TMS320C5410A在电能质量监测装置设计中的应用

电能是一种重要能源，被人们广泛应用于现代社会的各个领域，其应用程度能反映一个国家或地区的综合国力和发展水平。提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高的表现，是信息社会发展的必然结果，是增强用电效率、节能降损、改善电气环境以及工业生产可持续发展的技术保证。随着电气化程度的提高和负载类型的增加，电能质量问题变得日趋突出和复杂，严重地威胁着电力系统的安全经济运行，因此，为了保证电网安全稳定运行、提高对电能的综合管理水平、为用户提供优质的电能，必须对影响电能质量的诸多因素进行监测，实时在线电能质量监测成为保证电网安全、经济运行的重要措施之一。本文基于TMS320C5410A芯片设计一款电能质量监测装置。

电能质量监测简介

电能质量监测的目的

电能质量检测分为短时间的一次性检测、短时间的定时或不定时的周期性检测以及长时间或较长时间的连续检测，其中，长时间或较长时间的连续检测称为实时检测或监测。电能质量监测的目的包括：①实时更新测量和采集各种电能质量指标，以保证对电力系统运行工况的观察、记录和动态分析。②针对各种质量指标的特征，分层检测电能质量问题，完成识别、提取和分析多种扰动信息，并拥有事故诊断能力，为制定改善电能质量的具体措施提供依据。③详细了解电网安全、稳定、优质运行的技术经济条件，综合评价电能质量各项指标，优化整个系统的监测体系。④检测和数据采集各种电能质量问题。⑤监测电网的可靠性程序。⑥不断提高电网的可靠性。⑦掌握电能质量问题产生的条件，以便于采取相关措施使可能造成的损失减到最小。⑧发现新的电能质量问题。

电能质量检测的方法

对于不同的电能质量问题，其电能质量检测方法和要求也不尽相同。按照对检测对象是否进行连续检测，电能质量检测方法可划分为定期或不定期检测、连续检测以及专项检测三种方法。

①定期或不定期检测。定期或不定期检测通常采用专门仪器设备到现场进行测试，测试后根据测定结果提出测量和分析报告。对普通干扰源的检测，依据干扰的大小、危害程度以及需要等，选择采用定期或不定期检测方法进行检测，普查测试电网，全面了解并掌握电网的电能质量水平或干扰源的特性，根据普查需要确定定期普查的检测指标和检测点，对于一些特殊情况，依据电能质量监测的需要也可采用不定期检测的方法。

②连续检测。连续检测也称在线检测，连续检测对所用的检测设备有一定要求，尤其是当电网中检测点较多、检测信息需远传时，需建立一个检测网络系统。根据电能质量标准的规定和要求，连续检测的检测内容包括：大型干扰源，频率偏差和电压偏差，危害较大或者容易引起事故的电能质量指标（大型电弧炉引起的电压波动、大型电容器组的谐波电流、易受干扰的大型设备的谐波电流等）。

③专项检测。专项检测是指测量与比较各种干扰负荷或补偿设备（电弧炉、换流设备、电容器组滤波器等）接入电网前后对电网电能质量水平产生的影响，以决定其能否正式接入电网运行，对产生各种干扰的设备，若产生的干扰超出标准，则不允许该设备接入电网运行。

电能质量监测装置结构组成

电能质量监测装置的结构组成如图1所示，它是一个包含数据采集和数据分析的功能系统。该装置硬件结构简单，分为信号采集模块、DSP信号处理模块和MSP430单片机控制模块，其工作原理是：传感器采集模拟信号（电压和电流）进入系统，经过去混叠滤波器以滤去信号的高频成份，再通过信号调理电路，使信号电压值满足AD芯片的转换要求；DSP控制AD采样频率，得到满足要求的一组数字量，并利用离散算法获得电能质量的各个参数；MSP430单片机读取计算结果，并显示在液晶屏上，它可以与上位机进行USB通信。信号采集模块是电能质量监测装置的关键功能部分，本文将主要阐述信号采集模块的设计。

图1 电能质量监测装置结构组成图

信号采集模块设计

电压、电流传感器电路

根据实际应用需求，本装置用于220V/380V，30A单相交流电电网的监测，因此，本设计选用PT41D001型号的电压互感器，其参数如下：线性误差为0.08%，工频相差为35’，负载条件为1MΩ，变比为200V/1V，频率响应为25Hz~5kHz。电压互感器电路连接如图2所示，互感器输出为电压信号，负载需接高电阻，在电路上可以直接把互感器输出接到后级运算放大器上。对于220V系统的监测电路，电压互感器的输出电压范围为-1.5V~1.5V。

