基于有源滤波器的串口通信设计与实现

摘 要： 介绍了基于DSP的并联有源滤波器与上位机的RS-232串口通信设计，给出了DSP串行通信的硬件接口电路和通信协议，并完成了串口通信的软件编程。下位机使用C语言和汇编语言混合编程，上位机采用Visual C++设计界面，并用串口控件MSComm编写串口程序，实现上位机对有源滤波器数据的采集、显示、处理和存储。调试结果表明，该串口通信设计可以实现上位机对有源滤波器的监控。
关键词： 有源滤波器；串口通信；Visual C++；MSComm

　在工矿企业中，非线性电力负荷的大量增加使电网谐波污染日益加剧。而有源滤波器APF（Active Power Filter）能够有效地滤除电网谐波，提高电能质量，已成为谐波补偿的一种发展趋势。随着电网智能化的提高，仅仅完成谐波的滤除是不够的，还需要将有源滤波器所处理监控的一些动态参数（如电压、电流、谐波等）上传给上位机，以实现电网数据的实时监测、分析和处理。串口通信是上位机与下位机数据交换常使用的方法之一，它具有数据传输可靠、连线少、成本低和抗干扰强等优点[1]。因此，在本监控系统中本文采用RS-232串行通信方式完成上下位机的数据交换。如果需要长距离传输，可以加Modem使用电话网或插件电感是直接使用无线通信网络。
1 有源滤波器与上位机通信的硬件设计
　有源滤波器设计采用并联型拓扑结构，电网电流经电流互感器按比例转换成低电流，经A/D转换器采样后读入DSP控制模块，DSP运用瞬时无功功率理论计算出补偿电流的指令信号，再利用该信号和实际的补偿电流设计滞环比较器，产生PWM信号控制主电路生成合适的补偿电流回馈给电网，以消除电网谐波。
为了完成数据的实时传输，DSP控制模块通过扩展异步通信芯片TL16C750实现系统的高速串行通信。TL16C750具有集成度高、使用方便及兼容性好等特点，可由软件设定16 B或64 B的FIFO，波特率最高可达1 Mb/s，具有可编程的串行数据发送格式[2]。它的片内寄存器选择信号线A0~A2和数据线D0~D7直接与DSP相连；片选信号、读写信号、接收准备好和发送准备好信号等控制信号通过CPLD逻辑电路与DSP相连，以便完成对TL16C750的控制。TL16C750接收上位机传来的命令，并将下位机并行数据转换成串行数据上传给上位机。
　由于RS-232端口的电气特性规定逻辑1是-3 V~ -15 V，逻辑0是+3 V~+15 V，与TTL电平不兼容。因此，本设计采用电平转换芯片MAX3232，完成TTL电平到RS-232电平的转换。然后将MAX3232的T1out和R1in接到PC的串口上。有源滤波器与上位机通信的硬件原理框图如图1所示。

2 通信协议设计
　通信协议是指通信双方的一种约定，它规定了数据接收方和数据发送方需共同遵守的某种数据格式、同步方式、传送速度、纠错方式等，是串口通信的基础[3]。本设计采用主从式、半双工通信方式，波特率选择9 600 b/s，1 bit偶校验，8 bit数据位，1 bit停止位，并采用十六进制数据格式来表示指令代码和数据，格式如下：
　起始字节 地址码 功能码 参数代号 操作数 结束字节
　指令代码和数据都采用定长格式，起始字节为A5，结束字节为5A，没有参数的字节用FF填充。其中，操作数为2 B，其他为1 B。
　地址码为1 B，在多机通信中，每个下位机有唯一的地址码，以响应与该地址相应的数据信息。由于本机还处于试验调试阶段，本文采用最简单的单机通信，即只有一台下位机，该下位机地址码为01H。
功能码包括查询命令、读命令和写命令，每个功能码是1 B，由上位机发送给下位机，告诉下位机执行何种动作。本通信中查询命令、读命令和写命令功能码分别为25H、26H和27H，分别告诉下位机执行查询从机、读数据和写数据操作。
　首先，上位机向下位机发送查询从机命令，命令格式为：A5+地址码+查询命令（25H）+FF FF FF 5A。下位机接收到命令后，上传特定数据给上位机，以完成上下位机的握手。
通信指令包括一条读指令和一条写指令。
　读指令格式为：A5+地址码+读命令（26H）+FF FF FF 5A。
　返回数据为电压、电流、谐波电流、小数点位置。
　写指令格式为：A5+地址码+写命令（27H）+参数代号+被写入参数值+5A。
　当上位机将读指令发送给下位机时，下位机将采集的电压、电流、谐波电流和小数点位置上传给上位机。小数点位置用1 B表示，其他参数由2 B组成，低字节在前，高字节在后。

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