基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统及其USB协议实现的方法

摘要

一种基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统及其USB协议实现的方法，其特征在于它是基于高性能控制芯片TMS32OF2812作为核心处理器，灵活方便的CH375作为USB通讯控制芯片，上位机功能完善丰富的应用软件作为其人机界面。本发明的优越性和技术效果在于利用高性能数字信号处理芯片实现各种复杂的发电机励磁控制规律，提高励磁系统的精度和速度，并通过灵活的USB接口和上位机功能完备的应用软件，实现丰富的通讯功能，包括：实现无遗漏的连续记录发电机中因各种断路故障而造成的系统振荡，系统频率突变以及系统动态过程的电流和电压变化；通过分析软件分析实时的电压电流曲线可以直接得出现有的工作状态的可靠性报告。

说明书

(一)技术领域：

本发明属于电机自动化领域，特别是一种基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统及其USB协议实现的方法。

(二)技术背景

电机自动化控制是电力系统自动化的重要领域，对整个电力系统的运行状况有重要影响。性能良好的励磁控制装置不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，目前发电机控制理论多采用线性控制理论，核心结构多为8位或16位单片机，通讯接口多为RS232串行通信，而发电机本身是一个非线性系统，因此非线性控制效果往往不能令人满意，这里一方面的原因是采用的核心结构多为单片机，运算速度和精度有限，加上外设的时间延迟，难以实现各种复杂的控制理论，另一方面，原有的励磁控制器通讯系统由于多采用RS232，速度有限，协议简单，难以实现复杂的传输功能，使对发电机运行状况的监控和分析手段有限，从而降低了发电机的运行性能。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统及其USB协议实现的方法，它能首先利用高性能的DSP芯片实现信号的高精度和快速处理，然后通过灵活的USB通讯通道，将各种数据按照不同要求传输到上位机，上位机通过应用软件实现对发电机运行状况的监控和分析功能：实现无遗漏的连续记录发电机中因各种断路故障而造成的系统振荡，系统频率突变以及系统动态过程的电流和电压变化；通过分析软件分析实时的电压电流曲线可以直接得出现有的工作状态的可靠性报告。

本发明的技术方案：一种基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统，包括信号采集电路，励磁系统的上位机与下位机，其特征在于所说的上位机是由基于USB接口的PC工作平台，所说的下位机是基于DSP芯片的发电机励磁控制器，上位机与下位机间依USB控制芯片，实现其数据传输。

上述所说的信号采集电路由电压电流传感器，电流交流采样前端电路组成；交流采样前端电路将采集的电压、电流信号处理后送入中央数据处理电路中的A/D模块输入端。

上述所说的下位机是指以DSP为核心的励磁控制器，励磁控制器通过信号采集电路和内部数字信号处理程序将运算所得的重要数据放入指定存储区，用于与上位机的数据交换。

上述所说的USB控制芯片指的是通过并行数据线与下位机相连，并通过USB接口和通讯电缆与上位机相连，实现上位机与下位机之间的数据的USB格式传输的转换芯片。下位机通过数据线，地址选通线及其他辅助线与USB控制芯片相连。

一种基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统中实现上位机与下位机间的USB协议实现的方法，其特征在于它是由以下步骤所构成：(1)前端电路及片上模数转换电路实现数据的采集(2)DSP芯片实现数据的运算处理及存储，(3)下位机端通过USB控制芯片实现协议转换；(4)上位机通过驱动程序和应用程序实现对硬件I/O口的访问和数据的分析处理。

上述所说的步骤(1)前端电路利用互感器将发电机二次侧的高电压、大电流转换小范围的电压信号，并通过进一步的比例运放电路，限幅电路、滤波电路将得到的适合片上模数转换模块的小信号，然后通过片上模数转换电路得到各种电压电流的数字量信号。

上述所说的步骤(2)中DSP芯片将模数转换得到的数字量通过交流采样算法得到各种数据，在完成控制规律用于控制输出的同时，将数据存入指定的存储区，用作与上位机数据通讯所用。

上述所说的步骤(3)中利用USB控制芯片作为中间协议转换装置，配合下位机实现USB传输协议；下位机通过中断程序，将下位机送到控制芯片缓冲区的数据自动打包成为符合USB传输协议的数据帧送往上位机或是将上位机传输来的帧解析得到实际想要的数据送往下位机。

