摘要:采用DSP和网络芯片LAN91115组成基于TCP/IP协议的高低压成套开关设备智能化控制系统,实现网络化的实时数据采集和数据存储以及电气动作远程控制,论述了DSP控制器对网络芯片LAN91115的控制方法。
关键词:DSP;LAN91115;工业以太网;网络控制器;TCP/IP协议
中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)27-7790-02
Intellectualized Control System to Switch Equipment of High and Low Voltage Based on Industrial Ethernet
TANG Ran
(Bengbu College, Bengbu 233030, China)
Abstract: The text introduce a intellectualized control system to switch equipment of high and low voltage based on TCP/IP agreement ,it has DSP and LAN91115 composition. System realization network-rization real time data collect,data memory and electrical equipment actions being long-range control.It has discussed the DSP controller control method to the chip lAN9115.
Key words: DSP; LAN91115; industrial Ethernet; Network controller; TCP/IP agreement
目前,随着计算机技术发展,要求在电力系统中能够对电气柜内的各种工作状态、温湿度能够进行高精度的控制。在电力系统中,由于温度过高、过低引起的元件失效或由于湿度过高而引起的爬电、闪络事故时有发生,严重影响系统安全,造成巨大的经济损失。在高低压成套开关设备控制柜体内安装控温、除湿设备,可以有效地避免这些故障的发生,保障企业的生产安全,具有良好的经济效益和社会效益。
本系统利用上位计算机和嵌入DSP对电气柜的温湿度采用Fuzzy-PID复合控制,并对柜内的电器的工作状态(接地刀、断路器等)、温湿度通过计算机对其进行远程集中显示、控制和数据记录管理,并可完成对电压、电流、温度、湿度的实时取样并在显示屏上对上述参数的变化曲线动态显示、对过电压、过电流、温度过高实时保护并报警。
1 工业以太网
工业以太网是继现场总线之后结合以太网的优点而发展起来的,适合于工业控制和管理的一种局域网络技术,与目前的现场总线相比,工业以太网有很多优点。1)它是一种开放性的通信网络,各个厂家的设备能够互相兼容;2)以太网贯穿于整个网络的各个层次,它使网络组成透明、覆盖整个企业范围的应用实体,实现了办公自动化与工业自动化的无缝结合;3)以太网的通信速度从几十兆可以达到几千兆,甚至几万兆,可以满足大量数据通信的要求。随着全集成自动化在工业中的深入发展,企业内部设备、管理、控制一体化将成为工业控制发展的主要趋势。
2 工业以太网控制网络接口硬件设计
高低压开关设备智能化控制系统实行主机集中管理、现场监控节点分散控制的原则。主机通过工业以太网和监控节点进行实时通信,并可通过以太网接入Internet 实现远程上网,对多个现场进行集中监控;现场监控节点利用工业以太网交换机构成星型拓扑结构,将网络划分成多个控制网段,防止信息流过大而引起的信息冲突,避免竞争从而提高了网络的实时性。
系统采用DSP经网络芯片接入以太网,实现网络通信。硬件设计核心部分是DSP处理器TMS320F2407及网络接口芯片LAN9115,网络芯片经隔离单元通过RJ45连接到以太网中。
2.1 TMS320LF2407A
DSP处理器TMS320LF2407A ,具有32位低功耗的定点处理器,有强大的操作能力和迅速的中断响应处理能力,内置2.5k字SRAM和32k字Flash ROM,完全可以满足嵌入式TCP/IP协议栈的实现需要。16通道的12位模数转换器(ADC)可以简化采样设计,56个独立的可编程、多用途通用I/O口,使它既具有数字信号处理能力,又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能,特别适用于有大批量数据处理的测控场合,如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。
2.2 网络控制器LAN9115
LAN9115是SMSC公司为嵌入式应用系统推出的第三代快速以太网控制器。芯片集成了遵循SMSC/CD协议的MAC(媒体层)和PHY(物理层),该以太网控制器片上集成了以太网的MAC和PHY,内部PHY可以针对10M/100M通信实现自动协商功能;支持10BASE-T和100BASE-TX;支持全双工与半双工通信,并能对全双工通信进行流控制;自动产生并检验32CRC;带有的高性能SRAM总线接口,方便与主机进行通信。
