高速AD轉換器ADS8364在電能質量監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

       引言 
       隨著我國電網(wǎng)的逐步發(fā)展，如何保證優(yōu)良的電能質量成為一項重要的工作。電能質量監(jiān)控系統(tǒng)可以實時跟蹤電網(wǎng)參數(shù)的變化，故可為改善電網(wǎng)電能質量提供實際依據(jù)。

       傳統(tǒng)的監(jiān)控裝置對目前一些高頻的復雜暫態(tài)量的采集與處理還相對困難，所以研制一種高速的、處理能力強大的監(jiān)控系統(tǒng)有著重要的意義。為此，本文以TMS320F2812型DSP為控制核心設計了一種電能質量監(jiān)控系統(tǒng)。

       TMS320F2812是TI公司生產(chǎn)的32位定點DSP，它采用1.8 V的內核電壓，具有3.3 V的外圍接口電壓，最高頻率150 MHz，片內有18K字的RAM。由于在通常情況下，采集系統(tǒng)中轉換器件的性能決定著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。所以本設計選用TI公司的ADS8364作為AD轉換模塊。ADS8364的最高頻率為5 MHz，對應采樣頻率250kHz，可以滿足本采集系統(tǒng)的要求。

       1 ADS8364的主要特性

       ADS8364是一種高速、低功耗、6通道同步采樣轉換器件，它是16位高速并行接口的模數(shù)轉換芯片。每片ADS8364由3個轉換速率為250 ksps的ADC構成，每個ADC有2個模擬輸入通道，每個通道都帶有采樣保持器，3個ADC可組成3對模擬輸入，可對其中的輸人信號同時采樣保持。另外，引腳內部還帶有2.5 V電壓接口，可用以提供基準電壓。由于6個通道可以同時采樣，因而很適合用于需同時采集多種信號的應用場合。圖1所示是ADS8364的管腳排列圖。 

 

       ADS8364的6個模擬輸入通道可分為三組，分別為A、B和C組。每組都有一個保持信號(分別為HOLDA、EF和HOLDC)，以用于啟動各組的A／D轉換。6個通道可以進行同步并行采樣和轉換。當ADS8364的HOLDX保持20 ns的低電平后，開始轉換。當轉換結果被存入輸出寄存器后，引腳EF的輸出將保持半個時鐘周期的低電平，以提示數(shù)據(jù)分析處理器進行轉換結果的接收，處理器通過置RD和CS為低電平可使數(shù)據(jù)通過并行輸出總線讀出。圖2所示為ADS8364的工作時序。 

 
  

       2 系統(tǒng)硬件設計

       數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計要求經(jīng)濟合理、安全可靠，并具有足夠的抗干擾能力。裝置的信號采樣和模數(shù)轉換由AD模塊和DSP來完成。待測線路上的信號先分別經(jīng)過變壓和信號調理，以使其變?yōu)檫m合采樣的信號，再進入采樣模塊。采樣模塊要對高速交變模擬信號進行采集，因此，本設計選用TI公司的高精度ADS8364為AD轉換芯片，并以TMS320F2812型DSP為控制核心，被測數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調理和同步采樣后再進人數(shù)據(jù)處理單元。其采樣原理如圖3所示。 

 

       模擬通道輸入采用差分輸入方式來減少共模干擾，并采用電壓基準芯片AD780來提供2.5 V的電壓基準。其電路圖如圖4所示。 

 

       由于電力系統(tǒng)中的電壓電流信號一般不能直接送到A／D器件的輸入端進行轉換，而要先經(jīng)過降壓和信號調理等預處理。因此，本設計采用SCT254FK精密電流互感器來將電流信號轉化為電壓信號。其額定輸入電流為5 A，額定輸出電流為2.5 mA。信號調理電路如圖5所示。圖中，調整反饋電阻R1和R2的值可得到所需要的電壓輸出。電容C2及可調電阻R3是用來補償相移的。電容C3和C4是400～1000 pF的小電容，主要用以去耦和濾波。兩個反接的二極管D1和D2用以保護運算放大器。運算放大器視精度要求而定，本文使用精度和穩(wěn)定性都比較好的OP07。 

 

       AD的啟動信號由DSP的時鐘輸出通過CPLD給出，同時，CPLD還將譯碼AD的片內寄存器地址，以將AD轉換結果直接映射到DSP的內存空間。AD轉換結束信號經(jīng)過CPLD與DSP的外部中斷引腳相連，可用于通知DSP讀取AD轉換結果。

       本設計中，ADS8364采用的是4 MHz時鐘。每通道的轉換速率最大可達200 ksps。將AD的地址線接到TMS320F2812的地址線，可在A0接數(shù)字地，而A2和A1接VCC時，使ADS8364進入周期模式。在這個模式中，轉換器可自動對六個通道進行采樣，并可將數(shù)據(jù)以A0、A1、B0、B1、C0、C1的順序對應傳送到輸出端。ADS8364與DSP的接口電路如圖6所示。 

 

       3 采樣系統(tǒng)的軟件設計

       系統(tǒng)主程序分為兩個部分：一是系統(tǒng)初始化模塊，二是控制模塊。其中初始化模塊只在系統(tǒng)上電時執(zhí)行一次，主要是對系統(tǒng)狀態(tài)寄存器的設置、中斷標志和允許的設置、看門狗的設置、定時器初始化、捕獲單元初始化、液晶顯示初始化、I／O口的設置和初始化、E2PROM初始化等。系統(tǒng)初始化程序流程圖如圖7所示。初始設置完成并得到開機信號后，系統(tǒng)進入循環(huán)等待狀態(tài)。當有中斷事件發(fā)生時，則進入相應的中斷服務子程序去完成測控功能。 

 

        控制系統(tǒng)的主要指令都可在定時器中完成。圖8所示是其定時器周期中斷服務程序流程圖。若定時器計數(shù)器的值與定時器周期寄存器的值相等，則產(chǎn)生周期中斷請求。中斷被響應后，系統(tǒng)將進入中斷服務程序。當其確認中斷源正確后，首先啟動外部A／D轉換器，以采集相應的電能質量信號，再對轉換結果進行數(shù)據(jù)處理與比較，最后開總中斷并返回。 
  
 

       4 結束語

       本文介紹了高速AD轉換器ADS8364在以TMS320F2812型DSP為控制核心的電能質量監(jiān)控系統(tǒng)中的應用方法。ADS8364速度快，精度高，配合DSP強大的運算功能可構建性能優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。現(xiàn)場運行表明，基于此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電能質量監(jiān)控裝置，其工作十分穩(wěn)定可靠。

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