AD73360在電力負荷控制終端中的應(yīng)用

摘要：AD73360是適用于工業(yè)電表和多路輸入系統(tǒng)的可編程三相電量測試IC器件。文中介紹了ADSP-BF531與AD73360組成的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電力負荷控制終端中的設(shè)計和應(yīng)用方法。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；電力負荷；AD73360；ADSP-BF53l

O 引言
    電力負荷控制終端是安裝于用戶端的監(jiān)控設(shè)備，擔(dān)負著電力負荷管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、用戶控制、信息交流等重要任務(wù)，是電力負荷管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。它不僅可以接受負荷管理中心的遙控命令，按照中心發(fā)來的購電量或計劃用電指標實現(xiàn)當?shù)毓β屎碗娏靠刂疲乙部蓪⒂脩舻挠秒娗闆r返回給中心。
    在電力負荷控制終端中，數(shù)據(jù)采集精度直接影響著系統(tǒng)的工作性能。而在周期性電參量的測量中，進行同步采樣是準確測量實時信號的關(guān)鍵。除了要檢測每相電壓和電流值，它還要檢測彼此之間的相位，因此會要求對幾路信號進行同時采樣。本文在電力負荷控制終端產(chǎn)品開發(fā)中，選用數(shù)字信號處理器ADSP-BF531作為系統(tǒng)的技術(shù)核心，同時選用16位A／D轉(zhuǎn)換器AD73360作為系統(tǒng)的前向通道的核心器件。實踐表明，AD73360適用于作為電力參數(shù)測量的模擬前端器件，對電力參數(shù)的測量具有很好的精度和穩(wěn)定性。

1 AD73360簡介
    AD73360是ADl公司推出的可編程通用6通道16位精度串行模擬輸入前端處理器，是應(yīng)用于工業(yè)電表或多路輸入系統(tǒng)的三相電量測試IC器件。它的每個通道均由信號調(diào)理器、PGA (可編程增益放大器)、模擬∑-△調(diào)制器、抽樣器及串行端口等組成。由于其具有內(nèi)部PGA和獨立模擬前端，故可直接對微小的傳感器信號進行調(diào)理采集；∑-△型ADC一般不要求高精度的模擬電路。但需要將普通的信號轉(zhuǎn)化為差動信號后才可接入采集。而AD73360在前端設(shè)計了信號調(diào)理模塊，它允許用戶的輸入信號為單端或差動形式。因而可以有效減小外圍電路的數(shù)目和復(fù)雜程度。
    AD73360特別適合于要求同時采樣的工業(yè)控制應(yīng)用，它不僅適合于大信號應(yīng)用，也適合于小信號應(yīng)用。AD73360具有六個可同時采樣的模擬量輸入信道，這六個信道可同時采樣，并且無須CPU干預(yù)．從而可有效地減少由于采樣時間不同而產(chǎn)生的相位誤差。各個信道的采樣速率可以方便地利用控制字在8 kHz、16 kHz、32 kHz和64kHz中進行設(shè)定．所以特別適合于三相制電力運行參數(shù)測控類應(yīng)用(三個相電壓和三個相電流同時采樣)系統(tǒng)。
    此外，與并行接口相比，AD73360使用六線工業(yè)標準同步串行接口與CPU連接，因而其硬件連接線可以大為減少，這不僅可以減少印制電路板的面積，還可以減少電磁干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。[!--empirenews.page--]

2 采樣電路設(shè)計
    交流電壓、電流的采集是整個采樣裝置的核心之一。它的采樣精度將直接影響到電能計算的精度。由于負荷管理終端要經(jīng)常工作在惡劣的環(huán)境下，因此，在設(shè)計過程中，要考慮EMC電磁兼容性設(shè)計和去干擾尖脈沖，以利于FFT算法操作，并減少誤差。
    本設(shè)計由互相隔離的5 V模擬電源和3．3 V的數(shù)字電源分別為芯片供電。由于芯片的參考電壓的穩(wěn)定程度直接影響到采樣的精度，所以電路外接了TI公司的電壓基準源REF3040來為芯片AD73360提供參考電壓基準，并在基準電路中添加了電容對地濾波以消除干擾。由于是直接對電網(wǎng)的信號進行采集。電網(wǎng)中可能出現(xiàn)的浪涌電壓或電流會對采集電路造成很大的沖擊，所以，在互感器前端添加了扼流圈和壓敏電阻以增強其抗浪涌干擾的能力。
    由于AD73360使用的是過采樣技術(shù)(oversam-piing)，其前端信號通道只需要用簡單的一階低通濾波器即可消除混疊效應(yīng)。在圖1所示的電壓采樣電路中。UAl和UN是電壓互感器的輸入信號，是工網(wǎng)的電壓信號。其中的SMBJ5．OCA可起到穩(wěn)壓和去尖脈沖的作用。三個電容起濾波和平滑作用。該電壓互感器的精度為0．1級。而在圖2所示的電流采樣電路中。IAl和INl是電流互感器二次側(cè)的電流信號，它可由26Ω(1％)的高精度電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號．并送入AD73360進行采樣。電容的作用也是起濾波和平滑的作用。電流互感器的精度也是0．1級。

