毕业设计（论文）-基于TMS320F28035的三相电压保护程序设计.doc

陕西理工学院毕业设计 毕业设计 题 目： 基于TMS320F28035的三相电压保护程序设计 学院 系： 物电学院 专业班级： 电信1201班 姓 名： 学 号： 指导教师： 基于TMS320F28035的三相电压保护程序设计（陕理工物理与电信工程学院电子信息科学与技术专业1201班，陕西汉中 723001）指导教师：摘要 本文主要研究基于TMS320F28035的三相电压保护程序设计，设计一套保护装置，用于对逆变电源的输出电压进行瞬时值、有效值、频率、相位监测。当逆变电源的输出电压异常时，根据保护设置的策略和参数输出保护信号。防止逆变电源的输出不受控制，输出电压出现异常，导致负载设备的不正常工作或损坏。关键词 频率；逆变电源；TMS320F28035；有效值Design of three phase voltage protection program based on TMS320F28035 LiNan（Grade12,Class1,Major Electronic Information Science and Technology,Physics Dept.,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,Shaanxi）Tutor: YangChuangHuaAbstract : The three-phase voltage protection program design based on TMS320F28035 is mainly studied in this paper, design a set of protection device, instantaneous value, effective value, frequency and phase monitoring for the output voltage of the inverter power supply. When the output voltage of inverter power supply is abnormal, according to the protection setting strategy and parameters of output signal protection. To prevent the output of the inverter power supply is not controlled, the output voltage is abnormal, resulting in abnormal work load or damaged equipment.Key words: Frequency; inverter power supply; TMS320F28035; effective value 目录引言11 课题研究背景和意义11.1 课题研究的背景 11.2 课题研究的意义12 系统设计12.1 方案设计12.2方案论证22.2.1 主控芯片的选择22.2.2 串口模块的选择22.2.3 调理模块的选择23 器件选型及简介23.1 DSP芯片简介23.1.1 DSP芯片概述23.1.2 DSP芯片的发展23.1.3 DSP芯片的分类23.1.4 DSP系统的特点23.1.5 DSP系统的应用33.2 TMS320F28035简介33.2.1 TMS320F28035的特点33.2.2 TMS320F28035的性能43.3 MAX232简介43.3.1 概述43.3.2 MAX232引脚介绍43.3.3 MAX232特点43.4 LM324简介53.4.1 概述53.4.2 LM324引脚介绍53.4.3 LM324应用电路53.5 霍尔电压传感器简介53.5.1 概述53.5.2 霍尔传感器的工作原理64 系统硬件设计64.1 降压电路设计64.2 整形电路设计64.3 串口电路设计74.4 保护电路设计75 系统软件设计85.1 软件概述85.1.1软件开发的意图85.1.2 软件的主要功能85.1.3 软件需求汇总85.2 软件总体功能框图85.3 软件算法设计95.3.1 频率检测算法设计95.3.2 缺相检测算法设计95.3.3 错相检测算法设计95.3.4 有效值计算算法设计95.4 Modbus通信简介95.4.1 概要95.4.2 Modbus 协议介绍95.4.3 Modbus-RTU通信规约105.5 软件时序图115.6 主程序流程图115.7 子程序程序流程图125.7.1 Modbus通信程序流程图125.7.2 故障检测程序流程图126 结束语和展望13参考文献14附录A15附录B22 引言电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础，它与国民经济各个部门相关，在工农业生产中应用得最为广泛1。也就是说，凡是涉及电子和电工技术的所有领域都要用到电源设备，它不仅提供优质的电能，还对科学技术的发展产生了巨大的影响，例如超小型、高效率的高频开关电源的出现，促进了航空航天和舰船技术的发展;不间断电源(UPS)的出现大大提高了计算机、通信、导航、医疗等设备的可靠性;脉冲电源广泛应用于电焊、电镀等行业，节省了大量的电能和原材料。