礦熱爐電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郄文科，喬鋼柱，鄭現(xiàn)磊(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

礦熱爐是一種需要巨大電流的工作系統(tǒng)，主要用于還原冶煉礦石，其自然功率因數(shù)很難達(dá)到0.85以上，絕大多數(shù)自然功率因數(shù)都在0.7到0.8之間[1]。較低的功率因數(shù)，導(dǎo)致礦熱爐效率低下，成本增高，造成極大的能源浪費(fèi)。提高礦熱爐的功率因數(shù)對(duì)于降低成本，節(jié)約電能，減少資源浪費(fèi)，提高產(chǎn)品產(chǎn)量具有重大意義[2-3]。

在礦熱爐運(yùn)行情況下，如果能連續(xù)提取其每相電的電壓、電流信息參數(shù)，根據(jù)非正常電量信號(hào)征兆，運(yùn)用智能技術(shù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)判，并依據(jù)診斷結(jié)果對(duì)礦熱爐系統(tǒng)制定無(wú)功補(bǔ)償策略，既能提高礦熱爐的工作效率，又能真實(shí)反映其在正常工作環(huán)境下的狀態(tài)信息，同時(shí)又能記載礦熱爐在非正常工作狀態(tài)下的電量信號(hào)，為工作人員排除故障提供數(shù)據(jù)依據(jù)。因此對(duì)礦熱爐運(yùn)行時(shí)電氣參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控有極其重要的意義[2]。

本文根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的概念及其發(fā)展現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出以F2812為核心的礦熱爐電量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用組態(tài)王Kingview平臺(tái)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，系統(tǒng)維護(hù)方便，有效的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集，上傳，存儲(chǔ)的并列運(yùn)行。

1 礦熱爐數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

礦熱爐電量數(shù)據(jù)采集是獲取電量信號(hào)的過(guò)程：首先使用電壓傳感器、電流傳感器將初始電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為較低的電量信號(hào)；然后，該信號(hào)經(jīng)濾波處理后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；最后控制處理器采集該信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行處理分析，將結(jié)果存儲(chǔ)、顯示出來(lái)[4]。目前在礦熱爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，主要有三種采集方案，一種是以PLC為主控制器，以模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊作為采集單元的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；第二種是以單片機(jī)為核心，以外圍器件構(gòu)成的采集系統(tǒng)；最后一種是采用三相電子式多功能電能表+手持設(shè)備或PC機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這三種電量數(shù)據(jù)采集方案各有優(yōu)劣：

(1)以電能表構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但該系統(tǒng)軟件編程相對(duì)復(fù)雜，且系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)速度過(guò)慢。當(dāng)數(shù)據(jù)采集量較大時(shí)，該系統(tǒng)將難以達(dá)到采集要求。故電能表構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)性要求不高的環(huán)境中。

(2)以單片機(jī)為核心構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠完成一般的數(shù)據(jù)采集要求，成本也非常低，但當(dāng)該系統(tǒng)運(yùn)行于比較惡劣的環(huán)境中時(shí)，容易受到干擾，且由于自身結(jié)構(gòu)限制，當(dāng)處理數(shù)據(jù)量較大時(shí)也難以勝任。

(3)以PLC為控制器構(gòu)成的采集系統(tǒng)，抗干擾性強(qiáng)，采集的實(shí)時(shí)性也能達(dá)到要求，但是該系統(tǒng)需要指定的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，既增加了系統(tǒng)的成本，又降低了系統(tǒng)的靈活性。

自上世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器也得到了更廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的單片機(jī)不同，數(shù)字信號(hào)處理器采用哈佛結(jié)構(gòu)和硬件乘法器，具有更快的運(yùn)算速度和更高的計(jì)算精度。TMS320F2812是TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP芯片，也是目前性價(jià)比最高的DSP芯片之一[5]。它不但具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，而且還具有較為完整的事件管理能力和嵌入式控制功能，因此被廣泛應(yīng)用與工業(yè)控制，特別是應(yīng)用于需要大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合。

2 系統(tǒng)功能及硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)功能

由于我國(guó)工業(yè)用電電壓頻率大多都是50 Hz，因此系統(tǒng)需要在20 ms之內(nèi)至少采集一次數(shù)據(jù)，并在電壓變化的下一個(gè)周期發(fā)出控制指令。F2812最高運(yùn)行頻率可達(dá)到150 MHz，數(shù)據(jù)處理速度和響應(yīng)時(shí)間完全可滿足控制要求。通過(guò)SCI口把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，利用上位機(jī)開(kāi)發(fā)出人機(jī)界面，可以觀察到電量信號(hào)的波動(dòng)，同時(shí)，上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，可大容量的儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，以備發(fā)生故障后，為工作人員檢修工作提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文所搭建的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)選用TMS320F2812 DSP作為核心處理器，負(fù)責(zé)信號(hào)控制以及數(shù)據(jù)采集。組態(tài)王作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，波形還原，存儲(chǔ)與查詢，從而實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能：

