矿热炉电量数据采集系统的设计与实现

郄文科，乔钢柱，郑现磊(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

矿热炉是一种需要巨大电流的工作系统，主要用于还原冶炼矿石，其自然功率因数很难达到0.85以上，绝大多数自然功率因数都在0.7到0.8之间[1]。较低的功率因数，导致矿热炉效率低下，成本增高，造成极大的能源浪费。提高矿热炉的功率因数对于降低成本，节约电能，减少资源浪费，提高产品产量具有重大意义[2-3]。

在矿热炉运行情况下，如果能连续提取其每相电的电压、电流信息参数，根据非正常电量信号征兆，运用智能技术对其进行评判，并依据诊断结果对矿热炉系统制定无功补偿策略，既能提高矿热炉的工作效率，又能真实反映其在正常工作环境下的状态信息，同时又能记载矿热炉在非正常工作状态下的电量信号，为工作人员排除故障提供数据依据。因此对矿热炉运行时电气参数进行监控有极其重要的意义[2]。

本文根据实时数据采集的概念及其发展现状，开发设计出以F2812为核心的矿热炉电量实时数据采集系统。利用组态王Kingview平台开发的数据监控系统可实现人机互动，系统维护方便，有效的实现了数据的采集，上传，存储的并列运行。

1 矿热炉数据采集与存储系统研究现状

矿热炉电量数据采集是获取电量信号的过程：首先使用电压传感器、电流传感器将初始电量信号转换为较低的电量信号；然后，该信号经滤波处理后由模数转换器转换为数字信号；最后控制处理器采集该信号，并对其进行处理分析，将结果存储、显示出来[4]。目前在矿热炉数据采集系统中，主要有三种采集方案，一种是以PLC为主控制器，以模数转换模块作为采集单元的数据采集系统；第二种是以单片机为核心，以外围器件构成的采集系统；最后一种是采用三相电子式多功能电能表+手持设备或PC机构成的数据采集系统。这三种电量数据采集方案各有优劣：

(1)以电能表构成的数据采集系统结构简单，价格低廉，但该系统软件编程相对复杂，且系统处理数据速度过慢。当数据采集量较大时，该系统将难以达到采集要求。故电能表构成的数据采集系统主要用于实时性要求不高的环境中。

(2)以单片机为核心构成的数据采集系统能够完成一般的数据采集要求，成本也非常低，但当该系统运行于比较恶劣的环境中时，容易受到干扰，且由于自身结构限制，当处理数据量较大时也难以胜任。

(3)以PLC为控制器构成的采集系统，抗干扰性强，采集的实时性也能达到要求，但是该系统需要指定的模数转换模块，既增加了系统的成本，又降低了系统的灵活性。

自上世纪80年代以来，随着数字信号处理技术，电子技术和集成电路技术的发展，数字信号处理器也得到了更广泛的应用。与传统采用冯·诺依曼结构的单片机不同，数字信号处理器采用哈佛结构和硬件乘法器，具有更快的运算速度和更高的计算精度。TMS320F2812是TI公司推出的32位定点DSP芯片，也是目前性价比最高的DSP芯片之一[5]。它不但具有强大的数字信号处理能力，而且还具有较为完整的事件管理能力和嵌入式控制功能，因此被广泛应用与工业控制，特别是应用于需要大批量数据处理的测控场合。

2 系统功能及硬件设计

2.1 数据采集与存储系统功能

由于我国工业用电电压频率大多都是50 Hz，因此系统需要在20 ms之内至少采集一次数据，并在电压变化的下一个周期发出控制指令。F2812最高运行频率可达到150 MHz，数据处理速度和响应时间完全可满足控制要求。通过SCI口把数据传送到上位机，利用上位机开发出人机界面，可以观察到电量信号的波动，同时，上位机通过数据库将数据储存，可大容量的储存数据，以备发生故障后，为工作人员检修工作提供可靠的数据依据。本文所搭建的实时数据采集存储系统结构如图1所示：

图1 系统结构图

该系统选用TMS320F2812 DSP作为核心处理器，负责信号控制以及数据采集。组态王作为上位机，负责数据实时显示，波形还原，存储与查询，从而实现本系统的功能：

