摘  要： 介紹了基于DSP的并聯(lián)有源濾波器與上位機(jī)的RS-232串口通信設(shè)計(jì)，給出了DSP串行通信的硬件接口電路和通信協(xié)議，并完成了串口通信的軟件編程。下位機(jī)使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，上位機(jī)采用Visual C++設(shè)計(jì)界面，并用串口控件MSComm編寫(xiě)串口程序，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)有源濾波器數(shù)據(jù)的采集、顯示、處理和存儲(chǔ)。調(diào)試結(jié)果表明，該串口通信設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)有源濾波器的監(jiān)控。
關(guān)鍵詞： 有源濾波器；串口通信；Visual C++；MSComm

　在工礦企業(yè)中，非線性電力負(fù)荷的大量增加使電網(wǎng)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(wǎng)諧波，提高電能質(zhì)量，已成為諧波補(bǔ)償?shù)囊环N發(fā)展趨勢(shì)。隨著電網(wǎng)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(jiān)控的一些動(dòng)態(tài)參數(shù)（如電壓、電流、諧波等）上傳給上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和處理。串口通信是上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)交換常使用的方法之一，它具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、連線少、成本低和抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。因此，在本監(jiān)控系統(tǒng)中本文采用RS-232串行通信方式完成上下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。如果需要長(zhǎng)距離傳輸，可以加Modem使用電話網(wǎng)或是直接使用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。
1 有源濾波器與上位機(jī)通信的硬件設(shè)計(jì)
　有源濾波器設(shè)計(jì)采用并聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電網(wǎng)電流經(jīng)電流互感器按比例轉(zhuǎn)換成低電流，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器采樣后讀入DSP控制模塊，DSP運(yùn)用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，再利用該信號(hào)和實(shí)際的補(bǔ)償電流設(shè)計(jì)滯環(huán)比較器，產(chǎn)生PWM信號(hào)控制主電路生成合適的補(bǔ)償電流回饋給電網(wǎng)，以消除電網(wǎng)諧波。
為了完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，DSP控制模塊通過(guò)擴(kuò)展異步通信芯片TL16C750實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(diǎn)，可由軟件設(shè)定16 B或64 B的FIFO，波特率最高可達(dá)1 Mb/s，具有可編程的串行數(shù)據(jù)發(fā)送格式[2]。它的片內(nèi)寄存器選擇信號(hào)線A0~A2和數(shù)據(jù)線D0~D7直接與DSP相連；片選信號(hào)、讀寫(xiě)信號(hào)、接收準(zhǔn)備好和發(fā)送準(zhǔn)備好信號(hào)等控制信號(hào)通過(guò)CPLD邏輯電路與DSP相連，以便完成對(duì)TL16C750的控制。TL16C750接收上位機(jī)傳來(lái)的命令，并將下位機(jī)并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。
　由于RS-232端口的電氣特性規(guī)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(shè)計(jì)采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232，完成TTL電平到RS-232電平的轉(zhuǎn)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(jī)通信的硬件原理框圖如圖1所示。

2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