(1)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的電壓、電流、功率等模擬量信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的負(fù)荷監(jiān)測(cè)和電能計(jì)量；

(2)能夠按照要求，對(duì)礦熱爐進(jìn)行負(fù)荷控制和電能控制，如設(shè)定功率和電能定值，在礦熱爐用電接近或超過(guò)限額時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)告警提示用戶，并按照預(yù)定步驟進(jìn)行處理；

(3)將處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，設(shè)計(jì)通信電路和通信協(xié)議軟件；

(4)上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)，形成各種歷史數(shù)據(jù)，在月末形成各種月數(shù)據(jù)；

(5)上位機(jī)能夠進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，包括采集信號(hào)的波形還原和查詢處理。

2.2 硬件設(shè)備選型

由于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身需要采集的量很大，對(duì)采集率的要求也很高，并且系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)電量波形的還原，故數(shù)據(jù)采集量更大，因此本系統(tǒng)采用了下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)使用數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)的方法。上位機(jī)可使用帶有串口通信的普通PC，以便和DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢。

2.2.1 采集終端CPU選型

TMS320F2812(以下簡(jiǎn)稱F2812)是目前國(guó)際市場(chǎng)上最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化控制等。選擇F2812作為礦熱爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端CPU，基于以下考慮。

(1)具有很強(qiáng)的運(yùn)算處理能力：F2812為32位數(shù)字信號(hào)處理器，其運(yùn)行速度可達(dá)到150MIPS(每秒執(zhí)行實(shí)時(shí)15億條指令)；

(2)存儲(chǔ)器資源豐富，片內(nèi)擁有1K × 16-bit的單口隨即存儲(chǔ)器(SARAM)，和128K × 16-bit的FLASH存儲(chǔ)器，在開(kāi)發(fā)礦熱爐數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)時(shí)，基本不需要進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展；

(3)豐富的通信接口，擁有兩個(gè)SCI和一個(gè)SPI通信接口；

(4)豐富的GPIO口資源，能滿足礦熱爐數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的資源要求；

(5)支持JTAG在線仿真接口；

(6)128位系統(tǒng)密鑰：防止系統(tǒng)中的軟件程序被修改或讀取；

(7)低功耗和節(jié)能模式。

2.2.2 外擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換器選型

雖然F2812具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，但是其A/D轉(zhuǎn)換器輸入不能大于3 V，實(shí)際應(yīng)用中在沒(méi)有外部校準(zhǔn)電路的情況下，采集分辨率只能達(dá)到9位，而外部干擾比較大，為了防止因外部輸入電壓劇烈波動(dòng)而導(dǎo)致DSP損壞，提高系統(tǒng)分辨率，簡(jiǎn)化DSP的軟件編程，故采用外擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換器。

本設(shè)計(jì)采用的是TI公司生產(chǎn)的TLC1549模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其主要特點(diǎn)有[7]：具有內(nèi)在的采用和保持，采用差分基準(zhǔn)電源，采用高阻輸入，片內(nèi)時(shí)鐘系統(tǒng)，可以按照比例量程轉(zhuǎn)換測(cè)量范圍。TLC1549工作頻率主要取決于外部時(shí)鐘周期，若時(shí)鐘頻率夠高，它可以在30 ms內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，完全能夠滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的需要。TMS320TLC1549采用串行方式，使得該芯片只有8個(gè)引腳，用3根線與控制器接口即可，硬件結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。

2.2.3 組態(tài)軟件硬件配置

本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812作為下位機(jī)和北京亞控公司的組態(tài)王Kingview6.53進(jìn)行通信。組態(tài)王對(duì)于不同的硬件設(shè)施，只需為其配置相應(yīng)的通信驅(qū)動(dòng)程序。組態(tài)王支持的硬件設(shè)備有：可編程控制器(PLC)，智能模塊，變頻器，智能儀表等等。組態(tài)王所支持的通訊方式有：數(shù)據(jù)采集板，DDE通信，人機(jī)界面卡，網(wǎng)絡(luò)模塊，OPC和串口通訊。組態(tài)王支持串口通信，而F2812也具有串口通信功能，因此，可以采用串口通信方式實(shí)現(xiàn)DSP和組態(tài)王通訊[8]。

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：

(1)DSP電源電路設(shè)計(jì)：TMS320F2812工作時(shí)所需要的電壓分為兩部分，一部分是3.3 V的FLASH電壓，另外一部分是1.8 V的內(nèi)核電壓。