LAN9115以太网控制器遵循802.3以太网传输协议。该电路还集成了EEPROM接口,自举时再通过EEPROM接口输入到芯片中,从而实现自动初始化。总线仲裁器(Arbiter)用来监视以太网总线的数据交流情况,一旦发生阻塞,仲裁器一方面通过总线接口单元与外部CPU联系,另一方面控制内存控制单元(MMU),实现总线数据协调。内存控制单元可控制8kB动态SRAM的存储情况,实现与DMA控制器之间的数据联络。DMA控制器与总线控制器一起控制DMA与以太网协议处理器(EPH)之间的数据交换。以太网协议处理器(EPH)之间的数据交换。以太网协议处理器出来的数量最终经过10Mb/s/100Mb/s的物理层(PHY)直接到达以太网总线。
2.3 网络变压器YL18-2001S
以太网控制器输出信号必须要经过网络隔离变压器,再通过RJ45接口连接到以太网中,网络隔离变压器是联系以太网芯片(10/100/1000)与终端接口(RJ45)之间的磁性组件,起信号传输、阻抗匹配、波形修复、杂波抑制以及高电压隔离等作用。
2.4 电源模块
由于 TMS320LF2407的是3.3V,其他外围芯片多用到5V,所以电源模块的设计有二种不同的电源输出。电源经MC7805后成为5V电压,再采用DC-DC芯片LM1117-3.3V引出3.3V的直流电压。
高精度低电压监控器SP708R其集成有众多组件,可监测系统中的供电及电池的工作情况。SP708R包含一个看门狗定时器,一个复位模块,一个供电失败比较器,及一个手动复位输入模块,适用于+3.0V或+3.3V环境。
2.5 温湿度采集模块
温湿度模拟信号经过调理电路处理后,送到LF2407的片上ADCIN00- ADCIN03中,使得A/D得输入限制在0～3.3V。DSP采用Fuzzy-PID复合控制算法对采集的温湿度数据进行计算以后,通过外部数据总线D0-D7输送给D/A转换器AD7237对执行机构进行输出控制。
2.6 电气柜的电器状态检测显示电路
为了增强系统的抗干扰性能,各种电器状态通过光耦引入LF2407的输入引脚IOPE0-IOPE7,存入相应的数据存储单元,CPU通过IOPB0-IOPB7送给缓冲驱动及保持电路SN74HC574,在开关柜面板上进行现场显示。
3 系统软件设计
整个系统的软件部分主要有DSP对LAN9115的控制和现场数据采集控制两个部分组成。
3.1 DSP对LAN9115的控制
3.1.1 初始化
上电后,LAN9115内部寄存器的值均设置为缺省值,DSP首先根据需要设置其中的Configuration Base和Individual Address寄存器,以保证电路正确工作。
3.1.2 发送数据包流程
1)DSP向LAN9115发送命令,将MMUCOM寄存器设置为0x0020。
2)DSP查询Interrupt Status寄存器中的ALLOC INT位,直到该位被置成1,,然后等待硬件中断,并将TX packet number放在Allocation Result寄存器中。
3)将Allocation Result寄存器中的packet number复制到Packet Number寄存器中,对Pointer寄存器进行设置,然后将数据从Upper layer传送到Data Register。
4)DSP向LAN9115发送命令,将Packet Number寄存器中的packet number拷贝到TX FIFO,同时设置Transmit Control寄存器中的TXENA位,启动transmitter。
5)当控制器传送完包以后,memory中的第一个字写入相应的Status Word,然后将TX FIFO中的packet number移到TX completion FIFO,当TX completion FIFO不为空时产生中断。
6)DSP接收到中断后,读入Interrupt Status寄存器,如果产生发送中断,则从FIFO ports寄存器读入packet number,并将它写入Packet Number寄存器,然后从memory中读人Status Word,判断包发送是否成功。
3.1.3 接收数据包流程
1)DSP设置Receive Control寄存器中的RXEN位,允许接收包。
2)含有正确地址的包被接收到,从MMU请求存储空间,并分派一个packet number,并将接收到的字写到memory中,如果超界,包被丢弃,存储空间被释放。
3)DSP接收到中断后开始执行中断处理程序,如果产生接收中断,则可从FIFO ports寄存器得到接收包的packet number。当处理结束,DSP向LAN9115发送命令以释放使用的存储空间和packet number。
3.2 现场控制模块
现场处理控制由自控模块、手控模块和参数设置模块三大模块组成,上电后或运行过程中的任何时候,都可通过按键操作,分别切换进入各个模块。
自控模块包括数据采集、数字滤波、标度变换、动态显示、键盘扫描、控制算法、控制输出和报警处理8个子模块。
4 结束语
在电气柜的控制中,由于柜中控制元件很多,留给CPU板的空间有限,而需要显示的内容又很多,本系统显示、输入均采用串口芯片,很好的解决了这个问题,而PID-Fuzzy复合控制系统对于温湿度耦合系统具有良好的控制精度。系统并可通过工业以太网实现网络化的实时数据采集和数据存储管理以及电气柜电器动作远程控制,对于现场设备的网络化控制有着较好的参考价值。
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