上述所说的步骤(4)的驱动程序采用WDM层次型驱动模型，首先设置驱动程序与USBD总线驱动程序的调用接口，然后读取USB设备的各种描述符，取得可用的配置接口和端点，查找合适的接口描述符，为每个接口选择传输通道类型，并建立相应的接口描述符标，以便应用程序为每个接口与USB设备通信。

上述所说的步骤(4)的应用程序对设备I/O进行Win32调用，这个调用由I/O系统服务接受，I/O管理器从这个请求构造一个合适的I/O请求包，I/O管理器将IRP传递给层次式的驱动程序，最终由最底层驱程完成于硬件打交道。

本发明的工作原理：信号采集电路把发电机电压互感器二次侧电压及电流互感器二次测电流变换为较低幅值交流电压，经多路选择开关及片上模数转换变为数字量信号送入以DSP为核心的中央数据处理器中，中央处理器一方面对输入量按选定的控制规律计算出可控硅的触发角，一方面对计算过程中所得的重要数据存入特定存储区，方便USB通讯系统进行存取，USB控制芯片通过中断请求实现对特定存储区的存取，同时通过外置固件实现协议转换，完成于上位机的通信，上位机通过应用软件通过调用Win32API函数完成对硬件I/O口的操作。

本发明的优越性和技术效果在于：利用高性能控制芯片DSP实现各种复杂的发电机励磁规律，并通过灵活的USB通讯系统与励磁控制器结合，实现高速灵活的数据通信，通过上位机分析软件实现：

(1)实现无遗漏的连续记录发电机中因各种断路故障而造成的系统振荡，系统频率突变以及系统动态过程的电流和电压变化；

(2)通过分析软件分析实时的电压电流曲线可以直接得出现有的工作状态的可靠性报告；

(3)通过各种起励试验和模拟故障试验观测电力系统暂态运行状况，比较各种控制理论的优越性比较，为优化参数提供参考。

(四)附图说明

附图1位本发明所涉“基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统及其USB协议实现的方法”中的总体结构示意图。

附图2为本发明所涉“基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统及其USB协议实现的方法”的下位机流程图。

附图3为本发明所涉“基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统及其USB协议实现的方法”USB驱动程序结构层次图。

附图4为本发明所涉“基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统及其USB协议实现的方法”设备驱动程序调用示意图。

附图5为本发明所涉“基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统及其USB协议实现的方法”电压电流信号收集前端电路示意图。

(五)具体实施方案

实施例：一种基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统其特征在于它已美国德州仪器最新推出的高性能电机控制专用DSP芯片TMS320 F2812为中央处理器，信号采集前段电路和A/D转换电路；同时DSP将计算所得的重要数据放在指定存储区域，通过USB通讯接口芯片CH375实现USB固件程序，下位机配合实现USB传输协议实现，上位机端通过位机通过驱动程序和应用程序实现对硬件I/O口的访问和数据的分析处理(结构示意图如图1)。

上述所说的信号采集前端电路利用从互感器转换来的发电机二次侧的高电压、大电流转换为0～3V的电压信号，如图5，并利用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，R24、R252、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器阻容滤波电路，所得的信号经光电隔离后直接送入DSP的16个A/D转换通道。

上述所说的片上A/D转换所得的数字信号存入指定缓冲区，CPU通过快速傅立叶变换计算电压电流的有效值并与参考值进行运算处理，实现复杂的控制算法，最后得出下一步的触发角，输出控制可控硅功率电路。

一种基于DSP芯片的励磁控制器通讯系统USB协议的实现方法由固件程序、单片机程序、上位机驱动程序、上位机应用程序步骤组成：

上述所说的下位机端USB固件程序的编写：

CH375是南京沁恒公司开发的一种专用于USB总线的通用接口芯片，设备方式内置了USB通讯中的底层协议，具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式，在内置固件模式下，CH375自动处理默认断点0的所有事物，本地单片机(这里指DSP)只要负责数据交换。在外置固件模式下，由外部单片机根据需要自行处理各种USB请求。在此选用外部固件模式，DSP端需要根据要求做以下工作(流程图如图2)：

