TMS320C5410A在電能質(zhì)量監(jiān)測裝置設計中的應用

TLV2541轉換電路

根據(jù)系統(tǒng)工作要求，本設計的AD芯片選用TLV2541，TLV2541是一種高性能微型12位低功耗CMOS模數(shù)轉換器，它使用寬電源供電，工作電壓范圍是2.7V~5.5V；器件具有片選CS、串行時鐘SCLK和串行數(shù)據(jù)輸出SDO，提供了能與大多數(shù)串口微處理器直接相連接的3線SPI接口；能夠維持非常低的功耗。TLV2541有SPI和DSP兩種工作方式，在本文中，由于TLV2541直接與DSP相連，由DSP控制AD芯片采樣，因此在此采用DSP工作方式，TLV2541芯片與DSP處理器連接如圖6所示。

圖6 TLV2541芯片與DSP處理器連接圖

信號采集模塊電源電路

在本設計中，MAX291濾波器和運算放大器都使用±5V的雙極性電源。5V電源可由電源LM1117-5提供，LM1117是一種三端線性穩(wěn)壓電源，其應用電路簡單，只需要在輸入輸出端加上濾波電容和旁路電容就可以得到穩(wěn)定的輸出，LM1117-5電源電路如圖7所示。-5V電源則由CMOS電壓轉換芯片ICL7660提供，ICL7660電源電路如圖8所示，ICL7660只需要外接兩個電容，就能夠將+1.5V~+10V范圍內(nèi)的正電壓轉換為-10V~-1.5V的負電壓。

圖7 LM1117-5電源電路圖

圖8 ICL7660電源電路圖

DSP信號處理模塊設計

DSP信號處理模塊用于與AD芯片進行通信，控制AD采樣頻率，并對所得到的數(shù)據(jù)進行運算處理，再把運算結果通過HPI接口傳送給MSP430單片機。根據(jù)系統(tǒng)要求，DSP信號處理模塊選用TMS320VC5410A處理器。

TMS320VC5410A處理器是一種改進哈佛架構的定點數(shù)字信號處理器，擁有并行的算術邏輯、專用硬件邏輯單元、片上存儲器以及其他的片上外設；具有1條程序空間總線和3條數(shù)據(jù)空間總線；它允許同時存取程序指令和數(shù)據(jù)，兩個讀操作和一個寫操作也能在單周期內(nèi)執(zhí)行，極大地提高了DSP的運行速度。數(shù)據(jù)能在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間進行傳輸，這種并行方式使得DSP在一個周期內(nèi)能夠執(zhí)行一系列的邏輯、算術和位操作指令。而且，TMS320VC5410A還擁有管理中斷、重復操作和函數(shù)調(diào)等功能的控制機制。本文中，TMS320VC5410A的片上外設用到了多通道緩沖串口（McBSP）和主機接口（HPI-8），McBSP用于AD采樣控制，HPI用于與MSP430的通信控制。

McBSP提供了與一些串行設備的全雙工、雙向的通信，如串行模數(shù)轉換器等，McBSP由一個數(shù)據(jù)通道和一個控制通道組成，它們通過7個引腳與外部器件相連接。數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)發(fā)送引腳DX和接收引腳DR與連接到McBSP的器件進行通信；控制信息以時鐘和幀同步信號的形式通過CLKX、CLKR、FSX和FSR來傳送。C5410A可以通過16位寬的控制寄存器與McBSP通信。本文中，緩沖串口McBSP用來與AD芯片TLV2541通信，采集AD轉換后的數(shù)值，接口連接如圖6所示，CLKX/R引腳與TLV2541的SCLK引腳相連接，為AD提供時鐘；FSX/R引腳與TLV2541的 引腳相連接，由幀同步信號來控制采樣頻率；DR引腳與TLV2541的SDO引腳相連接，接收串行數(shù)據(jù)。最后串行數(shù)據(jù)讀入寄存器，CPU通過指令從寄存器取出數(shù)據(jù)，存入自定數(shù)組。