从而可以看出电源技术的研究对国民经济的发展具有重大意义。1 课题研究背景和意义1.1 课题研究的背景我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。1.2 课题研究的意义逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220V,50Hz正弦波）。它由逆变桥滤波电路、控制逻辑组成。广泛适用于冰箱、电动砂轮、家庭影院、电动工具、缝纫机、VCD、DVD电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、空调、录像机、按摩器、风扇、照明等2。在国外因汽车的普及率较高外出工作或外出旅游即可用逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。把家用电器连接到电源转换器的输出端就能在汽车内使用各种电器。可使用的电器有：手机、笔记本电脑、数码摄像机、照像机、照明灯、电动剃须刀、CD 机、游戏机、掌上电脑、电动工具、车载冰箱及各种旅游、野营、医疗急救电器等。2 系统设计2.1 方案设计 图2.1 系统框图本系统由控制器模块、模拟量采集模块、串口通讯模块、信号调理模块以及上位机人机交互模块组成, 系统框图如图2.1 所示。由于电力数据采集信号为高电压信号，因此，首先要将其经过信号调理电路调理,将高电压信号转换为适合模数转换器输入范围的电压，再经过模数转换器ADC 将模拟电压信号转换为数字信号, 再由主控芯片进行数据处理，计算出模拟电压信号的有效值、频率、相位。电力数据经采集处理后, 进行故障检测，由主控器输出故障信息，同时为了使数据显示更加直观以及远程监控, 通过串口与上位机通信，在上位机实时显示电压有效值、频率和故障信息。2.2方案论证 2.2.1 主控芯片的选择方案一：采用单片机作为控制核心，单片机控制功能较强。在程序相互调用方面，处理方便灵活，性能稳定，适合实际应用。且单片机技术发展较为成熟，价格便宜。但单片机数据运算能力较差，实时性不高。方案二：采用DSP作为控制核心，DSP是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法，运算能力很强，速度很快，价格适中。综合分析本课题控制功能要求较弱对数据运算要求较高，采用DSP作为控制核心可更为简便灵活地实现系统功能，故拟采用方案二。2.2.2 串口模块的选择方案一：采用.RS-232总线，RS-232为双工通信，仅需要一条发送线、一条接收线及一条地线，电路简单，但通信距离距离较短例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m。方案二：采用.RS-485总线，RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，传输距离远可达几十米到上千米。但RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态。综合分析本课题对传输距离未作要求，以及通信要求双工通信，采用.RS-232总线进行通信，可以满足课题需求，故拟采用方案一。2.2.3 调理模块的选择 方案一：采用变压器和桥式整流进行信号调理，电路简单易于实现，但变压器价格较高，有铁芯损耗，电压转换精度较低且理论计算出的电压变比较大给变压器选型带来困难。方案二：采用霍尔传感器和加法电路进行信号调理，霍尔传感器并具有精度高、线性好、频宽、响应快等特点，价格适中。基于以上分析和本课题的精度要求，采用采用霍尔传感器和加法电路进行信号调理，可以满足课题需求，故拟采用方案二。3 器件选型及简介3.1 DSP芯片简介3.1.1 DSP芯片概述DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法3。3.1.2 DSP芯片的发展4 世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，1979年Iintel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片发展的一个重要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所有的单周期芯片。1980年，日本NEC公司推出的PD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片。第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi公司，它于1982年推出了浮点型DSP芯片。1983年，日本Fujitsu公司推出的MB8764，具有双内部总线，从而使处理的数据量发生了一个大的突破。而第一个高性能的浮点DSP芯片是AT&T公司于1984年推出的DSP32。自1980年以来，DSP芯片得到了迅速的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法的时间已经从80年代初的400ns降低到40ns，处理能力提高了10多倍。