TMS320F2812的多通道高速同步交流采樣設(shè)計
摘要:在電力運行參數(shù)測控類應(yīng)用系統(tǒng)中,采用AD73360型A/D轉(zhuǎn)換器采集多路電壓和電流信號,使用TMS320F2812實現(xiàn)了高速同步采樣及電力參數(shù)在時域的計算;給出AD73360和TMS320F2812的硬件接口電路;采樣系統(tǒng)采用C語言編程,給出了主程序、多通道緩沖串行接口初始化過程等的流程圖;論述了采樣接收中斷、時域采樣數(shù)據(jù)處理等技術(shù)。通過測試驗證了設(shè)計方案的適用性和正確性。
關(guān)鍵詞:AD73360;TMS320F2812;同步采樣;電力參數(shù);交流采樣
引言
多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般是在一塊印刷電路板上集成了模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等器件。這類系統(tǒng)雖然可以采集多路模擬信號,但其實只有一路A/D轉(zhuǎn)換器。為了能夠采集多路模擬信號,本文采用美國ADI公司的AD73360型A/D轉(zhuǎn)換器及TI公司推出的2000系列DSP TMS320F2812,很好地實現(xiàn)了高速同步采樣。AD73360使用6線工業(yè)標準同步串行接口與CPU接口,TMS320F2812支持6線工業(yè)標準同步串行接口,所以AD73360與DSP經(jīng)過簡潔的連接后即可實現(xiàn)高速同步交流采樣。另外,由于AD73360具有6個同時采樣的模擬量輸入通道,所以特別適合三相制電力運行參數(shù)測控類應(yīng)用系統(tǒng)。
1 AD73360介紹
AD73360是ADI公司推出的6通道模擬輸入前端的可編程處理器。由于采用調(diào)制型A/D轉(zhuǎn)換原理,具有良好的內(nèi)置抗混疊性能,所以對模擬前端濾波器的要求不高。每個A/D轉(zhuǎn)換通道由程控放大器、高速采集的A/D調(diào)制器、抽去數(shù)字濾波器組成。放大器增益、采樣率、抗混疊數(shù)字濾波器的截止頻率均可編程設(shè)置。每個通道可以允許直流頻率為4 kHz的模擬信號通過,且能提供77 dB的信噪比。由丁其采樣率和輸入信號增益都是可編程的,當輸入時鐘頻率為16.384 MHz時,采樣頻率可分別設(shè)置為64 kHz、32 kHz、16 kHz、8 kHz。增益可在0~38 dB
之間選擇,因而它既適合大信號的應(yīng)用,也適合小信號的應(yīng)用。
AD73360內(nèi)部共有8個控制寄存器,分別是CRA~CRH,它們所占用的地址為0~7,每個的長度為8位。AD73360的同步串行接口能夠識別長度為16位的來自DSP的控制字。其控制字格式如表1所列。
2 TMS320F2812的McBSP口介紹
TMS320F2812是32位的定點DSP,主頻可達150MHz,是目前用于測控系統(tǒng)、電機控制等領(lǐng)域中的熱點產(chǎn)品。芯片資源非常豐富,可簡化外圍電路沒計。串行通信模塊包括兩個SCI口、一個SPI口、CAN總線和多通道緩沖串口McBSP,能滿足多種串行通信模式的需要。它有6條信號線:其中3條用于發(fā)送數(shù)據(jù),分別為發(fā)送數(shù)據(jù)端MDXA、發(fā)送幀同步端MFSXA和發(fā)送時鐘MCLKXA;另外3條用于接收數(shù)據(jù),分別是接收數(shù)據(jù)端MD RA、接收幀同步端MFSRA和接收時鐘MCLKRA。它能與多種串行接口器件直接通信,工作方式非常靈活,但同時也造成了端口配置復(fù)雜。McBSP有38個寄存器,這些寄存器可分為4類:數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器、多通道寄存器和FIFO寄存器。
3 采樣系統(tǒng)的硬件設(shè)計
為獲得合適的采集的交流信號,三相電壓、電流先分別經(jīng)過電壓互感器TV、電流互感器TA的變換、電阻采樣和電容濾波變換,然后以差分方式輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)進行采樣轉(zhuǎn)換。TMS320F2812有6條信號線。其中3條用于發(fā)送數(shù)據(jù),它們是發(fā)送數(shù)據(jù)段MDXA、發(fā)送幀同步端MFS XA、發(fā)送時鐘MCLKXA。另外3條是接收數(shù)據(jù)端。它們是接收數(shù)據(jù)段MDRA、接收幀同步端MFSRA和接收時鐘MCLKRA。