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。
功能碼包括查詢命令,、讀命令和寫命令,，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,。本通信中查詢命令,、讀命令和寫命令功能碼分別為25H、26H和27H,，分別告訴下位機(jī)執(zhí)行查詢從機(jī),、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)操作,。
　首先,，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送查詢從機(jī)命令，命令格式為：A5+地址碼+查詢命令（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,。
　寫指令格式為：A5+地址碼+寫命令（27H）+參數(shù)代號(hào)+被寫入?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,。被寫入?yún)?shù)值用2 B表示,，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后,。比如,，寫指令為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)，第三方編寫通信類都可以實(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)方式和查詢方式兩種處理通信的方式,。查詢方式是通過(guò)檢查CommEvent屬性值來(lái)查詢事件和錯(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?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，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,，上位機(jī)將會(huì)向下位機(jī)發(fā)送設(shè)備查詢命令,，下位機(jī)收到查詢命令后，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),，將寫命令填寫到圖3最下邊的編輯框中，然后單擊寫命令按鈕,，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,。
參考文獻(xiàn)
[1] 曹衛(wèi)彬.C/C++串口通信典型應(yīng)用實(shí)例編程實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.
[2] TL16C750 data sheet[DB/OL].[2011-12-16].http：//www.icpdf.com/partnoview.asp,？id=733855_128973.
[3] 王曉麗.基于串口通信的摩托車前照燈檢測(cè)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,，2009，38（2）：66-68.
[4] 劉樂(lè)善,，歐陽(yáng)星明,，劉學(xué)清.微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.
[5] 龔建偉,，熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2008.
[6] 王春曉，劉海.基于VB和MSComm的APF監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),，2010,，23（12）：20-21.