DSP芯片内部的乘法器部件已从1980年的占模区的40%左右下降到5%以下，片内RAM增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1980年使用的4N沟道MOS工艺，而现在则广泛使用亚微米CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年最多的64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，随着DSP芯片的发展，DSP芯片的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。3.1.3 DSP芯片的分类5DSP的芯片可按照下面的三种方式进行分类。1. 按基础特性分 这是根据DSP芯片工作时钟和指令类型来分类的。如果DSP芯片在某个时钟频率范围内的任何频率都能正常工作，除计算速度有变化外，性能没有下降，这种类型的DSP芯片一般称为静态DSP芯片。如果有两种或两种以上的DSP芯片,它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容,则这类DSP芯片称之为一致性的DSP芯片。2. 按数据格式分 这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点DSP芯片。以浮点格式工作的称为DSP芯片。不同的浮点DSP芯片所使用的浮点格式不完全相同，有的DSP芯片使用自定义的浮点格式，有的DSP芯片使用IEEE标准的浮点格式。3. 按用途分 这是根据DSP芯片的用途来分类的，可以分为通用型的DSP芯片和专用型的DSP芯片。通用型的DSP芯片适合普通的应用，如TI公司生产的一系列DSP芯片。专用型的DSP芯片是为特定的运算而设计，特别适合特殊的运算，如数字滤波、FFT和卷积等。3.1.4 DSP系统的特点6数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部特点：（1）接口方便。DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易的多。（2）编程方便。DSP系统种的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。（3）稳定性好。DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高。（4）精度高。16位数字系统可以达到的精度。（5）可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本上不受影响，因此数字系统便于测试，调试和大规模生产。（6）集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。3.1.5 DSP系统的应用7自从DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展。DSP芯片高速发展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在短短的十年时间，DSP芯片已经在通信、雷达、信号处理等领域得到广泛的应用。现在，DSP芯片的价格也越来越低，性价比日益提高，具有很大的应用潜力。DSP芯片的应用主要有：（1）信号处理方面如，自适应滤波、数字滤波、相关运算、快速傅里叶变换、卷积、频谱分析等。（2）通信方面如，自适应均衡、调制解调器、回坡抵消、数据压缩、数据加密、多路复用、传真、纠错编码、扩频通信、波形产生等。（3）语音方面如语音合成、语音编码、语音增强、语音识别、说话人确认、说话人辨认、语音邮件、语音储存等。（4）图像/图形方面如三维和二维图形处理、图像增强、图像压缩与传输、机器人视觉、动画等。（5）军事方面如雷达处理、保密通信、导航、声纳处理等。（6）仪器仪表方面如函数发生、频谱分析、地震处理、锁相环等。（7）自动控制方面如深空、引擎控制、磁盘控制、机器人控制、自动驾驶。（8）医疗方面如超声设备、助听、病人监护、诊断工具等。（9）家用电器方面如音调控制、数字电话/电视、高保真音响、玩具与游戏、音乐合成等3.2 TMS320F28035简介3.2.1 TMS320F28035的特点 F28035处理器与其它型号的处理器相比拥有C28x 控制律加速器。C28x 控制律加速器是一款单精度（32 位）浮点单元，此单元通过添加并行处理能力扩展了C28x CPU 的处理能力。CLA 是一款独立的处理器，此处理器具有其自己的总线结构、取指令机制、和管道。可指定8 个独立的CLA 任务、或者例程。每个任务由软件或者诸如ADC，一个ePWM，eCAP，或者CPU 定时器0启动。CLA 每次完整执行一个任务。当一个任务完成时，主CPU 被告知一个到PIE 的中断，而CLA 自动开始下一个高优先级待处理的任务。CLA 能够直接访问ADC 结果寄存器和ePWM+HRPWM 寄存器。专用消息RAM 提供了一个在主CPU 和CLA 之间传递附加数据的方法。