(2)DSP時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)：CPU的時(shí)鐘脈沖由F2812內(nèi)部振蕩器OSC和基于鎖相環(huán)PLL的時(shí)鐘模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。在F2812的X1和X2之間提供30 MHz的晶振，外部晶振通過(guò)片內(nèi)振蕩器OSC和PLL模塊產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)CLKIN，提供給CPU。

(3)JTAG下載口電路設(shè)計(jì)：DSP在下載程序時(shí)需要下載端口，因此需要設(shè)計(jì)JTAG仿真燒寫口。

(4)A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)：TLC1549的采集電路，包括信號(hào)輸入端的濾波放大電路，以及F2812的控制電路設(shè)計(jì)。

(5)串口通信模塊設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)中采用MAX3232芯片將DSP的SCI口設(shè)計(jì)為RS232口，以便與組態(tài)王進(jìn)行通信。

(6)人機(jī)接口模塊：在組態(tài)王軟件中開(kāi)發(fā)出人機(jī)界面，包括波形還原和數(shù)據(jù)查詢兩大模塊。

(7)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)可在上位機(jī)創(chuàng)建小型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存管理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括DSP數(shù)據(jù)采集，DSP與組態(tài)王通信，組態(tài)王界面開(kāi)發(fā)三大部分。DSP程序使用C語(yǔ)言在CCS軟件上開(kāi)發(fā)，它需要實(shí)現(xiàn)的功能有外部中斷使能，時(shí)鐘信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器，啟動(dòng)、停止A/D轉(zhuǎn)換器，采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)計(jì)算，發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)。軟件流程圖如圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖

當(dāng)F2812采集到數(shù)據(jù)后要將數(shù)據(jù)發(fā)送到組態(tài)王中。DSP與組態(tài)王的通信程序要嚴(yán)格按照組態(tài)王提供的通信協(xié)議編寫。首先DSP要判斷是否接收到一幀完整的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完整后，判斷是讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)應(yīng)答，流程圖如3所示：

圖3 DSP與組態(tài)王通信流程

組態(tài)王作為上位機(jī)，需要發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令，并把讀取到的數(shù)據(jù)還原為波形展現(xiàn)在顯示器上，同時(shí)要把數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)需要查詢某一時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，能夠查詢歷史數(shù)據(jù)，并顯示該時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)波形。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 組態(tài)王軟件流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

該實(shí)驗(yàn)的硬件部分主要有F2812開(kāi)發(fā)板，TLC1549模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和通信系統(tǒng)軟件在CCS3.3 平臺(tái)下用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，人機(jī)界面使用組態(tài)王軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)使用甲骨文公司的Mysql小型數(shù)據(jù)庫(kù)。將軟件系統(tǒng)和硬件平臺(tái)結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電量信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)。使用較大功率的白熾燈作為負(fù)載，通過(guò)接觸調(diào)壓器和串聯(lián)電阻，改變白熾燈的電源電壓，模擬礦熱爐電壓、電流的變化。采集電壓、電流值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)可達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的，并能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)波形還原，實(shí)際效果如圖5所示。其中電壓波形為紅色(較粗)曲線，電流波形為綠色(較細(xì))曲線。檢測(cè)電壓、電流的實(shí)時(shí)值可以顯示出來(lái)。

圖5 電量參數(shù)實(shí)時(shí)曲線

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢，如圖6、7示：

圖6 歷史數(shù)據(jù)曲線

歷史數(shù)據(jù)曲線通過(guò)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，把電量信號(hào)進(jìn)行還原，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)擊系統(tǒng)的左移、右移箭頭，可以實(shí)現(xiàn)查詢區(qū)域的改變，也可以在系統(tǒng)中設(shè)置改變查詢區(qū)域變化量的大小(如改變查詢區(qū)域?yàn)? s，1 m，10 m等)。圖6所示為原始數(shù)據(jù)曲線。當(dāng)需要查看某一區(qū)域的數(shù)據(jù)時(shí)，可將所需查看區(qū)域局部放大，從而可以詳細(xì)查看該區(qū)域數(shù)據(jù)，如圖7所示：

圖7 局部放大后的歷史數(shù)據(jù)曲線

本圖是將局部區(qū)域放大后的歷史趨勢(shì)曲線。游標(biāo)的位置，即是用戶所需查詢的數(shù)據(jù)，通過(guò)移動(dòng)游標(biāo)，選擇用戶所需查詢的位置，移動(dòng)游標(biāo)到某一位置，即可顯示其所在位置的電量信號(hào)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)出人機(jī)界面及存儲(chǔ)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)各模塊的作用，軟硬件的設(shè)計(jì)原理和方法。使用F2812作為核心處理器，完成對(duì)電量信號(hào)的采集，再將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，做進(jìn)一步的波形還原處理，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，達(dá)到大量數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存的設(shè)計(jì)目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)可以滿足工業(yè)要求，且能夠完成歷史數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)波形的還原。

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