基于DSP和高速AD的電力系統(tǒng)多通道同步采樣

摘要：介紹了一種以DSP芯片TMS320C6711D為處理核心，輔以高速A／D芯片ADS8364，實(shí)現(xiàn)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(guò)測(cè)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(cè)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(cè)、調(diào)度自動(dòng)化的前提環(huán)節(jié)，毫無(wú)疑問(wèn)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(guó)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(duì)模擬輸入，可對(duì)其中的輸入信號(hào)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(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合。

當(dāng)ADS8364采用5 MHz的外部時(shí)鐘來(lái)控制轉(zhuǎn)換時(shí)，它的取樣率是250 kHz，同時(shí)對(duì)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(guò)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(hào)，從而實(shí)現(xiàn)同步鎖相的功能。

如圖2所示，通過(guò)電壓互感器得到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)隔直濾波電路，然后進(jìn)入過(guò)零比較器，得到一個(gè)與輸入信號(hào)同頻率的TTL電平的方波信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)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(hào)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(guò)零信號(hào)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(guò)零信號(hào)作為同步信號(hào)，閉鎖B、C相；A相掉電后，以B相過(guò)零信號(hào)作為同步信號(hào)，閉鎖C相；A、B相同時(shí)掉電，以C相過(guò)零信號(hào)作為同步信號(hào)。在相間進(jìn)行同步信號(hào)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(hào)通知DSP，由DSP提供這個(gè)空白時(shí)間的同步采樣信號(hào)。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(hào)，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(hào)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(hào)隔離、變換適合于A／D采樣的模擬輸入信號(hào)，如圖2所示。A／D轉(zhuǎn)換器則將經(jīng)過(guò)調(diào)理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP能夠識(shí)別的對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信息。
互感器信號(hào)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(hào)，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(hào)EOC通知DSP讀取數(shù)據(jù)，DSP通過(guò)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)。