3.2.2 TMS320F28035的性能TMSF28035 处理器主要性能如下：1(1) 高效32 位中央处理单元(CPU)(2) 60MHz（16.67ns 周期时间）(3) 多达45 个复用通用输入输出(GPIO) (4) 三个32 位CPU 定时(5) 可编程控制律加速器(CLA) (6) 1.8V3.6V电源供电低功耗(7) 16 x 16 和32 x 32 介质访问控制(MAC) 运算(8) 哈佛(Harvard) 总线架构(9) 串行端口外设，包括一个SCI(UART) 模块、两个SPI 模块、一个内部集成电路(I2C) 总线、一个本地互连网络(LIN) 总线、一个增强型控制器局域网络(eCAN) 总线(10) 1612位 A/D 转换器3.3 MAX232简介3.3.1 概述MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用单电源+5V供电。MAX232芯片的功能是将DSP输出的TTL电平转换成PC机能接收的232电平或将PC机输出的232电平转换成DSP能接收的TTL电平。3.3.2 MAX232引脚介绍 第一部分为电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。作用是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平使用。 第二部分为数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚组成2个数据通道。其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。 第三部分为是供电。15脚GND、16脚VCC(+5v)。 图4.1 MAX232实物图 图4.2 MAX232引脚图 3.3.3 MAX232特点1、符合所有的RS-232C技术标准 2、只需要+5V单电源供电 3、片载电荷泵具有电压极性反转、升压能力，可以产生+10V和-10V电压V+、V- 4、功耗低，供电电流5mA 5、内部集成2个RS-232C驱动器 3.4 LM324简介3.4.1 概述 图4.3 LM324实物图 图4.4 LM324示意图 图4.5 LM324引脚图 LM324 是四运放集成电路,采用14脚双列直插封装,外形如图4.3所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器, 除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图4.4所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“-”、“+”为两路信号输入端,“V-”、“V+” 为正、负电源端,“Vo”为输出端8。两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。3.4.2 LM324引脚介绍 LM324是最常用的运算放大器1，2，3脚是一组5，6,7脚是一组，8，9，10脚是一组，12，13,14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1，7,8,14是各组放大器的输出脚，其它的是输入脚。3.4.3 LM324应用电路 因为LM324运放电路具有静态功耗小，电源电压范围宽，可单电源供电,价格低廉等优点,所以被大量的应用在各种电路中。 下面介绍其主要应用实例。 图4.6 反相交流放大电路 图4.7 同相交流放大电路 1.LM324作反相交流放大器图4.6为反相交流放大器。此放大器可以代替晶体管进行交流放大,可以用于扩音机前置放大等。放大器使用单电源供电, 由R1和R2组成1/2V+偏置,C1为消振电容。放大器电压放大倍数Av由外接电阻Rf、Ri决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输入信号与输出信号相位相反。按图中所给参数, Av=-10。此电路的输入电阻为Ri。一般情况下首先取Ri与信号源内阻相等,然后根据要求的放大倍数再选择Rf。Co和Ci为耦合电容。2.LM324作同相交流放大器见图4.7为同相交流放大器。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。由R1、R2组成1/2V+分压电路,通过R3对运放进行偏置。电路的电压放大倍数Av由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4,电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。3.5 霍尔电压传感器简介3.5.1 概述霍尔电压传感器是一种利用霍尔效应，将原边电压通过外置或内置电阻，将电流限制在10mA,此电流经过多匝绕组之后，经过聚磁材料将原边电流产生的磁场被气隙中的霍尔元件检测到，并感应出相应电动势，该电动势经过电路调整后反馈给补偿线圈进而补偿，该补偿线圈产生的磁通与原边电流产生的磁通大小相等，方向相反，从而在磁芯中保持磁通为零。实际上霍尔电压传感器利用的是和磁平衡闭环霍尔电流传感器一样的技术，即零磁通霍尔电流传感器9。 图4-8 霍尔电压传感器 3.5.2 霍尔传感器的工作原理 磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I从A到B流过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在CD方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。