(1)实时采集现场的电压、电流、功率等模拟量信息，并对数据进行准确的分析和处理，实现对监测点的负荷监测和电能计量；

(2)能够按照要求，对矿热炉进行负荷控制和电能控制，如设定功率和电能定值，在矿热炉用电接近或超过限额时，系统能够及时告警提示用户，并按照预定步骤进行处理；

(3)将处理过的数据传递给上位机，设计通信电路和通信协议软件；

(4)上位机对采集的数据进行存储和统计，形成各种历史数据，在月末形成各种月数据；

(5)上位机能够进行人机互动，包括采集信号的波形还原和查询处理。

2.2 硬件设备选型

由于实时监测系统本身需要采集的量很大，对采集率的要求也很高，并且系统要求实时电量波形的还原，故数据采集量更大，因此本系统采用了下位机进行数据采集，上位机使用数据库储存大量数据的方法。上位机可使用带有串口通信的普通PC，以便和DSP进行数据通信，并且完成数据存储和查询。

2.2.1 采集终端CPU选型

TMS320F2812(以下简称F2812)是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制等。选择F2812作为矿热炉数据采集系统终端CPU，基于以下考虑。

(1)具有很强的运算处理能力：F2812为32位数字信号处理器，其运行速度可达到150MIPS(每秒执行实时15亿条指令)；

(2)存储器资源丰富，片内拥有1K × 16-bit的单口随即存储器(SARAM)，和128K × 16-bit的FLASH存储器，在开发矿热炉数据采集处理系统时，基本不需要进行存储器扩展；

(3)丰富的通信接口，拥有两个SCI和一个SPI通信接口；

(4)丰富的GPIO口资源，能满足矿热炉数据采集系统的资源要求；

(5)支持JTAG在线仿真接口；

(6)128位系统密钥：防止系统中的软件程序被修改或读取；

(7)低功耗和节能模式。

2.2.2 外扩A/D转换器选型

虽然F2812具有12位模数转换模块，但是其A/D转换器输入不能大于3 V，实际应用中在没有外部校准电路的情况下，采集分辨率只能达到9位，而外部干扰比较大，为了防止因外部输入电压剧烈波动而导致DSP损坏，提高系统分辨率，简化DSP的软件编程，故采用外扩A/D转换器。

本设计采用的是TI公司生产的TLC1549模数转换器，其主要特点有[7]：具有内在的采用和保持，采用差分基准电源，采用高阻输入，片内时钟系统，可以按照比例量程转换测量范围。TLC1549工作频率主要取决于外部时钟周期，若时钟频率够高，它可以在30 ms内完成一次数据转换，完全能够满足实时数据采集的需要。TMS320TLC1549采用串行方式，使得该芯片只有8个引脚，用3根线与控制器接口即可，硬件结构非常简单。

2.2.3 组态软件硬件配置

本系统采用TI公司生产的TMS320F2812作为下位机和北京亚控公司的组态王Kingview6.53进行通信。组态王对于不同的硬件设施，只需为其配置相应的通信驱动程序。组态王支持的硬件设备有：可编程控制器(PLC)，智能模块，变频器，智能仪表等等。组态王所支持的通讯方式有：数据采集板，DDE通信，人机界面卡，网络模块，OPC和串口通讯。组态王支持串口通信，而F2812也具有串口通信功能，因此，可以采用串口通信方式实现DSP和组态王通讯[8]。

2.3 硬件电路设计

硬件系统的设计主要包括以下几个部分：

(1)DSP电源电路设计：TMS320F2812工作时所需要的电压分为两部分，一部分是3.3 V的FLASH电压，另外一部分是1.8 V的内核电压。

(2)DSP时钟电路设计：CPU的时钟脉冲由F2812内部振荡器OSC和基于锁相环PLL的时钟模块来实现。在F2812的X1和X2之间提供30 MHz的晶振，外部晶振通过片内振荡器OSC和PLL模块产生时钟信号CLKIN，提供给CPU。

(3)JTAG下载口电路设计：DSP在下载程序时需要下载端口，因此需要设计JTAG仿真烧写口。

(4)A/D转换电路设计：TLC1549的采集电路，包括信号输入端的滤波放大电路，以及F2812的控制电路设计。

(5)串口通信模块设计：本设计中采用MAX3232芯片将DSP的SCI口设计为RS232口，以便与组态王进行通信。

(6)人机接口模块：在组态王软件中开发出人机界面，包括波形还原和数据查询两大模块。

(7)数据存储模块：数据的存储可在上位机创建小型数据库进行储存管理。

3 系统软件设计

软件设计包括DSP数据采集，DSP与组态王通信，组态王界面开发三大部分。DSP程序使用C语言在CCS软件上开发，它需要实现的功能有外部中断使能，时钟信号送入A/D转换器，启动、停止A/D转换器，采集数据，数据计算，发送数据到上位机。软件流程图如图2所示：

