基于DSP和高速A／D的電力系統(tǒng)多通道同步采樣

摘要：介紹了一種以DSP芯片TMS320C6711D為處理核心，輔以高速A／D芯片ADS8364，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)多通道同步采樣分析的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，著重介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)試及使用表明，該設(shè)計(jì)使用方便、實(shí)時(shí)性好、抗干擾性強(qiáng)、測(cè)量精度高、性價(jià)比優(yōu)，可在電力系統(tǒng)中廣泛使用。
關(guān)鍵詞：DSP；交流同步采樣；電能質(zhì)量

    基本電量的采集作為電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)、調(diào)度自動(dòng)化的前提環(huán)節(jié)，毫無(wú)疑問(wèn)具有重要的作用。如何準(zhǔn)確快速地采集電力系統(tǒng)中的各個(gè)模擬量并加以分析，以達(dá)到實(shí)時(shí)報(bào)警甚至預(yù)防事故發(fā)生的目的，是電力系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)。
    文章描述的采樣分析系統(tǒng)選用美國(guó)TI公司的TMS320C6711D作為主要的計(jì)算核心器件，該芯片具有900 MHz FLOPS高速浮點(diǎn)運(yùn)算能力和類(lèi)似RISC的指令集，采用VeloeiTI先進(jìn)VLIW結(jié)構(gòu)內(nèi)核：8個(gè)獨(dú)立的功能單元，6個(gè)ALU，2個(gè)乘法器，浮點(diǎn)支持IEEE標(biāo)準(zhǔn)單精度和雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算，可以每周期執(zhí)行8條32 bit指令，帶有32個(gè)32 bit通用寄存器。
    A／D轉(zhuǎn)換電路的核心是芯片ADS8364，ADS8364是一種高速、低功耗、6通道同步采樣轉(zhuǎn)換器件，它是16位高速并行接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。每片ADS8364由3個(gè)轉(zhuǎn)換速率為250 ks·s-1的ADC構(gòu)成，每個(gè)ADC有2個(gè)模擬輸人通道，每個(gè)通道都帶有采樣保持器，3個(gè)ADC可組成3對(duì)模擬輸入，可對(duì)其中的輸入信號(hào)同時(shí)采樣保持。另外，引腳內(nèi)部還帶有2．5 V電壓接口，可用以提供基準(zhǔn)電壓。由于6個(gè)通道可以同時(shí)采樣，因而適用于需同時(shí)采集多種信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合。
    當(dāng)ADS8364采用5 MHz的外部時(shí)鐘來(lái)控制轉(zhuǎn)換時(shí)，它的取樣率是250 kHz，同時(shí)對(duì)應(yīng)4μs的最大吞吐率，即采樣和轉(zhuǎn)換共需花費(fèi)20個(gè)時(shí)鐘周期。因此，為了得到最大的輸出數(shù)據(jù)率，讀取數(shù)據(jù)可以在下一個(gè)轉(zhuǎn)換期間進(jìn)行。

1 基于DSP和高速A／D的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)可分為三相同步鎖相電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、DSP核心部分電路以及HPI總線連接等4大部分組成。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及各種核心算法，并可以通過(guò)高速數(shù)據(jù)總線(HPI)將計(jì)算所得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞。原理圖如圖1所示。

1．1 三相同步鎖相電路
    同步電路主要完成頻率跟蹤的功能，該電路可以保證在一個(gè)工頻周期內(nèi)為A／D提供256點(diǎn)的采樣信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)同步鎖相的功能。
    如圖2所示，通過(guò)電壓互感器得到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)隔直濾波電路，然后進(jìn)入過(guò)零比較器，得到一個(gè)與輸入信號(hào)同頻率的TTL電平的方波信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)整形電路，得到一個(gè)上升沿陡峭、波形規(guī)則并且頻率與輸入電壓信號(hào)相同的CMOS電平方波，進(jìn)入選相電路。

    選相電路能自動(dòng)選擇有電壓的相別，并根據(jù)選中相別的電壓產(chǎn)生過(guò)零信號(hào)提供給后續(xù)的PLL電路，以實(shí)現(xiàn)256倍的鎖相倍頻采樣。在頻率變化的情況下，電路也能保證每周波256點(diǎn)的采樣。選相電路以A相電壓作為最優(yōu)先考慮的相別，當(dāng)A相有電壓時(shí)將A相過(guò)零信號(hào)作為同步信號(hào)，閉鎖B、C相；A相掉電后，以B相過(guò)零信號(hào)作為同步信號(hào)，閉鎖C相；A、B相同時(shí)掉電，以C相過(guò)零信號(hào)作為同步信號(hào)。在相間進(jìn)行同步信號(hào)切換時(shí)，由于電路參數(shù)以及線路本身的延時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一段閉鎖的空白，這時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)通知DSP，由DSP提供這個(gè)空白時(shí)間的同步采樣信號(hào)。當(dāng)三相電壓全部失去后，則由DSP自主產(chǎn)生同步采樣信號(hào)，以50 Hz工頻進(jìn)行256點(diǎn)采樣，如圖2所示。[!--empirenews.page--]
1．2 A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
    模擬變換、信號(hào)調(diào)理及A／D轉(zhuǎn)換構(gòu)成整個(gè)A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，此電路是整個(gè)采樣系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它實(shí)現(xiàn)了電壓互感器、電流互感器二次側(cè)的信號(hào)隔離、變換適合于A／D采樣的模擬輸入信號(hào)，如圖2所示。A／D轉(zhuǎn)換器則將經(jīng)過(guò)調(diào)理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP能夠識(shí)別的對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信息。
    互感器信號(hào)采用差分輸入方式，這種輸入方式抗干擾能力很強(qiáng)。其連接的原理圖如圖3所示。當(dāng)±Vin輸入最大為-2．5～2．5 V的交流信號(hào)，Vref使用+2．5 V的基準(zhǔn)時(shí)，使得調(diào)理輸出±Vout范圍在0～5 V，該電路參數(shù)可以正好滿足所選A／D芯片ADS8364的輸入要求。