霍尔电压随磁场强弱的变化而变化，电压越高，磁场越强，电压越低，磁场越弱，霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到可以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁感应强度。一般的方法是用一个转动的叶轮作为磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。4 系统硬件设计4.1 降压电路设计采用霍尔电压传感器设计的降压电路如图5-1所示，图中R1为原线圈限流电阻，R2为测量电阻。图5.1 降压电路4.2 整形电路设计如图5-2所示为用LM324设计的同相求和运算电路，可以利用叠加原理，首先分别求出个输入电压单独作用时的输出电压，然后将它们相加，便得到所有信号共同作用时输出电压与输入电压的运算关系。设U1单独作用,此时Ui接地有设Ui单独作用,此时U1接地有 当U1、Ui共同作用时，取R1=R2=R3=R4=1k；图5.2 整形电路4.3 串口电路设计RS-232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对每个连接器的引脚加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现了代替DB25的DB9接口，也称RS232接口为DB9。如图5-3所示。 图5.3 RS-232接口4.4 保护电路设计 TMS32F28035模拟电压输入范围03.3V，但在实际使用TMS32F28035的AD端口采样模拟信号时，并不能保证采集的信号在输入范围内。由于AD模块非常脆弱，当小于0V或者大于3.3V的模拟信号输入TMS32F28035的AD端口时，可能损坏AD端口，使相应的AD采样端口不能正常工作，所以设计了如图5-4所示的AD保护电路。 如图5-4所示的这种电路叫钳位电路，顾名思义就是把电压限制在某个范围内，电路原理如下：图中的DQ1和DQ2为两个二极管，当采样电压Ui略大于3.3V时DQ2导通，输入到AD端口电压直接为3.3V。同理，当采样电压略小于0V时，DQ1导通，输入到AD端口电压直接为0V。这样就通过这两个二极管 将ADC端口输入电压保持在其允许的范围内，使其能正常工作。 图5.4 保护电路5 系统软件设计5.1 软件概述5.1.1软件开发的意图对额定电压为115/200V、额定频率为400Hz三相逆变电源输出电压进行检测,当逆变电源输出电压出现异常时，根据保护设置的策略和参数输出保护信号保护负载设备。5.1.2 软件的主要功能1.输出电压的有效值保护：三相电压过压、欠压保护，保护要求保护点电压值可设定，保护延迟时间可设定。当检测电压的有效值超过过压设置电压，并且持续时间达到设置值后，触发过压故障信号，并输出。2.输出电压的瞬时值保护：三相电压的瞬时过压、欠压、缺相、错相保护。该保护功能要求保护点电压值可设定。缺相保护应能判断出是哪一相缺相。3.输出电压的频率保护：输出电压的频率为定频400HZ，当高于410Hz或低于390Hz时，并且持续时间达到设定值后，触发过频或欠频保护信号。4. 输出电压有效值、瞬时值、频率、相位、缺相的故障显示。5. 输出电压有效值电压值和频率值显示。5.1.3 软件需求汇总 有无输出电压检测 输出电压的瞬时值欠压、过压检测 输出电压的缺相、错相检测 输出电压的欠频、过频检测 输出电压的有效值欠压、过压检测 通信方式采用串行通信（RS232） 通信协议采用Modbus-RTU Slave协议 输出电压的有效值保护点电压值、保护延迟时间可通过串行通信设定 输出电压的瞬时值保护点电压值可通过串行通信设定 输出电压的频率保护延迟时间可通过串行通信设定 输出电压的有效值过压和欠压、瞬时值过压和欠压、频率欠频和过频、缺相和错相故障显示 输出电压的有效值和频率数据通过串行通信显示5.2 软件总体功能框图 图 6.1 软件总体功能框图 AD采样程序：主要实现三相电压的采集和电压转换故障检测程序：包括三相电压的瞬时值的欠压、过压检测，有效值的欠压、过压检测，频率的欠频、过频检测，错相检测、缺相检测和输出检测。计时程序：主要实现对有效值欠压、过压故障计时和频率的欠频、过频故障计时MODBUS通信程序：主要实现PC机对故障的查询、有效值、频率值的显示以及瞬时值过压、欠压保护点电压值，有效值欠压、过压保护点电压值和欠压、过压故障时间值，频率欠频、过频故障时间参数的设置5.3 软件算法设计5.3.1 频率检测算法设计采样频率：信号频率400Hz，周期为2.5mS根据采样定理可知采样频率必须大于信号频率的2倍，以及频率检测精度%1以内、有效值精度3%以内。因此采样频率选择为80KHz,即12.5S采集一次电压值。在一个周期内可以采集200点。采样数据：由于采样过程中会出现漏点的情况以及频率发生变化时，200个数据点不能包含采样信号的一个完整周期，故连续采样250个数据作为采样信号一个周期的数据样本。