DSP與MSP430的電力系統(tǒng)故障錄波器設(shè)計

摘要：針對目前電力系統(tǒng)故障錄波器功耗高和缺少RF無線通信的缺陷，設(shè)計一種基于DSP與MSP430系列單片機CC430F5137的電力系統(tǒng)故障錄波器。分析了系統(tǒng)運行原理，詳細介紹了數(shù)據(jù)采集分析模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的硬件電路設(shè)計方法。測試結(jié)果驗證了基于DSP和CC430F5137的RF無線通信模塊應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障錄波器的可行性。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；故障錄波器；TMS320F2812；CC430F5137

引言
目前，電力系統(tǒng)錄波器已成為電力系統(tǒng)自動化及系統(tǒng)管理的重要組成部分。簡單地說，電力系統(tǒng)錄波器就是一種數(shù)據(jù)采集記錄裝置，它可以記錄系統(tǒng)非正常和正常狀況下系統(tǒng)電壓、電流、頻率的變化。在電力系統(tǒng)正常運行情況下記錄的數(shù)據(jù)，對于分析電力系統(tǒng)正常運行下電能的應(yīng)用情況起著重要的作用；而故障階段記錄的數(shù)據(jù)，對于分析電力系統(tǒng)故障發(fā)生的原因，以及幫助尋找故障發(fā)生點，從而迅速處理相關(guān)故障事故起著關(guān)鍵的作用。
參考文獻設(shè)計的電力系統(tǒng)故障錄波器，其數(shù)據(jù)傳輸采用計算機與局域網(wǎng)相結(jié)合的方法，必須以局域網(wǎng)方式連接才能傳輸數(shù)據(jù)，使得其應(yīng)用有一定的局限性。參考文獻設(shè)計方案是基于DSP的電力系統(tǒng)故障錄波器，通過以太網(wǎng)方式來控制。這兩種設(shè)計方案必須架設(shè)局域網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，針對以上缺點，現(xiàn)采用基于DSP(TMS320F2812)與CC430F5137的設(shè)計方案。該方案可以實現(xiàn)100～200 m之間的無線傳輸，而且每個CC430F5137中的RF無線模塊都可以作為一個小中繼器，當(dāng)作一個中間節(jié)點，這樣就可以實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)，使得傳輸距離更遠。這些優(yōu)點彌補了目前電力系統(tǒng)錄波器的缺陷，達到了目標應(yīng)用的要求。

1 裝置整體運行原理
電力系統(tǒng)故障錄波器需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析處理等功能。如圖1所示，本系統(tǒng)分為兩部分：一部分是以DSPTMS320F2812為控制核心的數(shù)據(jù)采集分析模塊，其作用是采集6路模擬信號并分析處理數(shù)據(jù)，然后將此數(shù)據(jù)傳輸給CC430F5137；另一部分是以CC430F5137為核心的數(shù)據(jù)處理模塊，其作用是對分析后的數(shù)據(jù)進行顯示，并通過內(nèi)部集成的RF無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。首先，電力系統(tǒng)中的三相電壓和三相電流通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，然后由6路傳感器分別對電壓和電流進行數(shù)值轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路傳遞給A／D轉(zhuǎn)換器AD7656。DSP芯片(TMS320F2812)控制AD7656將6路模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過FFT算法對電壓和電流的數(shù)字量進行分析，并提取出基波和各次諧波分量，計算出功率因數(shù)、有功功率、無功功率和THD值等相關(guān)參數(shù)。最后，DSP通過串口將分析完的數(shù)據(jù)通過串口傳送給CC430F5137(簡稱F5137)，F(xiàn)5137將DSP傳送的數(shù)據(jù)通過觸摸屏進行顯示，包括波形和數(shù)值的顯示等。根據(jù)相關(guān)需要，F(xiàn)5137會利用內(nèi)部集成的RF無線電模塊將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心，如果需要顯示單相或者三相的電壓或者電流，可以通過鍵盤進行選擇。至此，系統(tǒng)運行完畢。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)核心采用TMS320F2812和CC430F5137，采集來的數(shù)字信號經(jīng)過DSP處理后，利用串口將其發(fā)送給F5137。F5137將數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏上，并通過RF無線電模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。
2．1 數(shù)據(jù)采集分析模塊硬件電路設(shè)計
2．1．1 DSP最小應(yīng)用系統(tǒng)
TMS320F2812是TI公司的高性能32位定點DSP芯片。主頻達150 MHz，具有低成本、低功耗和高性能的處理能力，特別適用于有大量數(shù)據(jù)處理的測控場合。
(1)TMS320F2812時鐘電路
出于資源利用和電路設(shè)計的簡單性考慮，TMS320-F2812的時鐘電路采用外接晶振的方法，即在TMS320F2812的X1和X2引腳之間連接一個晶振來啟動內(nèi)部振蕩器。外部晶振的工作頻率為30 MHz，TMS320F2812內(nèi)部具有一個可編程的鎖相環(huán)，用戶可根據(jù)所需系統(tǒng)時鐘頻率對其編程設(shè)置。
(2)TMS320F2812供電電路
TMS320F2812的供電要求有兩種不同的電壓：一種是為其內(nèi)核供電的電壓，為1．9 V；另一種是為I／O口供電的電壓，為3．3 V。其中，Vdd供1．9 V電壓，VDDIO供3．3 V電壓，Vss接地。
2．1．2 TMS320F2812與AD7656的硬件電路
TMS320F2812與AD7656的硬件連接如圖2所示。TMS320F2812的ADCINA復(fù)用為I／O口與AD7656的D0～D15數(shù)據(jù)口相連，用來進行數(shù)據(jù)傳輸GPIOB59端口與CONVST A、CONVST B和CONVST C三個端口相連，作為AD7656的6路A／D同時采樣啟動控制口；GPIOB62端口與AD7656的讀信號／RD相連作為讀取數(shù)據(jù)控制口，GPIOB61端口與AD7656的BUSY相連，GPIOB63端口與AD7656的RESET端口相連作為重啟控制端口，GPIOB60端口與AD7656的／CS端相連作為片選控制口，用來檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。