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，通過測試及使用表明，該設(shè)計使用方便、實時性好、抗干擾性強、測量精度高、性價比優(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)實時控制、監(jiān)測、調(diào)度自動化的前提環(huán)節(jié)，毫無疑問具有重要的作用。如何準確快速地采集電力系統(tǒng)中的各個模擬量并加以分析，以達到實時報警甚至預(yù)防事故發(fā)生的目的，是電力系統(tǒng)研究中的熱點。

文章描述的采樣分析系統(tǒng)選用美國TI公司的TMS320C6711D作為主要的計算核心器件，該芯片具有900 MHz FLOPS高速浮點運算能力和類似RISC的指令集，采用VeloeiTI先進VLIW結(jié)構(gòu)內(nèi)核：8個獨立的功能單元，6個ALU，2個乘法器，浮點支持IEEE標準單精度和雙精度浮點運算，可以每周期執(zhí)行8條32 bit指令，帶有32個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個轉(zhuǎn)換速率為250 ks·s-1的ADC構(gòu)成，每個ADC有2個模擬輸人通道，每個通道都帶有采樣保持器，3個ADC可組成3對模擬輸入，可對其中的輸入信號同時采樣保持。另外，引腳內(nèi)部還帶有2．5 V電壓接口，可用以提供基準電壓。由于6個通道可以同時采樣，因而適用于需同時采集多種信號的應(yīng)用場合。

當ADS8364采用5 MHz的外部時鐘來控制轉(zhuǎn)換時，它的取樣率是250 kHz，同時對應(yīng)4μs的最大吞吐率，即采樣和轉(zhuǎn)換共需花費20個時鐘周期。因此，為了得到最大的輸出數(shù)據(jù)率，讀取數(shù)據(jù)可以在下一個轉(zhuǎn)換期間進行。

1 基于DSP和高速A／D的系統(tǒng)設(shè)計
整個系統(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。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及各種核心算法，并可以通過高速數(shù)據(jù)總線(HPI)將計算所得的數(shù)據(jù)實時傳遞。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工頻周期內(nèi)為A／D提供256點的采樣信號，從而實現(xiàn)同步鎖相的功能。

如圖2所示，通過電壓互感器得到的電壓信號經(jīng)過隔直濾波電路，然后進入過零比較器，得到一個與輸入信號同頻率的TTL電平的方波信號后，再經(jīng)過整形電路，得到一個上升沿陡峭、波形規(guī)則并且頻率與輸入電壓信號相同的CMOS電平方波，進入選相電路。

選相電路能自動選擇有電壓的相別，并根據(jù)選中相別的電壓產(chǎn)生過零信號提供給后續(xù)的PLL電路，以實現(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點的采樣。選相電路以A相電壓作為最優(yōu)先考慮的相別，當A相有電壓時將A相過零信號作為同步信號，閉鎖B、C相；A相掉電后，以B相過零信號作為同步信號，閉鎖C相；A、B相同時掉電，以C相過零信號作為同步信號。在相間進行同步信號切換時，由于電路參數(shù)以及線路本身的延時，會出現(xiàn)一段閉鎖的空白，這時將產(chǎn)生一個中斷信號通知DSP，由DSP提供這個空白時間的同步采樣信號。當三相電壓全部失去后，則由DSP自主產(chǎn)生同步采樣信號，以50 Hz工頻進行256點采樣，如圖2所示。

1．2 A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
模擬變換、信號調(diào)理及A／D轉(zhuǎn)換構(gòu)成整個A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，此電路是整個采樣系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它實現(xiàn)了電壓互感器、電流互感器二次側(cè)的信號隔離、變換適合于A／D采樣的模擬輸入信號，如圖2所示。A／D轉(zhuǎn)換器則將經(jīng)過調(diào)理的模擬信號轉(zhuǎn)換成DSP能夠識別的對應(yīng)的二進制數(shù)字信息。
互感器信號采用差分輸入方式，這種輸入方式抗干擾能力很強。其連接的原理圖如圖3所示。當±Vin輸入最大為-2．5～2．5 V的交流信號，Vref使用+2．5 V的基準時，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)生一個中斷信號EOC通知DSP讀取數(shù)據(jù)，DSP通過地址選擇相應(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、三相電流實時數(shù)據(jù)作為計算基礎(chǔ)。