频率检测:根据采样的250个数据U250，首先利用表达式(Ui-10) &(Ui0)&(Ui+10) &(Ui+20)查找出相邻的两个零点坐标值分别记为A_00、A_01结合下面的公式计算出的频率。f = 1 /（A_01 - A_00）*2/80000） 5.3.2 缺相检测算法设计缺相检测: 将存储的A、B、C三相电压值U_A250、U_B250、U_C250进行取整运算，将A、B、C三相电压值为0的个数，分别记为qx_a、qx_b、qx_c，将qx_a、qx_b、qx_c分别与200进行比较，当且仅当qx_a、qx_b、qx_c中一个数值大于200，其余两个数值小于200，则大于200的该相发生缺相。5.3.3 错相检测算法设计错相检测：将相位差转换成时差进行判断。信号的周期为2.5mS，未错相时的A、B、C三相电压相位相差120， A、B、C三相电压的零点相差的时间为（2.5/360）*120=0.83mS，找出A、B、C三相的零点电压在数组中的下标记为min0、min1、min2，结合采样时间间隔12.5S即可计算出A、B、C三相电压零点之间的间隔时间, 与标准时差0.83mS进行比较判断是否错相。A、B相间隔时间=（|（min0- min1）| * 12.5S）/ 1000B、C相间隔时间=（|（min1- min2）| * 12.5S）/ 10005.3.4 有效值计算算法设计有效值检测:利用检测出的相邻的两个零点坐标A、B，利用IQmath方法结合方均根值的计算公式计算出电压的有效值，电压有效值计算公式如下。5.4 Modbus通信简介5.4.1 概要Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过这个协议，控制器经由网络(例如以太网)、控制器相互之间和其他设备之间可以进行通信。此协议已经成为一种通用工业标准。有了它，不同厂商生产的电子控制器可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个电子控制器能识别和使用的消息结构，而不管它们是用那种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其他设备的过程，如何回应来自其他设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格式和内容的公共格式。当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。Modbus是一种全开放、免费提供、非常容易理解和实施的协议，目前基于Modbus协议的串口通信是较常用的方式之一。5.4.2 Modbus 协议介绍 Modbus 是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979 年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。为更好地普及和推动Modbus协议在以太网上的分布式应用，施耐德公司已经把Modbus 协议的所有权移交给IDA（Interface for DistributedAutomation，分布式自动化接口）组织，并且组织了Modbus-IDA 组织，为日后Modbus协议的发展奠定了良好的基础。在中国，Modbus 协议已经成为了国家标准。据不完全统计：截止到2007 年，Modbus的安装节点数量已经超过了1000 万个。 当在Modbus 网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并使用Modbus 协议发出。在其它网络上，Modbus 协议的消息将会被转换为在此网络上使用的帧或包结构。Modbus协议具有以下几个特点：（1）开放、标准，用户可以免费地、放心地使用Modbus 协议，不需要交纳许可证费用，也不会侵犯知识产权。目前，支持Modbus协议的厂家已经超过了400 家，支持Modbus协议的产品已经超过了600 种。（2）Modbus支持许多种电气接口，例如RS-232接口、RS-485 接口等，还可以在多种介质上传送，如光纤、双绞线、无线等。（3）Modbus协议的帧格式简单、明了、紧凑、通俗易懂。用户使用简单，厂商开发也很简单。 标准的Modbus口是使用RS-232C 兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。 控制器通信使用主从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。 主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus 协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。 从设备回应消息也由Modbus 协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。 在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可以作为主设备也可以作为从设备。提供多个内部通道的传输进程可以同时发生。 在消息位，Modbus协议采用了主从原则，尽管网络通信使用的方法是“对等”。