图2 数据采集流程图

当F2812采集到数据后要将数据发送到组态王中。DSP与组态王的通信程序要严格按照组态王提供的通信协议编写。首先DSP要判断是否接收到一帧完整的数据，当数据接收完整后，判断是读数据还是写数据，并进行相应应答，流程图如3所示：

图3 DSP与组态王通信流程

组态王作为上位机，需要发送读取数据指令，并把读取到的数据还原为波形展现在显示器上，同时要把数据储存到数据库中。当需要查询某一时间内的数据时，能够查询历史数据，并显示该时间内数据波形。软件流程图如图4所示。

图4 组态王软件流程

4 系统测试

该实验的硬件部分主要有F2812开发板，TLC1549模数转换器。数据采集系统和通信系统软件在CCS3.3 平台下用C语言开发，人机界面使用组态王软件进行开发，数据库使用甲骨文公司的Mysql小型数据库。将软件系统和硬件平台结合，在实验室进行电量信号采集实验。使用较大功率的白炽灯作为负载，通过接触调压器和串联电阻，改变白炽灯的电源电压，模拟矿热炉电压、电流的变化。采集电压、电流值，对数据进行分析。

经过实验验证，本系统可达到实时检测的目的，并能实现实时波形还原，实际效果如图5所示。其中电压波形为红色(较粗)曲线，电流波形为绿色(较细)曲线。检测电压、电流的实时值可以显示出来。

图5 电量参数实时曲线

本系统能够实现历史数据的查询，如图6、7示：

图6 历史数据曲线

历史数据曲线通过调取数据库的数据内容，把电量信号进行还原，系统运行时，点击系统的左移、右移箭头，可以实现查询区域的改变，也可以在系统中设置改变查询区域变化量的大小(如改变查询区域为5 s，1 m，10 m等)。图6所示为原始数据曲线。当需要查看某一区域的数据时，可将所需查看区域局部放大，从而可以详细查看该区域数据，如图7所示：

图7 局部放大后的历史数据曲线

本图是将局部区域放大后的历史趋势曲线。游标的位置，即是用户所需查询的数据，通过移动游标，选择用户所需查询的位置，移动游标到某一位置，即可显示其所在位置的电量信号数据。

5 结束语

设计了一种基于DSP的高速数据采集系统，并开发出人机界面及存储系统，详细阐述了该系统的理论基础和设计思想，系统各模块的作用，软硬件的设计原理和方法。使用F2812作为核心处理器，完成对电量信号的采集，再将数据通过串口发送到上位机，做进一步的波形还原处理，并完成对数据的储存，达到大量数据采集和储存的设计目的。经实验测试，该系统可以满足工业要求，且能够完成历史数据查询和数据波形的还原。

参考文献：

[1] 郑元彬.矿热炉无功补偿及优化方案[J].铁合金，2011，42(3)：25-27.

[2] 金继光，龚祝平.矿热炉电量采集系统的研究与实践[J].铁合金，2008，39(6)：16-19.

[3] 李哲.基于PLC的矿热炉二次低压无功补偿测控系统的研制[D].西安：西安科技大学，2012.

[4] 孙元敏.基于DSP的数据采集处理系统的设计与实现[D].济南：山东大学，2008.

[5] 高阳，潘宏侠.基于DSP的电力设备远程监测分析系统[J].电力自动化设备，2010，30(1)：127-130.

[6] 姚鹏.矿热炉低压无功补偿系统设计[D].西安：西安建筑科技大学，2006.

[7] 李伟光，朱金华，彭永红.串行模数转换芯片TLC1549及其应用[J].机械工程师，2003(11)：36-38.

[8] 王树梁，任锴胜，王增才.DSP和组态王通讯方法的设计[J].煤矿机械，2010，31(12)：186-189.

[9] 刘杰，王慧.组态王与单片机多机串口通信的设计[J]电子设计工程，2009，17(7)：7-11.

[10] 顾卫钢.手把手教你学DSP——基于TMS320F2812[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[11] 徐科军，陶维青.DSP及其电气与自动化工程应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.