　通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定，它規(guī)定了數(shù)據(jù)接收方和數(shù)據(jù)發(fā)送方需共同遵守的某種數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、糾錯(cuò)方式等，是串口通信的基礎(chǔ)[3]。本設(shè)計(jì)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(yàn)，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位，并采用十六進(jìn)制數(shù)據(jù)格式來(lái)表示指令代碼和數(shù)據(jù)，格式如下：
　起始字節(jié) 地址碼 功能碼 參數(shù)代號(hào) 操作數(shù) 結(jié)束字節(jié)
　指令代碼和數(shù)據(jù)都采用定長(zhǎng)格式，起始字節(jié)為A5，結(jié)束字節(jié)為5A，沒(méi)有參數(shù)的字節(jié)用FF填充。其中，操作數(shù)為2 B，其他為1 B。
　地址碼為1 B，在多機(jī)通信中，每個(gè)下位機(jī)有唯一的地址碼，以響應(yīng)與該地址相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。由于本機(jī)還處于試驗(yàn)調(diào)試階段，本文采用最簡(jiǎn)單的單機(jī)通信，即只有一臺(tái)下位機(jī)，該下位機(jī)地址碼為01H。
功能碼包括查詢(xún)命令、讀命令和寫(xiě)命令，每個(gè)功能碼是1 B，由上位機(jī)發(fā)送給下位機(jī)，告訴下位機(jī)執(zhí)行何種動(dòng)作。本通信中查詢(xún)命令、讀命令和寫(xiě)命令功能碼分別為25H、26H和27H，分別告訴下位機(jī)執(zhí)行查詢(xún)從機(jī)、讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù)操作。
　首先，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送查詢(xún)從機(jī)命令，命令格式為：A5+地址碼+查詢(xún)命令（25H）+FF FF FF 5A。下位機(jī)接收到命令后，上傳特定數(shù)據(jù)給上位機(jī)，以完成上下位機(jī)的握手。
通信指令包括一條讀指令和一條寫(xiě)指令。
　讀指令格式為：A5+地址碼+讀命令（26H）+FF FF FF 5A。
　返回?cái)?shù)據(jù)為電壓、電流、諧波電流、小數(shù)點(diǎn)位置。
　寫(xiě)指令格式為：A5+地址碼+寫(xiě)命令（27H）+參數(shù)代號(hào)+被寫(xiě)入?yún)?shù)值+5A。
　當(dāng)上位機(jī)將讀指令發(fā)送給下位機(jī)時(shí)，下位機(jī)將采集的電壓、電流、諧波電流和小數(shù)點(diǎn)位置上傳給上位機(jī)。小數(shù)點(diǎn)位置用1 B表示，其他參數(shù)由2 B組成，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。
　寫(xiě)指令中的參數(shù)代號(hào)是指有源濾波器中需要修改的參數(shù)，如01H表示波特率，02H表示小數(shù)點(diǎn)位置。被寫(xiě)入?yún)?shù)值用2 B表示，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。比如，寫(xiě)指令為A5 01 27 01 80 25 5A，則表示要將下位機(jī)的波特率改為9 600 b/s。第一個(gè)01H表示從機(jī)地址，27H表示寫(xiě)命令，第二個(gè)01H表示需要修改波特率，要修改成的數(shù)據(jù)是2580H，十進(jìn)制為9 600。
3 串行通信軟件設(shè)計(jì)
　串口通信軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)的DSP串口編程和上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)兩部分。下位機(jī)的串口編程主要由串口初始化和通信協(xié)議組成，它接收上位機(jī)傳來(lái)的指令，并根據(jù)指令作出相應(yīng)處理。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括串口配置和后續(xù)數(shù)據(jù)處理，它向下位機(jī)發(fā)送命令，并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算和保存。
3.1 下位機(jī)串口軟件設(shè)計(jì)
　下位機(jī)的串口編程首先要完成串口的初始化，也就是設(shè)置操作所需要的參數(shù)，如設(shè)定串行通信中字符的格式、波特率和工作方式等。在本系統(tǒng)中，異步通信芯片采用TL16C750，它內(nèi)部有11個(gè)寄存器，占用7個(gè)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(guò)控制地址線A0、A1、A2和線路控制寄存器的除數(shù)寄存器選通位D7來(lái)選通不同寄存器，以便進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
在異步串行通信中，一方的發(fā)送數(shù)據(jù)波特率一定要和對(duì)方的接收數(shù)據(jù)波特率相同[4]，本系統(tǒng)設(shè)置波特率為9 600 b/s，又因TL16C750的晶振是14.745 6 MHz，根據(jù)“發(fā)送波特率=輸入時(shí)鐘頻率÷除數(shù)寄存器內(nèi)容÷16”可得波特率除數(shù)寄存器（低位地址是4000H，高位地址是4001H，選擇該地址時(shí)，線路控制寄存器的D7=1）內(nèi)容為96，轉(zhuǎn)化成十六進(jìn)制是0060H。