主機是接口的控制者，通過專用的地址、數(shù)據(jù)寄存器和HPI控制寄存器與HPI通信。增強型主機接口HIP-8的功能是使主處理器可以訪問C5410A的片內(nèi)存儲器。本文選用MSP430單片機作為主機，通過HPI-8接口訪問DSP內(nèi)存，讀取DSP運算后的結果。DSP與MSP430單片機的通信握手通過HPI中斷來實現(xiàn)。

TMS320VC5410A處理器的供電分為I/O的3.3V供電和給內(nèi)核的1.5V~1.6V供電。本設計采用TPS767D301電源芯片供電，它是TI公司專門為DSP系統(tǒng)設計的電源芯片，具有雙路輸出、低壓降、穩(wěn)壓的特點；它能提供兩路電壓輸出，即固定的3.3V電壓和1.2V~5.5V的可調(diào)電壓；電源芯片的輸入電壓范圍為-0.3V~13.5V。

MSP430單片機控制模塊設計

MSP430單片機控制模塊是整個監(jiān)測裝置的主機，用于與DSP通信，讀取DSP的運算結果，并把結果在液晶屏上顯示出來，其外圍配有實時實鐘、外部EEPROM和USB接口等功能器件。

MSP430系列單片機是一種超低功耗的16位工業(yè)級混合信號微處理器，它是德州儀器公司推出的。當實時時鐘處于工作狀態(tài)時，該系列單片機待機耗流量可低至0.8µA。根據(jù)系統(tǒng)工作要求，本文選用MSP430F2471單片機作為主機，該單片機具有如下特點：1.8V~3.6V工作電壓、片內(nèi)帶有閃存、處理速度16MIP以及掉電復位；擁有6×8個I/O口、32KB片內(nèi)FLASH存儲器和4KB片內(nèi)RAM、一個16位Timer_A、一個16位Timer_B，四個通用串口USCI。這些片上資源極大地方便了單片機控制模塊的設計。下面簡要介紹液晶顯示、按鍵輸入和MSP430單片機控制模塊的電源電路設計。

①液晶顯示。本設計選用OCM12864-9圖形點陣液晶顯示模塊，該模塊采用3.3V供電，內(nèi)部集成了液晶驅動芯片ST7920P，采用3根時序控制線和8位并行數(shù)據(jù)就能顯示128×64點陣的圖形和字符；它提供20個引腳與外部器件相連。

②按鍵輸入。通常，單片機的按鍵輸入有中斷式和掃描式兩種。由于MSP430F2471單片機具有強大的I/O資源，P1、P2口均是帶有中斷功能的I/O，因此，本文采用中斷式按鍵設計，即使用I/O口的中斷功能實現(xiàn)按鍵識別，只在有按鍵輸入時，CPU才會響應中斷并執(zhí)行程序，CPU資源消耗少。

③MSP430單片機控制模塊的電源電路。在單片機控制模塊中，MSP430單片機、實時實鐘以及EEPROM都采用3.3V電源供電；而在DSP信號處理模塊中，TPS767D301電源提供3.3V電壓，并且最大電流為1A，足夠支持DSP信號處理模塊和MSP430單片機控制模塊的功耗，在此也由TPS767D301電源給MSP430單片機控制模塊供電。

結束語

目前，電能污染較嚴重，公用電網(wǎng)供電質(zhì)量日益惡化，嚴重地威脅著電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行，因此必須提高電能質(zhì)量，確保用電設備安全穩(wěn)定運行。實時在線電能質(zhì)量監(jiān)測是保證電網(wǎng)安全運行的重要措施，本文基于TMS320C5410A芯片設計了一款電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。首先對電能質(zhì)量監(jiān)測進行了概述，然后給出了電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的結構組成，最后對該裝置的各組成模塊設計進行了詳細闡述。