如果控制器发送一条消息，那么它只是作为主设备，并期望能够从从设备得到回应。同样的，当控制器接收到一条消息，它将自动建立从设备回应格式并将信息返回给发送的控制器。5.4.3 Modbus-RTU通信规约表6.1给出了用户可以在上位机设置的参数所代表的含义及其数据类型、数据长度和地址，表6.2给出了下位机上传给上位机的数据含义及其数据类型、数据长度和地址，表6.3给出了故障数据每一位所代表的故障类型。表6.1 用户参数设置寄存器地址含义字节数数据类型单位备注0x17有效值过压值U12uint16V4位小数，0x18有效值欠压值U22uint16V4位小数，0x19瞬时值过压值U32uint16V2位小数，0x1A瞬时值欠压值U42uint16V2位小数，0x1B有效值过压时间T12uint16S 位小数，0x1C有效值欠压时间T22uint16S位小数，0x1D过频时间T32uint16S位小数，0x1E欠频时间T42uint16S位小数，表6.2 运行数据寄存器地址含义字节数数据类型单位备注0x10A相输出电压有效值2uint16V4位小数，0x11B相输出电压有效值2uint16V4位小数，0x12C相输出电压有效值2uint16V4位小数，0x13A相输出电压频率2uint16Hz2位小数，0x14B相输出电压频率2uint16Hz2位小数，0x15C相输出电压频率2uint16Hz2位小数，0x16故障代码2uint16故障代码定义见表6.3表 6.3 故障代码定义bit定义备注15瞬时值过压0表示正常1表示故障14瞬时值欠压0表示正常1表示故障13欠频0表示正常1表示故障12过频0表示正常1表示故障11A相缺相0表示正常1表示故障10B相缺相0表示正常1表示故障9C相缺相0表示正常1表示故障8A相有效值过压0表示正常1表示故障7B相有效值过压0表示正常1表示故障6C相有效值过压0表示正常1表示故障5A相有效值欠压0表示正常1表示故障4B相有效值欠压0表示正常1表示故障3C相有效值欠压0表示正常1表示故障2错相0表示正常1表示故障1预留0预留5.5 软件时序图 图6.2 软件时序图5.6 主程序流程图 图6.3 主程序流程图本系统设计中，采用TI公司最新推出的高效DSP开发环境Code Composer Studio 6.0为开发平台。应用程序包括主程序、数据采集及处理程序、串行通信程序3个主要部分。初始化程序包含系统时钟、GPIO口、中断的配置以及定时器、ADC和串行通信模块的初始化。Modbus通信程序负责从上位机接收数据以及数据组合，同时还包括下位机想上位机上传数据以及数据拆分。AD采集程序负责将数据从ADC转换结果寄存器中读出并存储。电压转换程序负责将电压数字量转换为实际的电压值。输出检测程序负责检测是否有输出电压。故障检测程序包括瞬时值故障检测、缺相检测、错相检测、偏置处理、零点查找、有效值计算、频率计算、有效值故障检测、频率故障检测。故障记录程序包括故障计时。 系统首先进入初始化程序，初始化系统时钟、GPIO口、中断的配置以及定时器、ADC和串行通信模块。然后等待用户设置保护参数或读取数据，当未检测到用户设置保护参数则使用程序默认的保护参数。接下来等待采集够250个电压值进行存储和实际电压值的转换。其次进行输出检测若没有输出则返回电压值采集，不进行故障检测避免因为没有输出电压的故障误报。有输出则进行故障检测。对于有效值和频率进行故障计时，当故障时间超过设置的时间则输出故障信息，否则不输出故障信息，对于瞬时值、缺相、错相检测发生故障则立即输出故障信息。在整个过程中用户可随时进行保护参数的设置。5.7 子程序程序流程图5.7.1 Modbus通信程序流程图5.7.2 故障检测程序流程图 图 6.5 故障检测流程图图 6.4 通信流程图Modbus通信程序接收采用中断方式，发送采用查询方式。接收报文采用定时器对两次接收中断的间隔进行计时，当计时时间超过5ms则判断一帧数据接收完毕。接收到报文进行地址匹配，地址错误则清空接收区。地址正确进行CCR校验判断接收数据是否正确，错误则清空接收区，正确则进行功能码识别。根据功能码识别上位机的指令，若是读指令则将通信规约中的数据上传，若是写指令，则按照通信协议的内容将保护参数组合出来，更新保护参数。接着返回信息告诉上位机已经接收到保护参数。 6 结束语和展望本次基于TMS320F28035的三相电压保护程序的设计已经通过了软件仿真和硬件调试，并且实现了各项指标要求。系统无需外扩芯片即可实现A/ D 转换、数据通信等功能, 大大简化了硬件设计, 节约了投资。本系统具有功耗低、可靠性高等优点,采用MODBUS 协议通过RS232 与上位机实时通信, 传输数据的实时性与可靠性显著提高。本次设计还存在许多问题，例如频率和有效值的检测精度还有所欠缺。本课题还有很大的提升空间，在实际情况中电压、频率是连续变化的，此时单点的频率和电压保护就不满足需求，这时就需要曲线保护，对于不同的电压值和频率值对应不同的故障触发时间，这样就不会出现漏点的情况。随着电力系统的发展, 这种基于DSP的电力数据采集系统将有更高的应用价值和广阔的市场前景。 参考文献1 电工电子电源知识讲座第八讲电源技术基础知识（概述，ACDC变换）期刊论文UPS应用，2004年.2 小型离网风力发电装置控制系统的设计与仿真学位论文唐猛，2012年 华北电力大学.3 长钢四区供电系统谐波治理研究学