基于DSP的繼電保護(hù)測試儀信號采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(hù)測試儀種類繁多，但是由于繼電保護(hù)測試儀自身的性能直接影響著對繼電保護(hù)裝置的評價(jià)，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(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置技術(shù)條件》對繼電保護(hù)試驗(yàn)裝置提出了明確的要求，規(guī)定了定期檢驗(yàn)周期和檢驗(yàn)項(xiàng)目，但因?yàn)闆]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(hù)測試儀的驗(yàn)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(hù)測試儀的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以便上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對繼電保護(hù)測試儀進(jìn)行檢定。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集裝置專門用于繼電保護(hù)測試儀器各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集。設(shè)計(jì)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(jìn)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(diǎn)高速數(shù)字處理器，最高工作頻率150 MHz，該芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有六條獨(dú)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(yùn)算。因此TMS320F2812的計(jì)算速度非常高，可以滿足系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)性要求。

在與上位機(jī)通訊時(shí)，綜合各種因素，本方案選用USB總線技術(shù)實(shí)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(jià)比的USB 2.0接口芯片，它完全遵循USB 2.0規(guī)范，支持7個(gè)IN端點(diǎn)，7個(gè)OUT端點(diǎn)和一個(gè)固定控制IN／OUT端點(diǎn)。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(yùn)行。ISP1581內(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE)、PIE、8 KB的FIFO存儲(chǔ)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(gè)高速通用并行接口來實(shí)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(dú)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(dú)的8位地址線，DATA[15：0]為16位控制器數(shù)據(jù)總線。此時(shí)，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(jì)中將電路設(shè)計(jì)成通用處理器模式。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電壓、電流采樣電路設(shè)計(jì)

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(yùn)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(gè)輸入引腳。

2.2程控濾波電路設(shè)計(jì)

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(shí)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(jì)

A／D轉(zhuǎn)換器是模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的核心器件，在整個(gè)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(shí)，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(dá)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(shí)現(xiàn)隔離功能。ADS8515的控制是通過對片選信號CS、啟動(dòng)信號R／C以及對狀態(tài)信號BUSY的查詢來實(shí)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(shí)兩DSP數(shù)據(jù)的串?dāng)_，采用將另一個(gè)DSP的片選信號CS和啟動(dòng)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(gè)A／D中的數(shù)據(jù)。

2.4 同步信號獲取與識別電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換器的交流同步采樣，本方案的設(shè)計(jì)電路如圖5所示。方案選用多個(gè)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(shí)現(xiàn)嚴(yán)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(hù)比較器MAX998，防止電壓過大而擊穿MAX998。

2.5 DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

DSP系統(tǒng)主要由DSP芯片、電源電路、時(shí)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(yùn)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(jì)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(jì)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(shí)具有電壓監(jiān)測功能。電源電路的設(shè)計(jì)如圖6所示。此外，DSP的每個(gè)電源和地引腳不能懸空，數(shù)字模擬地要分離設(shè)計(jì)。

由于本系統(tǒng)對時(shí)序的要求比較敏感，所以本系統(tǒng)的時(shí)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(jìn)行硬件仿真時(shí)，可以通過JTAG邊界掃描接口對DSP內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器和控制寄存器進(jìn)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(jìn)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(jì)

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(diǎn)，而且PC機(jī)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(kuò)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(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已成為計(jì)算機(jī)接口的主流。本文選用專用的USB接口芯片來完成DSP與PC機(jī)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(shí)，通過BUS_CONF，MODE0，MODE1對接口進(jìn)行設(shè)置，本設(shè)計(jì)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(dú)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(hù)測試儀信號采集裝置，以便檢定繼電保護(hù)測試儀的性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。文中重點(diǎn)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(jì)。該數(shù)據(jù)采集裝置可以精確采集繼電保護(hù)測試儀的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，為繼電保護(hù)測試儀的檢定裝置奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。