　線路控制寄存器地址為4003H，它既是可寫(xiě)的也是可讀的，該寄存器中的內(nèi)容規(guī)定了通信中一幀的格式。本系統(tǒng)選擇通信格式為8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位，1 bit偶校驗(yàn)，因此線路控制寄存器的值為1B。
　系統(tǒng)工作在中斷方式下，允許接收錯(cuò)、發(fā)送寄存器空和接收數(shù)據(jù)就緒中斷，因此中斷允許寄存器（地址為4001H，選擇該地址時(shí)線路控制寄存器的D7=0）的值為07H。
　將TL16C750的接收準(zhǔn)備好信號(hào)（RXRDY）和發(fā)送準(zhǔn)備好信號(hào)（TXRDY）與DSP系統(tǒng)的外部中斷1（INT1）和中斷3（INT3）相連。當(dāng)DSP接到串口中斷時(shí)，先屏蔽掉系統(tǒng)的其他中斷請(qǐng)求，然后將RXREADY賦值為1，以便用來(lái)判斷DSP是否完成了此中斷響應(yīng)。如果鍵盤(pán)沒(méi)有終止串口通信，則將存入緩沖存儲(chǔ)器組的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。串口通信的中斷子程序流程圖如圖2所示。

3.2 上位機(jī)串口通信軟件設(shè)計(jì)
　上位機(jī)程序使用Visual C++作為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。Visual C++在串口通信方面功能很強(qiáng)，不僅操作簡(jiǎn)單、代碼執(zhí)行速度快，而且界面設(shè)計(jì)比較好[5]。使用Visual C++進(jìn)行串口開(kāi)發(fā)有多種方法，如Windows API通信函數(shù)、MSComm ActiveX串行通信控件、Visual C++運(yùn)行庫(kù)函數(shù)，第三方編寫(xiě)通信類(lèi)都可以實(shí)現(xiàn)串口編程。本設(shè)計(jì)采用MSComm ActiveX串行通信控件來(lái)編寫(xiě)通信程序。
　MSComm ActiveX串行通信控件是Microsoft公司提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的ActiveX控件[6]。它提供了事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢(xún)方式兩種處理通信的方式。查詢(xún)方式是通過(guò)檢查CommEvent屬性值來(lái)查詢(xún)事件和錯(cuò)誤，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理；而事件驅(qū)動(dòng)方式是在串口發(fā)生事件或錯(cuò)誤時(shí)，產(chǎn)生OnComm事件進(jìn)行相應(yīng)的處理，它響應(yīng)及時(shí)，可靠性高，因此本文選用事件驅(qū)動(dòng)方式。
　首先在VC中建立一個(gè)基于對(duì)話框的應(yīng)用程序，在該MFC項(xiàng)目中插入Microsoft Communication Control控件。在使用該控件前，先要對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置，主要包括選擇COM口以及設(shè)置輸入方式、波特率、數(shù)據(jù)位、檢驗(yàn)位、停止位、發(fā)送緩沖區(qū)大小和接收緩沖區(qū)大小等。當(dāng)然不要忘記打開(kāi)串口，因?yàn)樵?2 bit Windows中，串口和其他通信設(shè)備都被作為文件進(jìn)行處理，在使用前必須先將其打開(kāi)。部分初始化程序如下：
    m_ctrlComm.SetCommPort（1）；   //選擇COM1
    m_ctrlComm.SetInputMode（1）；//輸入方式為二進(jìn)制方式
    m_ctrlComm.SetInBufferSize（1024）；
//設(shè)置輸入緩沖區(qū)大小
    m_ctrlComm.SetOutBufferSize（1024）；
//設(shè)置輸出緩沖區(qū)大小
    m_ctrlComm.SetSettings（bc1）； //設(shè)置波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位。其中bc1是從串口參數(shù)設(shè)置組合框中得到并經(jīng)sprintf（）函數(shù)格式化后的字符串
    if（!m_ctrlComm.GetPortOpen（））
        m_ctrlComm.SetPortOpen（TRUE）；//打開(kāi)串口
    m_ctrlComm.SetRThreshold（1）； //參數(shù)1表示每當(dāng)串口接收緩沖區(qū)中有多于或等于1個(gè)字符時(shí)將引發(fā)一個(gè)接收數(shù)據(jù)的OnComm事件
    m_ctrlComm.SetSThreshold（1）；//參數(shù)1表示當(dāng)傳輸緩沖區(qū)完全空時(shí)將引發(fā)一個(gè)接收數(shù)據(jù)的OnComm事件