AD73360和TMS320F2812的硬件接口電路如圖1所示。圖中將4個幀同步信號連接成幀同步返同環(huán)方式。輸出幀同步信號SDOFS發(fā)送到TMS320F2812的輸入幀同步信號FSR,TMS320F2812的發(fā)送幀同步信號FSX輸出到自身的接收幀同步信號SDIFS,同時連接SDIFS和SDOFS,使其保持同步;AD73360的數(shù)據(jù)輸入信號SDI和輸出信號SDO分別與TMS320F2812的數(shù)據(jù)發(fā)送信號MDXA和數(shù)據(jù)接收信號MDRA相連;TMS320F2812的發(fā)送時鐘信號MCLKXA與接收時鐘信號MCLKRA都取自AD73360的時鐘輸出信號SCLK;鎖相環(huán)輸出的倍頻信號AD_SE直接觸發(fā)AD73360的激活信號SE,從而實現(xiàn)同步鎖相采集。[!--empirenews.page--]
4 采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計
在開始接收AD73360采集的數(shù)據(jù)之前,按照設(shè)計要求進行初始化。對TMS320F2812的設(shè)置:首先關(guān)閉可屏蔽中斷,設(shè)置中斷屏蔽寄存器,允許McBSP同步串行口發(fā)送接收中斷信號。其次,DSP采用查詢的方式對AD73360進行初始化,當DSP的輸出電平由低變高時使AD73360同步串行口有效,同時復(fù)位結(jié)束。最后當AD73360初始化過程結(jié)束,不再接收控制命名時,系統(tǒng)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)模式,發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。主程序流程如圖2所示。
4.1 McBSP初始化
初始化McBSP時,由于接收或發(fā)送幀同步信號正跳或負跳變時,開始接收或發(fā)送1個字的第1位,而發(fā)送和接收的幀同步信號均取自AD73 360,所以發(fā)送和接收都應(yīng)該設(shè)置1位延時,應(yīng)滿足時序要求。[!--empirenews.page--]
4.2 AD73360初始化
當程序把DSP的McBSP與FIFO配置完畢后,開始初始化AD73360。初始化時,先進入編程模式,這樣AD73360只接收控制字,而不接收同步輸出數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)仍具有一定意義,它是TMS320F2812從AD73360讀回的相應(yīng)指令寄存器內(nèi)容,如寫入0x8000時,同步輸出為0xb080;寫入0x810E,同步輸出為0xB10E。本實驗沒置采樣頻率為32 kHz,SCLK=McLK=16.384 MHz。下面的程序為發(fā)送控制字:
4.3 采樣接收中斷
中斷接收程序構(gòu)架如下:
5 時域采樣數(shù)據(jù)處理
①系統(tǒng)輸入電壓頻率50 Hz,A/D采樣后用均方根法測得的值與理論值的比較如表2所列。
其中:Us為系統(tǒng)輸入電壓;UAD為A/D采樣電壓;Um為測量值;Uth為理論值,它們?yōu)锳/D轉(zhuǎn)換后的量化值;ε為相對誤差。[!--empirenews.page--]
②輸入信號U=220 V,頻率f=50 Hz,相位φ=0°,有功的測量值與標準值的比較如表3所列。
其中:i為電流,Pn為有功功率標準值,Pm為有功功率測量值。
③輸入信號U=220 V,電流I=1.5 A,頻率f=50 Hz,無功及功率因數(shù)的測量值與標準值的比較如表4所列。
其中:φ為二相源相位,Qn為無功標準值,Qm為無功測量值,εp為相對誤差,λn為功率因數(shù)標準值,λm為功率因數(shù)測量值,ελ為相對誤差。
從上面3個表中可以看出,在時域采用均方根法,求取的電壓、電流有效值和有功、無功標準值比電網(wǎng)中的標準值更加準確,更接近于實際電網(wǎng)中的實際電力參數(shù)。均方根算法能有效地避免高次諧波的影響,并且隨著每周采樣點的增多,可以提高采集的精度。
結(jié)語
本設(shè)計使用DSP芯片自帶的FIFO接收中斷方法進行數(shù)據(jù)讀取,可一次進入多個數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷,節(jié)省了DSP的時間,實現(xiàn)了模擬通道的同步采集,解決了多通道采樣的時差問題,從而具有較好的實時性,滿足了系統(tǒng)的要求,特別適用于電力運行參數(shù)的測控類應(yīng)用系統(tǒng)。