基于DSP的繼電保護測試儀信號采集裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計

隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，目前國內(nèi)使用的繼電保護測試儀種類繁多，但是由于繼電保護測試儀自身的性能直接影響著對繼電保護裝置的評價，因此測試儀的工作性能和穩(wěn)定性尤為重要。雖然DL／T624-1997《繼電保護微機型試驗裝置技術(shù)條件》對繼電保護試驗裝置提出了明確的要求，規(guī)定了定期檢驗周期和檢驗項目，但因為沒有相關(guān)的檢測規(guī)程或規(guī)范，也沒有現(xiàn)成的檢測裝置，這為繼電保護測試儀的驗收和周檢帶來了一定的困難。因此，需要這樣一種數(shù)據(jù)采集裝置來精確采集繼電保護測試儀的各項數(shù)據(jù)，以便上位機對數(shù)據(jù)進行分析，從而對繼電保護測試儀進行檢定。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集裝置專門用于繼電保護測試儀器各項數(shù)據(jù)的采集。設(shè)計選用DSP作為數(shù)據(jù)采集裝置的核心控制器。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由電壓、電流采樣電路，信號放大，低通濾波，同步信號的獲取與識別，直流取樣，模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及通訊模塊電路等組成。

本方案中，數(shù)據(jù)選擇器選用AD公司生產(chǎn)的AD7502芯片。AD7502芯片為雙四選一數(shù)據(jù)選擇器，因此需要兩片A／D轉(zhuǎn)換器進行循環(huán)采樣。模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用的是TI公司推出的16位并行高速轉(zhuǎn)換器ADS8515。主控制芯片選用TI 公司的數(shù)字信號處理器TMS320F2812。TMS320F2812是32位定點高速數(shù)字處理器，最高工作頻率150 MHz，該芯片采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有六條獨立并行的數(shù)據(jù)和地址總線，極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力，32位的累加器、16位的硬件乘法器和輸入、輸出數(shù)據(jù)移位寄存器相結(jié)合，能快速地完成復(fù)雜的數(shù)值運算。因此TMS320F2812的計算速度非常高，可以滿足系統(tǒng)的在線實時性要求。

在與上位機通訊時，綜合各種因素，本方案選用USB總線技術(shù)實現(xiàn)。USB接口芯片選用Philips公司的ISP1581。ISP1581是Philips 公司推出的一款高性價比的USB 2.0接口芯片，它完全遵循USB 2.0規(guī)范，支持7個IN端點，7個OUT端點和一個固定控制IN／OUT端點。ISP1581支持USB 2.0的自檢工作模式和USB 1.1的返回工作模式，可以在高速或全速條件下正常運行。ISP1581內(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE)、PIE、8 KB的FIFO存儲器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、PLL的12 MHz晶體振蕩器和3.3 V的電壓調(diào)整器。ISP1581與外部微控制器的通信主要通過一個高速通用并行接口來實現(xiàn)。它與微控制器的連接有兩種模式：斷開總線模式和通用處理器工作模式。在斷開總線模式下，AD[7：0]為多路復(fù)用的8位地址／數(shù)據(jù)總線，DATA[15：0]為單獨的DMA數(shù)據(jù)總線；在通用處理器工作模式下，AD[7：0]為單獨的8位地址線，DATA[15：0]為16位控制器數(shù)據(jù)總線。此時，DMA將多路復(fù)用到DATA[15：0]控制器的數(shù)據(jù)總線上。本裝置在硬件設(shè)計中將電路設(shè)計成通用處理器模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電壓、電流采樣電路設(shè)計

本系統(tǒng)采集三相電壓、三相電流以及中性線的兩路電壓和電流信號。電壓和電流的采樣電路類似，電壓采用電壓互感器，電流采用電流互感器，通過運放 OPA2277組成電壓和電流采樣電路。電壓采集電路如圖2所示。圖2中，T1為電壓互感器。電壓互感器出來的信號通過OPA2277處理后送入數(shù)據(jù)選擇器AD7502的S1輸入引腳。其他7路電壓和電流信號分別送入AD7502的另外7個輸入引腳。

2.2程控濾波電路設(shè)計

系統(tǒng)中選用數(shù)據(jù)選擇器AD7502作為四路電壓和四路電流信號的模擬開關(guān)。濾波電路選用OPA2277來實現(xiàn)，電路原理圖如圖3所示。其中，AD7502的A0，A1接DSP通用I／O口的 GPIOB4，GPIOB5口，EN引腳接高電平。GPIOB4，GPIOB5輸出不同值來控制AD7502不同通道的接通，從而將8路信號依次送人兩片 A／D轉(zhuǎn)換器。

2.3 A／D轉(zhuǎn)換電路與DSP接口電路的設(shè)計

A／D轉(zhuǎn)換器是模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的核心器件，在整個測量系統(tǒng)中占有重要地位。如果模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)低時，將引起較大的測量誤差，本裝置選用德州儀器(TI)公司的A／D 芯片ADS8515作模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS8515是采樣率為250 KSPS的16位并行A／D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍能達到±10 V。ADS8515屬于逐次逼近寄存器型(簡稱SAR型)A／D轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器通過輸入的模擬信號與比較器逐次比較來輸出數(shù)字信號，是目前應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)換器類型。SAR型A／D轉(zhuǎn)換器的功耗比較低，體積比較小，而且A／D內(nèi)部通常具有采樣保持器，它可以維持采樣電壓直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，且其轉(zhuǎn)換速率很快。ADS8515和DSP的接口電路如圖4所示。