    m_ctrlComm.SetInputLen（0）；
//設(shè)置當(dāng)前接收區(qū)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0
    m_ctrlComm.GetInput（）；  
//先預(yù)讀緩沖區(qū)以清除殘留數(shù)據(jù)
　初始化完成后，按照通信協(xié)議在查詢(xún)?cè)O(shè)備和開(kāi)始采集按鈕所對(duì)應(yīng)的函數(shù)Oncheck（）和Onstart（）中編寫(xiě)發(fā)送命令的字符串。為了定時(shí)發(fā)送讀指令，在Onstart（）函數(shù)中添加計(jì)時(shí)器函數(shù)SetTimer（），當(dāng)采集結(jié)束時(shí)，一定要清除該計(jì)時(shí)器。函數(shù)如下：
SetTimer（1，1000，NULL）；
//創(chuàng)建一個(gè)計(jì)時(shí)器，每秒發(fā)送一次讀指令
KillTimer（1）； //銷(xiāo)毀該計(jì)時(shí)器
　當(dāng)接收緩沖器中有數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)觸發(fā)OnComm事件，因此要在MSComm控件相應(yīng)的消息響應(yīng)函數(shù)OnOnCommMscomm1（）中編寫(xiě)數(shù)據(jù)處理程序。由于串口通信接收和發(fā)送數(shù)據(jù)類(lèi)型只能是VARIANT，因此要將數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成CString類(lèi)，處理后將其保存到與之相連接的SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)的表中，以便在主界面中進(jìn)行顯示和相應(yīng)數(shù)據(jù)的處理。
4 串口調(diào)試
　串口屬性設(shè)計(jì)完成后，運(yùn)行主界面，單擊串口設(shè)置按鈕，進(jìn)入串口通信界面，運(yùn)行界面如圖3所示。
首先單擊串口參數(shù)設(shè)置按鈕，設(shè)置串口通信的波特率、檢驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位和停止位。波特率選擇9 600 b/s，1 bit偶校驗(yàn)，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位。設(shè)置完成后單擊設(shè)備查詢(xún)，上位機(jī)將會(huì)向下位機(jī)發(fā)送設(shè)備查詢(xún)命令，下位機(jī)收到查詢(xún)命令后，將返回相同的數(shù)據(jù)，如圖3中的a5 01 25 ff ff ff 5a，就是下位機(jī)返回給上位機(jī)的數(shù)據(jù)。上位機(jī)接收到該數(shù)據(jù)，說(shuō)明上下位機(jī)完成握手，數(shù)據(jù)能在兩者之間進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送。

　單擊開(kāi)始采集按鈕，上位機(jī)定時(shí)向下位機(jī)發(fā)送讀指令，下位機(jī)接收到讀命令后，將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。為了更加清楚地查看數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，本文在串口對(duì)話框中加一個(gè)編輯框，用來(lái)顯示下位機(jī)傳給上位機(jī)的數(shù)據(jù)，如圖3中的98 08 22 00 09 00 01就是下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)。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(shù)，因此轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制電壓是220 V，電流是3.4 A，諧波電流是0.9 A。
　當(dāng)需要修改下位機(jī)相關(guān)參數(shù)時(shí)，將寫(xiě)命令填寫(xiě)到圖3最下邊的編輯框中，然后單擊寫(xiě)命令按鈕，即會(huì)向下位機(jī)發(fā)送修改命令。
　為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)有源濾波器的監(jiān)控，本文設(shè)計(jì)了有源濾波器與上位機(jī)的RS-232串口通信，并詳細(xì)介紹了串口通信的硬件電路、通信協(xié)議和軟件編程。下位機(jī)使用C和匯編語(yǔ)言混合編程，上位機(jī)使用Visual C++完成界面設(shè)計(jì)，并編寫(xiě)MSComm通信控件。通過(guò)串口調(diào)試可知，該設(shè)計(jì)能夠完成上位機(jī)對(duì)有源濾波器的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
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