本设计选用CT53C902型号的电流互感器，其参数如下：线性误差为0.08%，工频相差为10’，负载条件为≤3V，变比为30A/10mA，频率响应为25Hz~5kHz。电流互感器电路连接如图3所示，互感器输出为电流信号，负载需接电流采样电阻，并且对输出电压有≤3V的要求，由于该装置应用于最大电流为30A的系统，电流互感器的输出电流大约为0~10mA，考虑到后级信号调理电路要求，在此选用100Ω精密电阻作为采样电阻，使电流信号转变为电压信号，幅值范围为-1.4V~+1.4V。

图2 电压互感器电路连接图

图3 电流互感器电路连接图

MAX291滤波电路

依据抽样定律，理论上，若采样频率大于信号最大频率的2倍，即，则可避免频率混叠效应。实际上，信号谱并不是矩形截止的，而且采样的时域有限，不可能采集无限长时间的信号，因而存在高频分量。因此，系统在进行信号处理之前，应采用低通滤波器来抑制大于的信号频率。本设计采用MAX291滤波器来进行滤波，MAX291滤波器电路如图4所示。MAX291是一种开关电容式有源低通滤波器，其3dB截止频率可在0.1kHz~25kHz之间选择，而且3dB截止频率与MAX291的工作频率的关系为1:100。MAX291可由内部振荡时钟和外部输入时钟方式提供工作频率，本文采用内部振荡时钟方式，只需在CLK引脚对地间连一个外接电容即可。

图4 MAX291滤波器电路图

电压信号调理电路

由电压互感器和电流互感器变换出来的双极性电压信号，需要经过由运算放大器组成的电压信号调理电路转变为单极性信号后，才能够送入AD芯片并转换为数字量。双极性信号转变为单极性信号实际是一个电位线性平移电路，主要由加法器和比例器组成，经过参数整定后的电压信号调理电路如图5所示。

图5 电压信号调理电路图[p]

TLV2541转换电路

根据系统工作要求，本设计的AD芯片选用TLV2541，TLV2541是一种高性能微型12位低功耗CMOS模数转换器，它使用宽电源供电，工作电压范围是2.7V~5.5V；器件具有片选CS、串行时钟SCLK和串行数据输出SDO，提供了能与大多数串口微处理器直接相连接的3线SPI接口；能够维持非常低的功耗。TLV2541有SPI和DSP两种工作方式，在本文中，由于TLV2541直接与DSP相连，由DSP控制AD芯片采样，因此在此采用DSP工作方式，TLV2541芯片与DSP处理器连接如图6所示。

图6 TLV2541芯片与DSP处理器连接图

信号采集模块电源电路

在本设计中，MAX291滤波器和运算放大器都使用±5V的双极性电源。5V电源可由电源LM1117-5提供，LM1117是一种三端线性稳压电源，其应用电路简单，只需要在输入输出端加上滤波电容和旁路电容就可以得到稳定的输出，LM1117-5电源电路如图7所示。-5V电源则由CMOS电压转换芯片ICL7660提供，ICL7660电源电路如图8所示，ICL7660只需要外接两个电容，就能够将+1.5V~+10V范围内的正电压转换为-10V~-1.5V的负电压。

图7 LM1117-5电源电路图

图8 ICL7660电源电路图

DSP信号处理模块设计

DSP信号处理模块用于与AD芯片进行通信，控制AD采样频率，并对所得到的数据进行运算处理，再把运算结果通过HPI接口传送给MSP430单片机。根据系统要求，DSP信号处理模块选用TMS320VC5410A处理器。

TMS320VC5410A处理器是一种改进哈佛架构的定点数字信号处理器，拥有并行的算术逻辑、专用硬件逻辑单元、片上存储器以及其他的片上外设；具有1条程序空间总线和3条数据空间总线；它允许同时存取程序指令和数据，两个读操作和一个写操作也能在单周期内执行，极大地提高了DSP的运行速度。数据能在程序空间和数据空间之间进行传输，这种并行方式使得DSP在一个周期内能够执行一系列的逻辑、算术和位操作指令。而且，TMS320VC5410A还拥有管理中断、重复操作和函数调等功能的控制机制。本文中，TMS320VC5410A的片上外设用到了多通道缓冲串口（McBSP）和主机接口（HPI-8），McBSP用于AD采样控制，HPI用于与MSP430的通信控制。

