摘要：介紹了一種以DSP" title="DSP">DSP芯片TMS320C6711D" title="TMS320C6711D">TMS320C6711D為處理核心，輔以高速A／D芯片ADS8364,，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)" title="電力系統(tǒng)">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)，通過測試及使用表明,，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,、調(diào)度自動(dòng)化的前提環(huán)節(jié)，毫無疑問具有重要的作用,。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對模擬輸入,，可對其中的輸入信號同時(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)采集多種信號的應(yīng)用場合。
當(dāng)ADS8364采用5 MHz的外部時(shí)鐘來控制轉(zhuǎn)換時(shí),，它的取樣率是250 kHz,，同時(shí)對應(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，從而實(shí)現(xiàn)同步鎖相的功能,。
如圖2所示,，通過電壓互感器得到的電壓信號經(jīng)過隔直濾波電路，然后進(jìn)入過零比較器,，得到一個(gè)與輸入信號同頻率的TTL電平的方波信號后,，再經(jīng)過整形電路，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)生過零信號提供給后續(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相過零信號作為同步信號，閉鎖B,、C相,；A相掉電后，以B相過零信號作為同步信號,，閉鎖C相,；A、B相同時(shí)掉電,，以C相過零信號作為同步信號,。在相間進(jìn)行同步信號切換時(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)中斷信號通知DSP，由DSP提供這個(gè)空白時(shí)間的同步采樣信號,。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，以50 Hz工頻進(jìn)行256點(diǎn)采樣,，如圖2所示,。
1．2 A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
模擬變換、信號調(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)的信號隔離,、變換適合于A／D采樣的模擬輸入信號,，如圖2所示。A／D轉(zhuǎn)換器則將經(jīng)過調(diào)理的模擬信號轉(zhuǎn)換成DSP能夠識別的對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信息,。
互感器信號采用差分輸入方式,，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,，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EOC通知DSP讀取數(shù)據(jù)，DSP通過地址選擇相應(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)測及看門狗電路,、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、看門狗,、電壓檢測以及擴(kuò)展管理芯片對系統(tǒng)復(fù)位的功能,。
外部的25 MHz振蕩器通過倍頻芯片和二進(jìn)制計(jì)數(shù)器分別對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EDMA方式自動(dòng)加載Flash前1 kB的Bootload程序,，在該Bootload程序里寫入后續(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)緩存的場所,。
FRAM可以實(shí)現(xiàn)在失電下保存數(shù)據(jù)，并且讀寫次數(shù)超過1012次,，可以實(shí)現(xiàn)無延時(shí)寫入,。該FRAM通過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DMA或EDMA方式隨機(jī)或整塊地訪問共享RAM7,。
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語言和匯編語言混合編程,，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，由CPLD來判斷選擇ADC的采樣信號為硬件輸出的同步采樣信號還是DSP輸出的采樣信號,；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
本系統(tǒng)已經(jīng)通過各種功能測試,，并在國內(nèi)某知名電表公司的電能質(zhì)量監(jiān)測儀產(chǎn)品上成功使用,，精確檢測電壓電流有效值、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，諧波監(jiān)測精度達(dá)到A級,。該設(shè)計(jì)方案使用方便,、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng),、測量精度高,、性價(jià)比優(yōu)，可在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,。