EtherCAT是一个可用于现场级的超高速I/O网络，它使用标准的以太网物理层和常规的以太网卡，传输介质可为双绞线或光纤。一般常规的工业以太网都是采用先接收通信帧，进行分析后作为数据送入网络中各个模块的通信方式，而EtherCAT的以太网协议帧中已经包含了网络中各个模块的数据。EtherCAT技术已经完成，专门的ASIC芯片也在实现之中。目前市场上已提供了从站控制器，EtherCAT的规范也成为了IEC/PAS文件。图1-19 EtherCAT通信协议模型......
2023-11-20
软件总体设计-现场总线与工业以太网应用技术
【摘要】：由于TMS320LF2407A是定点DSP，用C语言实现快速傅里叶变换不必考虑定点数定标的问题，也不必担心定点数溢出的问题，C语言有float型变量，其取值范围为1.19209290e-38～1.19209290e+38，完全可以满足快速傅里叶计算的量程范围。由任务要求可知，软件设计的重点是电网电压、电流的数据采集和数据处理，这些程序设计的优劣直接影响仪表的测量精度和运算速度。软件设计主要包括数据采集、数据处理和数据通信几部分。
由于TMS320LF2407A是定点DSP，用C语言实现快速傅里叶变换不必考虑定点数定标的问题，也不必担心定点数溢出的问题，C语言有float型变量，其取值范围为1.19209290e-38～1.19209290e+38，完全可以满足快速傅里叶计算的量程范围。使用C语言编写FFT算法，具有逻辑清晰、易于开发等优点。其中计算实部和谐波的循环次数为Nlog2N次，其运算低，使用DSP执行此函数时所需时间仅为几百微秒。为了进一步提高执行速度，可以将程序中计算正弦、余弦的函数用固定的数组代替，这样处理后，执行速度可以减少到几十微秒，完全能够满足实时处理的需要。
本软件系统完成的主要任务是测量电网电压、电流的各项电力参数，包括各相电压、电流的有效值、功率、电度、功率因数及谐波总畸变率等。由任务要求可知，软件设计的重点是电网电压、电流的数据采集和数据处理，这些程序设计的优劣直接影响仪表的测量精度和运算速度。另外，仪表还可以与上位机通信，以记录大量的数据信息。
软件设计主要包括数据采集、数据处理和数据通信几部分。数据采集模块所要完成的任务是实时测量电压、电流的信号周期，并将其均分128份后作为A/D转换的采样周期。
本系统测量周期为250ms，在一个测量周期内连续测量4个周波（80ms）的电压电流信号，其余时间用于计算和其他任务的处理。
本系统要求分析到31次谐波，为了保证精度，每周期采样128次。
电网中电力信号的周期大约是20ms，若每周期采样128次，则采样周期为20ms/128≈0.156ms=156μs，即要完成128次采样，所采用的A/D转换的转换时间不应超过156μs。本设计使用TMS320LF2407A内部的A/D转换模块，A/D转换时序如图9-9所示。
图9-9 A/D转换时序图
PS是预定的CPU时钟，它可以通过改变ADCTR1寄存器中的ACQ PS0～ACQ PS3位段域和CPS位来实现。当ACQ PS0～ACQ PS3位段域的值全为0，即预定标器的值为1，并且CPS为0时，PS时钟将和CPU时钟一样。对于预定标器的任何其他值，PS都会被放大（即增加了采样/保持窗口的时间）。TMS320LF2407A芯片一个完整的A/D转换周期约为500ns，远远小于采样周期156μs，完全可以满足交流采样的频率要求。(www.chuimin.cn)
测量电压频率时，将DSP的捕获引脚设置为上升沿捕获。如果捕获到电压上升沿就发生中断，将时基定时器1中的计数值自动读入到一个16位2级深的FIFO寄存器中。两次计数值之差就是电压信号周期。
测量出电压周期后，以此周期除每周期采样次数即可得到采样周期。下一步以得到的采样周期初始化定时器2，每到一个采样周期的时间，定时器2就会发生中断，启动A/D转换。这里分别对A相电流、电压，B相电流、电压，C相电流、电压和N相电流进行采样，由于每个采样通道间的采样间隔非常短，所以可以认为是同时采样7个通道。根据周期函数的定义，任意一个周期长度范围内的积分值均相等。也就是说，任意采样一个周期长度的波形，就能计算出电流、电压的有效值，以及谐波分量和功率等电力参数。因此，这里不用整周期采样，而是任意采样一段电压周期长度的波形。
数据处理模块的工作是根据A/D转换得到的结果进行快速傅里叶变换及采用FFT变换得到的各次谐波幅值计算出各种电力参数。在进行谐波计算时，可以得到各次谐波的实部和虚部，从而得到各次谐波相角的正切函数值，即用快速傅里叶变换既可以得到各次谐波的幅值，也可以求出它们对应的相角。
由于谐波分析法中已经具体阐述了FFT的理论推导和算法实现，所以这里只给出计算电压、电流的有效值，谐波总畸变率的算法公式。
电压、电流的有效值，有功功率，总谐波畸变率公式分别如下：
式中，N为每个周期均匀采样的点数；Uh为第h次谐波电压方均根值；Ih为第h次谐波电流方均根值；φh为第h次谐波电流的相角；θh为第h次谐波电压的相角。
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