(一)DSP启动后，首先初始化CH375为使用外部固件的USB设备模式，然后设置中断。

(二)当DSP收到中断后，使用GET-STATUS命令获取中断状态，分析处理如下：

(1)如果是端点2或1的OUT成功，则使用RD-USB-DATA命令读取数据再通知主程序处理。

(2)如果是端点2或1的IN成功，则使用UNLOCK-USB释放缓冲区再通知主程序处理。

(3)如果是端点0的SETUP成功，则使用RD_USB_DATA命令读取数据，分析处理如下：

①如果是USB请求CLEAR_FEATURE，那么根据请求中的FEATURE以及端点号等分析处理，对于ENDPOINT_HALT，可以使用SET_ENDP命令。

②如果是USB请求GET_DESCRIPTOR，那么使用WR_USB_DATA3命令返回描述符的前8个字节，并保存该USB请求命令以及当前描述符计数，以便后面继续返回。

③如果是USB请求SET_ADDRESS，那么保存该USB请求命令。

④如果是USB请求SET_CONFIG，那么保存设置值，通知主程序USB初始化成功与否。

⑤如果是USB请求GET_CONFIG，那么使用WR_USB_DATA3命令返回当前配置值。

⑥如果是USB请求GET_INTERFACE，那么使用WR_USB_DATA3命令返回当前接口值。

⑦如果是USB请求GET_STATUS，那么使用WR_USB_DATA3命令返回当前状态值。

⑧其余USB请求根据需要处理，不支持则使用SET_ENDP2或3命令设置应答为STALL。

(4)如果是端点0的OUT成功，则使用RD_USB_DATA命令读取数据，可以放弃数据。

(5)如果是端点0的IN成功，则根据已经保存的USB请求命令处理如下：

①如果是USB请求GET_DESCRIPTOR，那么使用WR_USB_DATA3命令继续返回剩余描述符。

②如果是USB请求SET_ADDRESS，那么使用SET_USB_ADDR命令设置USB地址。

③任何USB请求包括上述请求，在中断退出前使用UNLOCK_USB命令。

(6)如果是USB总线复位，则清配置值等，CH375会自动清USB地址和同步触发标志。

(7)对于任何一个CH375中断，必须唯一对应一个UNLOCK_USB命令或者RD_USB_DATA命令。

上述所说的上位机驱动程序的编写：

在USB设备的驱动程序中(结构图如图3)，同样采取微软的WDM结构，开发WDM驱动程序有两种方法，一种利用微软提供的98DDK和2000DDK驱动程序开发包，另一种是专用驱动程序开发工具，如CompuWare NUMEGA公司的DriverStudio和JUNGO公司的WinDriver。

对于南京沁恒公司的CH375USB控制芯片来说，最快速的方法是直接修改其通用驱动程序的源代码，再用Windows的DDK重新编译来生成自己所需的驱动例程。CH375的通用驱动程序本身具备了对控制传输、批量传输、中断传输等的I/O控制码的全功能解释。

对于南京沁恒公司的CH375USB控制芯片来说，最快速的方法是直接修改其通用驱动程序的源代码，再用Windows的DDK重新编译来生成自己所需的驱动例程。CH375的通用驱动程序本身具备了对控制传输、批量传输、中断传输等的I/O控制码的全功能解释。

上述所说的上位机应用程序的编写：

应用程序对设备I/O进行Win32调用(如图4)，这个调用有I/O系统服务接受，I/O管理器从这个请求构造一个合适的I/O请求包，I/O管理器将IRP传递给层次式的驱动程序，最终由最底层驱程完成于硬件打交道。

CH375在计算机端提供了应用层接口，应用层接口是由CH375动态链接库DLL提供的面向功能应用的API，所有的API在调用后都有操作状态返回，但不一定有应答数据。

CH375动态链接库提供的API包括：设备管理API，数据传输API，中断处理API。

同时，利用微软提供的VC++及MFC框架类函数实现对数据的各种显示：包括实时曲线显示电压电流数据，有功功率和无功功率周期曲线；实现无遗漏的连续记录发电机中因各种断路故障而造成的系统振荡，系统频率突变以及系统动态过程的电流和电压变化；通过分析软件分析实时的电压电流曲线可以直接得出现有的工作状态的可靠性报告。