是依賴于同步性的，字符到達可以不同步，但每個字符的接收要通過起始位使之同步。事務上，異步和同步通信之間的基本差別只是程序不同，前者在每個字符中都需要同步位，而后者則經(jīng)常需要一個精的時間控制時，連續(xù)位方式的同步傳送要比異步傳送優(yōu)越。然而即使完全的同步化能夠實現(xiàn)，系統(tǒng)仍然在許多方面產(chǎn)生故障，因為它需要的是不可中斷的數(shù)據(jù)流，換句話說，傳送字符串數(shù)據(jù)的技術沒有辦法將一個字符與另一個字符分離。所以，即使環(huán)境理想，如果字符不能按照指定時間到達接收方的應用系統(tǒng)。純粹的同步是不能實現(xiàn)的[3]，所以可靠準確的數(shù)據(jù)傳輸需要使用異步通信的方法，并且由于DSP速度大大提高，增加了起始位、停止位和奇偶校驗位的異步通信方式并不對數(shù)據(jù)處理造成過多的影響。因此，本文工作中采用了串行異步通信的方式。
采用這種方法的特點和實際意義如下：
（1）利用同步串口實現(xiàn)了異步通信，充分利用了DSP的資源，使DSP可以對異步電機的調速控制和與上位機的通訊同時處理，節(jié)約了成本。
(2)由于這套異步電機調速系統(tǒng)主要應用于家電中，因此功率不大，線路不長，本方法采用的設定三倍頻率同步時鐘以及合適的波特率，保證了通訊抗干擾能力，使得運行可靠。
本文提出的利用ADMCF328芯片的同步串口進行串行異步通訊的方法，通過對ADMCF328芯片的同步串口進行軟件編程，實現(xiàn)異步通訊。由于采用了三分頻的方法，讀取數(shù)據(jù)準確，雙工串行異步通訊效果良好。在驅動板與主控板連接調試之前，利用VB編寫了通訊監(jiān)控程序，通過硬件電平轉換電路使DSP與PC機之間進行通訊，收發(fā)數(shù)據(jù)準確，通過良好，而且驅動板帶動異步電機工作，運行正常。將主控板與驅動板連接整機調試，通訊正常，電機運行正常。
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