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    由于電力負荷控制終端常常要工作于惡劣的環(huán)境中．因而必須正確處理“模擬地”和“數(shù)字地”。由于數(shù)字電路是非線性的，其邏輯門的開關(guān)都會產(chǎn)生電流沖擊，因而在數(shù)字地上的高頻會產(chǎn)生強烈擾動，因此，數(shù)字地和模擬地不能有共同路徑或者環(huán)路，只應(yīng)單點連接。為了盡量減小A／D模擬部分和數(shù)字部分間的干擾，可采取數(shù)字和模擬部分單獨供電的方式。其中，數(shù)字電源和模擬電源與地線之間都應(yīng)用0．01μF的陶瓷電容和4．7μF的鉭電容并聯(lián)去耦。圖3所示是模擬地和數(shù)字地之間的連接電路。

3 接口設(shè)計
    這樣合適的處理器芯片是諧波電能計量結(jié)果準確性的重要保證。三相多功能諧波電能表要求能準確計量基波和2～21次諧波的各次電能，其要求的采樣頻率為fs≥2fmax=2x21x50 Hz=2 100 Hz。FFT算法通常取采樣點數(shù)為2N。根據(jù)AD73360的轉(zhuǎn)換速度以及ADSP-BF53l的數(shù)據(jù)處理速度。本設(shè)計取N=9，即采樣點數(shù)為29=512。ADSPBF531在主頻300 MHz時可實現(xiàn)每秒6億次乘加，完全可以滿足對AD73360的各種控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、讀取和保存等各項操作指令的時間要求。
    ADSP-BF53l處理器有2個SPI兼容端口，能夠使控制器與多個SPI兼容的設(shè)備通信。SPI端口提供有全雙工的同步串行接口，可支持主從模式和多主環(huán)境。另外，SPI的波特率和時鐘相位／極性都是可編程的，而且都集成有一個DMA控制器，可配置為發(fā)送或接收數(shù)據(jù)流。而SPI的DMA控制器在任意給定時間，只能進行單向訪問。故在傳輸過程中，SPI端口在2個串行數(shù)據(jù)線上可以通過移入和移出數(shù)據(jù)．來同時完成發(fā)送和接收工作。它的串行時鐘線可以保持2條串行數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)移位和采樣同步。
    AD73360和ADSP-BF53l的接口電路如圖4所示。由于AD73360和ADSP-BF531都支持工業(yè)標準的六線同步串行口。因而兩者之間的接口電路非常簡單。圖4中的四個幀同步信號連接成幀同步返回環(huán)方式，即讓AD73360的輸出幀同步信號SDOFS輸出到AD73360的輸入幀同步信號SDIFS，而讓BF531的發(fā)送幀同步信號TFS輸出到接收幀同步信號RFS。這樣，無論是發(fā)送幀同步信號還是接收幀同步信號，都會被強迫與SDOFS保持同步。AD3360的數(shù)據(jù)輸入信號SDI和數(shù)據(jù)輸出信號SDO分別與BF531的數(shù)據(jù)發(fā)送信號DX和數(shù)據(jù)接收信號DR相連。BF53l的標志輸出信號XF連接到AD73360的使能信號SE和復(fù)位信號。

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4 軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示。AD73360有編程模式、數(shù)據(jù)模式和混合模式3種工作模式。在編程模式，它只接收控制字，輸出無效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)模式下，輸入的控制字被忽略，可輸出有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；混合模式下，允許在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中接收控制字。AD73360的串行接口可連接到工業(yè)標準ADSP-BF531設(shè)備上，串口的連接速率可由DSP芯片接口編程設(shè)定。

    AD73360在程序數(shù)據(jù)模式下工作時，將首先進入程序方式并向AD73360寫控制字，然后再切換成數(shù)據(jù)方式，但在從AD73360讀數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將不再切換回程序方式。而在混合模式下，系統(tǒng)總是在程序方式和數(shù)據(jù)方式之間不斷的切換工作，以在AD73360讀數(shù)據(jù)期間改變其配置。
    AD73360的同步串行接口能夠識別長度為16位且來自DSP的控制字。由于AD73360的控制字和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)都是16 bit，因此，BF531傳送的每個字的寬度也應(yīng)設(shè)置為16 bit。AD73360內(nèi)部共有八個控制寄存器，分別是CRA～CRH，其占用的地址分別為0～7，每個長度為8位。BF53l的一個重要功能是可支持DMA傳輸。而且此時可以不需要CPU的干預(yù)來進行數(shù)據(jù)存貯和訪問。在傳輸過程中。每幀數(shù)據(jù)包括6通道采樣值。并采用DMA方式進行數(shù)據(jù)接收，同時在其六個通道接收完成后產(chǎn)生一個中斷。

5 結(jié)束語
    本文對芯片AD73360在電力負荷控制終端中的應(yīng)用進行了分析和研究，并已將研究方案應(yīng)用于實際的產(chǎn)品之中，從而實現(xiàn)了電力負荷控制終端中數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集，而且效果良好。