    A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)EOC通知DSP讀取數(shù)據(jù)，DSP通過(guò)地址選擇相應(yīng)A／D芯片及相關(guān)通道后，將16位數(shù)據(jù)讀回。DSP以A／D轉(zhuǎn)換器采集轉(zhuǎn)換后的三相電壓、三相電流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為計(jì)算基礎(chǔ)。
1．3 DSP核心部分電路
    DSP及其外圍接口電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它由32位浮點(diǎn)DSP、振蕩器+鎖相倍頻器、電壓監(jiān)測(cè)及看門(mén)狗電路、片外SDRAM、片外Flash、片外鐵電存儲(chǔ)器等電路組成。如圖4所示，電路實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的上電復(fù)位、看門(mén)狗、電壓檢測(cè)以及擴(kuò)展管理芯片對(duì)系統(tǒng)復(fù)位的功能。

    外部的25 MHz振蕩器通過(guò)倍頻芯片和二進(jìn)制計(jì)數(shù)器分別對(duì)DSP和AD轉(zhuǎn)換器提供同步的150 MHz和3．125 MHz工作時(shí)鐘。
    DSP在上電復(fù)位以后，首先通過(guò)EDMA方式自動(dòng)加載Flash前1 kB的Bootload程序，在該Bootload程序里寫(xiě)入后續(xù)加載程序的入口地址，即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的自動(dòng)加載工作。之后對(duì)SDRAM進(jìn)行自檢，以避免SDRAM單元出錯(cuò)造成工作不正?；驍?shù)據(jù)出錯(cuò)，同時(shí)SDRAM也是DSP存儲(chǔ)A／D采樣數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算輸出的中間及最終結(jié)果、通信等數(shù)據(jù)緩存的場(chǎng)所。
    FRAM可以實(shí)現(xiàn)在失電下保存數(shù)據(jù)，并且讀寫(xiě)次數(shù)超過(guò)1012次，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)延時(shí)寫(xiě)入。該FRAM通過(guò)DSP的McBSP接口相連，存儲(chǔ)ADC每個(gè)模擬通道的DC偏移、精度修正的數(shù)據(jù)以及運(yùn)行時(shí)的接線方式等參數(shù)。
DSP處理完成的數(shù)據(jù)，通過(guò)其內(nèi)部集成的主機(jī)接口(HPI)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主機(jī)可以通過(guò)DMA或EDMA方式隨機(jī)或整塊地訪問(wèn)共享RAM7。
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2 采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于TMS320C6711D芯片指令集，充分利用其高速，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，流水線操作等特點(diǎn)，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，遵循模塊化、自頂向下、逐步細(xì)化的編程思想。程序使用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括采集模塊、主循環(huán)模塊和HPI交互協(xié)議模塊3大模塊，流程框圖分別如圖5～圖7。

    主循環(huán)模塊中首先對(duì)DSP的CPU和外設(shè)進(jìn)行初始化和自檢，DSP在系統(tǒng)初始化以后一直輸出軟件同步信號(hào)，由CPLD來(lái)判斷選擇ADC的采樣信號(hào)為硬件輸出的同步采樣信號(hào)還是DSP輸出的采樣信號(hào)；并將自檢結(jié)果存放在HPI交互協(xié)議模塊的自檢結(jié)果區(qū)供擴(kuò)展MCU讀取。
    在中斷服務(wù)子程序中，DSP將ADC轉(zhuǎn)換后所得數(shù)據(jù)讀入所分配的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，待總采集時(shí)間到后，以數(shù)據(jù)就緒標(biāo)志通知主循環(huán)模塊可以提取數(shù)據(jù)用于計(jì)算。主循環(huán)模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再調(diào)用各計(jì)算子程序，計(jì)算電力系統(tǒng)基本量以及電能質(zhì)量其他各項(xiàng)指標(biāo)，并將計(jì)算結(jié)果存放在緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)一個(gè)主循環(huán)完成后再將結(jié)果搬運(yùn)至HPI的數(shù)據(jù)交互區(qū)供擴(kuò)展MCU進(jìn)行讀取。程序框圖如圖5～圖7所示。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)各種功能測(cè)試，并在國(guó)內(nèi)某知名電表公司的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀產(chǎn)品上成功使用，精確檢測(cè)電壓電流有效值、功率、2～50次電壓電流諧波的有效值、相位、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡等各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)，基本精度達(dá)到0．2級(jí)，諧波監(jiān)測(cè)精度達(dá)到A級(jí)。該設(shè)計(jì)方案使用方便、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、性價(jià)比優(yōu)，可在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。