由于TMS320F2812的I／O電壓是3.3 V電平，而ADC則是5 V電平，因此需要電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC245來實現(xiàn)隔離功能。ADS8515的控制是通過對片選信號CS、啟動信號R／C以及對狀態(tài)信號BUSY的查詢來實現(xiàn)的。BUSY，CS，R／C，分別接DSP的中斷信號引腳XINT1和通用I／O接口GPIOB0，GPIOB1。為了保證雙DSP的同步采樣，防止數(shù)據(jù)輸出時兩DSP數(shù)據(jù)的串?dāng)_，采用將另一個DSP的片選信號CS和啟動信號R／C分別接DSP的通用I／O接口GPIOB2和GPIOB3的方法。這樣可以保證雙DSP同步采樣，并依次讀取兩個A／D中的數(shù)據(jù)。

2.4 同步信號獲取與識別電路設(shè)計

為了實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換器的交流同步采樣，本方案的設(shè)計電路如圖5所示。方案選用多個OPA2277和比較器MAX998來組成信號的獲取與識別電路，從而克服了非整周期采樣帶來的頻率泄露誤差，實現(xiàn)嚴格的同步采樣和等間隔采樣。圖5中，K3C為繼電器，用作開關(guān)使用，用來通斷選擇獲取的一路交流電壓信號和一路交流電流信號。 OPA2277組成放大和濾波電路。二極管D2，D3的作用是保護比較器MAX998，防止電壓過大而擊穿MAX998。

2.5 DSP系統(tǒng)的設(shè)計

DSP系統(tǒng)主要由DSP芯片、電源電路、時鐘電路、仿真和測試電路組成。由于TMS320F2812的電源系統(tǒng)既有3.3 V的數(shù)字和模擬電源，又有1.8 V的數(shù)字電源，電源的安全和可靠是系統(tǒng)運行的根本保證，所以需要將常用的5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.8 V電源。本設(shè)計選用TI公司的TPS767D318作為電源芯片，該芯片是專門為DSP的應(yīng)用而設(shè)計的，可以提供3.3 V和1.8 V兩路電壓輸出，其中每路輸出均可提供最大為1 A的電流。TPS767D318同時具有電壓監(jiān)測功能。電源電路的設(shè)計如圖6所示。此外，DSP的每個電源和地引腳不能懸空，數(shù)字模擬地要分離設(shè)計。

由于本系統(tǒng)對時序的要求比較敏感，所以本系統(tǒng)的時鐘電路選用3.3 V工作電壓的外部有源晶振。該有源晶振相對無源晶振信號質(zhì)量更好，而且比較穩(wěn)定，連接方式相對簡單。通常的用法是：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接電壓。

在對DSP系統(tǒng)進行硬件仿真時，可以通過JTAG邊界掃描接口對DSP內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器和控制寄存器進行在線監(jiān)控，并能在TMS320F2812的開發(fā)環(huán)境CCS中把程序下載到DSP芯片進行硬件仿真。JTAG接口的原理圖如圖7所示。

2.6通訊模塊設(shè)計

目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多以ISA，EISA或 PCI插卡的形式完成數(shù)據(jù)的傳輸，這些方式存在著開發(fā)調(diào)試比較困難、安裝麻煩以及通用性和可移植性差等缺點，而且PC機上的插槽數(shù)量、地址、終端資源有限，導(dǎo)致這種方式的可擴展性差。目前，廣泛應(yīng)用的USB總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優(yōu)點，已成為計算機接口的主流。本文選用專用的USB接口芯片來完成DSP與PC機的數(shù)據(jù)傳輸。USB 2.0芯片選用Philips公司的ISP1581。ISP1581與TMS320F2812的連接電路圖如圖8所示。ISP1581在上電時，通過 BUS_CONF，MODE0，MODE1對接口進行設(shè)置，本設(shè)計中BUS CONF通過電阻連接至高電平，ISP1581工作在通用處理器模式，AD[0～7]是8位地址總線，DATA[0～15]是獨立的數(shù)據(jù)總線。MODE0 設(shè)為1，因此讀寫選通信號為8051類型。TMS320F2812的XCS0AND1作為ISP1581的片選信號。RREF引腳通過12 kΩ的精密電阻接地，提供精確的鏡像電流。RPU引腳通過1.5 kΩ電阻器上拉。

3 結(jié)語

研制了一種基于DSP技術(shù)的繼電保護測試儀信號采集裝置，以便檢定繼電保護測試儀的性能指標是否滿足設(shè)計要求。文中重點介紹了數(shù)據(jù)采集裝置的整體架構(gòu)、基于DSP的數(shù)據(jù)采集裝置的硬件組成和電路設(shè)計。該數(shù)據(jù)采集裝置可以精確采集繼電保護測試儀的各項數(shù)據(jù)，為繼電保護測試儀的檢定裝置奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。