McBSP提供了与一些串行设备的全双工、双向的通信，如串行模数转换器等，McBSP由一个数据通道和一个控制通道组成，它们通过7个引脚与外部器件相连接。数据通过数据发送引脚DX和接收引脚DR与连接到McBSP的器件进行通信；控制信息以时钟和帧同步信号的形式通过CLKX、CLKR、FSX和FSR来传送。C5410A可以通过16位宽的控制寄存器与McBSP通信。本文中，缓冲串口McBSP用来与AD芯片TLV2541通信，采集AD转换后的数值，接口连接如图6所示，CLKX/R引脚与TLV2541的SCLK引脚相连接，为AD提供时钟；FSX/R引脚与TLV2541的 引脚相连接，由帧同步信号来控制采样频率；DR引脚与TLV2541的SDO引脚相连接，接收串行数据。最后串行数据读入寄存器，CPU通过指令从寄存器取出数据，存入自定数组。

主机是接口的控制者，通过专用的地址、数据寄存器和HPI控制寄存器与HPI通信。增强型主机接口HIP-8的功能是使主处理器可以访问C5410A的片内存储器。本文选用MSP430单片机作为主机，通过HPI-8接口访问DSP内存，读取DSP运算后的结果。DSP与MSP430单片机的通信握手通过HPI中断来实现。

TMS320VC5410A处理器的供电分为I/O的3.3V供电和给内核的1.5V~1.6V供电。本设计采用TPS767D301电源芯片供电，它是TI公司专门为DSP系统设计的电源芯片，具有双路输出、低压降、稳压的特点；它能提供两路电压输出，即固定的3.3V电压和1.2V~5.5V的可调电压；电源芯片的输入电压范围为-0.3V~13.5V。

MSP430单片机控制模块设计

MSP430单片机控制模块是整个监测装置的主机，用于与DSP通信，读取DSP的运算结果，并把结果在液晶屏上显示出来，其外围配有实时实钟、外部EEPROM和USB接口等功能器件。

MSP430系列单片机是一种超低功耗的16位工业级混合信号微处理器，它是德州仪器公司推出的。当实时时钟处于工作状态时，该系列单片机待机耗流量可低至0.8µA。根据系统工作要求，本文选用MSP430F2471单片机作为主机，该单片机具有如下特点：1.8V~3.6V工作电压、片内带有闪存、处理速度16MIP以及掉电复位；拥有6×8个I/O口、32KB片内FLASH存储器和4KB片内RAM、一个16位Timer_A、一个16位Timer_B，四个通用串口USCI。这些片上资源极大地方便了单片机控制模块的设计。下面简要介绍液晶显示、按键输入和MSP430单片机控制模块的电源电路设计。

①液晶显示。本设计选用OCM12864-9图形点阵液晶显示模块，该模块采用3.3V供电，内部集成了液晶驱动芯片ST7920P，采用3根时序控制线和8位并行数据就能显示128×64点阵的图形和字符；它提供20个引脚与外部器件相连。

②按键输入。通常，单片机的按键输入有中断式和扫描式两种。由于MSP430F2471单片机具有强大的I/O资源，P1、P2口均是带有中断功能的I/O，因此，本文采用中断式按键设计，即使用I/O口的中断功能实现按键识别，只在有按键输入时，CPU才会响应中断并执行程序，CPU资源消耗少。

③MSP430单片机控制模块的电源电路。在单片机控制模块中，MSP430单片机、实时实钟以及EEPROM都采用3.3V电源供电；而在DSP信号处理模块中，TPS767D301电源提供3.3V电压，并且最大电流为1A，足够支持DSP信号处理模块和MSP430单片机控制模块的功耗，在此也由TPS767D301电源给MSP430单片机控制模块供电。

结束语

目前，电能污染较严重，公用电网供电质量日益恶化，严重地威胁着电力系统的安全和稳定运行，因此必须提高电能质量，确保用电设备安全稳定运行。实时在线电能质量监测是保证电网安全运行的重要措施，本文基于TMS320C5410A芯片设计了一款电能质量监测装置。首先对电能质量监测进行了概述，然后给出了电能质量监测装置的结构组成，最后对该装置的各组成模块设计进行了详细阐述。