基于DSP和高速A／D的电力系统多通道同步采样

摘要：介绍了一种以DSP芯片TMS320C6711D为处理核心，辅以高速A／D芯片ADS8364，实现电力系统多通道同步采样分析的系统结构，着重介绍系统的硬件设计，通过测试及使用表明，该设计使用方便、实时性好、抗干扰性强、测量精度高、性价比优，可在电力系统中广泛使用。
关键词：DSP；交流同步采样；电能质量

    基本电量的采集作为电力系统实时控制、监测、调度自动化的前提环节，毫无疑问具有重要的作用。如何准确快速地采集电力系统中的各个模拟量并加以分析，以达到实时报警甚至预防事故发生的目的，是电力系统研究中的热点。
    文章描述的采样分析系统选用美国TI公司的TMS320C6711D作为主要的计算核心器件，该芯片具有900 MHz FLOPS高速浮点运算能力和类似RISC的指令集，采用VeloeiTI先进VLIW结构内核：8个独立的功能单元，6个ALU，2个乘法器，浮点支持IEEE标准单精度和双精度浮点运算，可以每周期执行8条32 bit指令，带有32个32 bit通用寄存器。
    A／D转换电路的核心是芯片ADS8364，ADS8364是一种高速、低功耗、6通道同步采样转换器件，它是16位高速并行接口的模数转换芯片。每片ADS8364由3个转换速率为250 ks·s-1的ADC构成，每个ADC有2个模拟输人通道，每个通道都带有采样保持器，3个ADC可组成3对模拟输入，可对其中的输入信号同时采样保持。另外，引脚内部还带有2．5 V电压接口，可用以提供基准电压。由于6个通道可以同时采样，因而适用于需同时采集多种信号的应用场合。
    当ADS8364采用5 MHz的外部时钟来控制转换时，它的取样率是250 kHz，同时对应4μs的最大吞吐率，即采样和转换共需花费20个时钟周期。因此，为了得到最大的输出数据率，读取数据可以在下一个转换期间进行。

1 基于DSP和高速A／D的系统设计
    整个系统可分为三相同步锁相电路、A／D转换电路、DSP核心部分电路以及HPI总线连接等4大部分组成。实现数据采集以及各种核心算法，并可以通过高速数据总线(HPI)将计算所得的数据实时传递。原理图如图1所示。

1．1 三相同步锁相电路
    同步电路主要完成频率跟踪的功能，该电路可以保证在一个工频周期内为A／D提供256点的采样信号，从而实现同步锁相的功能。
    如图2所示，通过电压互感器得到的电压信号经过隔直滤波电路，然后进入过零比较器，得到一个与输入信号同频率的TTL电平的方波信号后，再经过整形电路，得到一个上升沿陡峭、波形规则并且频率与输入电压信号相同的CMOS电平方波，进入选相电路。

    选相电路能自动选择有电压的相别，并根据选中相别的电压产生过零信号提供给后续的PLL电路，以实现256倍的锁相倍频采样。在频率变化的情况下，电路也能保证每周波256点的采样。选相电路以A相电压作为最优先考虑的相别，当A相有电压时将A相过零信号作为同步信号，闭锁B、C相；A相掉电后，以B相过零信号作为同步信号，闭锁C相；A、B相同时掉电，以C相过零信号作为同步信号。在相间进行同步信号切换时，由于电路参数以及线路本身的延时，会出现一段闭锁的空白，这时将产生一个中断信号通知DSP，由DSP提供这个空白时间的同步采样信号。当三相电压全部失去后，则由DSP自主产生同步采样信号，以50 Hz工频进行256点采样，如图2所示。 [p]
1．2 A／D模数转换电路
    模拟变换、信号调理及A／D转换构成整个A／D模数转换电路，此电路是整个采样系统的基础，它实现了电压互感器、电流互感器二次侧的信号隔离、变换适合于A／D采样的模拟输入信号，如图2所示。A／D转换器则将经过调理的模拟信号转换成DSP能够识别的对应的二进制数字信息。
    互感器信号采用差分输入方式，这种输入方式抗干扰能力很强。其连接的原理图如图3所示。当±Vin输入最大为-2．5～2．5 V的交流信号，Vref使用+2．5 V的基准时，使得调理输出±Vout范围在0～5 V，该电路参数可以正好满足所选A／D芯片ADS8364的输入要求。

    A／D转换结束后产生一个中断信号EOC通知DSP读取数据，DSP通过地址选择相应A／D芯片及相关通道后，将16位数据读回。DSP以A／D转换器采集转换后的三相电压、三相电流实时数据作为计算基础。
1．3 DSP核心部分电路
    DSP及其外围接口电路是整个系统的核心，它由32位浮点DSP、振荡器+锁相倍频器、电压监测及看门狗电路、片外SDRAM、片外Flash、片外铁电存储器等电路组成。如图4所示，电路实现了整个系统的上电复位、看门狗、电压检测以及扩展管理芯片对系统复位的功能。

    外部的25 MHz振荡器通过倍频芯片和二进制计数器分别对DSP和AD转换器提供同步的150 MHz和3．125 MHz工作时钟。
    DSP在上电复位以后，首先通过EDMA方式自动加载Flash前1 kB的Bootload程序，在该Bootload程序里写入后续加载程序的入口地址，即可实现应用程序的自动加载工作。之后对SDRAM进行自检，以避免SDRAM单元出错造成工作不正常或数据出错，同时SDRAM也是DSP存储A／D采样数据、进行数据运算输出的中间及最终结果、通信等数据缓存的场所。
    FRAM可以实现在失电下保存数据，并且读写次数超过1012次，可以实现无延时写入。该FRAM通过DSP的McBSP接口相连，存储ADC每个模拟通道的DC偏移、精度修正的数据以及运行时的接线方式等参数。
DSP处理完成的数据，通过其内部集成的主机接口(HPI)与上位机进行数据交互，主机可以通过DMA或EDMA方式随机或整块地访问共享RAM7。
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2 采样系统的软件设计
    系统的软件设计基于TMS320C6711D芯片指令集，充分利用其高速，支持浮点运算，流水线操作等特点，采用C语言和汇编语言混合编程，遵循模块化、自顶向下、逐步细化的编程思想。程序使用模块化设计，主要包括采集模块、主循环模块和HPI交互协议模块3大模块，流程框图分别如图5～图7。

    主循环模块中首先对DSP的CPU和外设进行初始化和自检，DSP在系统初始化以后一直输出软件同步信号，由CPLD来判断选择ADC的采样信号为硬件输出的同步采样信号还是DSP输出的采样信号；并将自检结果存放在HPI交互协议模块的自检结果区供扩展MCU读取。
    在中断服务子程序中，DSP将ADC转换后所得数据读入所分配的数据缓冲区，待总采集时间到后，以数据就绪标志通知主循环模块可以提取数据用于计算。主循环模块对数据进行处理，再调用各计算子程序，计算电力系统基本量以及电能质量其他各项指标，并将计算结果存放在缓冲区内，当一个主循环完成后再将结果搬运至HPI的数据交互区供扩展MCU进行读取。程序框图如图5～图7所示。

3 结束语
    本系统已经通过各种功能测试，并在国内某知名电表公司的电能质量监测仪产品上成功使用，精确检测电压电流有效值、功率、2～50次电压电流谐波的有效值、相位、电压波动与闪变、三相不平衡等各项电能质量参数，基本精度达到0．2级，谐波监测精度达到A级。该设计方案使用方便、实时性好、抗干扰能力强、测量精度高、性价比优，可在电力系统中广泛应用。