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基于TMS320F2812型DSP和模数转换器实现电能质量监控系统的设计

2020年07月29日 11:54 次阅读

随着我国电网的逐步发展,如何保证优良的电能质量成为一项重要的工作。电能质量监控系统可以实时跟踪电网参数的变化,故可为改善电网电能质量提供实际依据。

传统的监控装置对目前一些高频的复杂暂态量的采集与处理还相对困难,所以研制一种高速的、处理能力强大的监控系统有着重要的意义。为此,本文以TMS320F2812型DSP为控制核心设计了一种电能质量监控系统。

TMS320F2812是TI公司生产的32位定点DSP,它采用1.8 V的内核电压,具有3.3 V的外围接口电压,最高频率150 MHz,片内有18K字的RAM。由于在通常情况下,采集系统中转换器件的性能决定着系统性能的优劣。所以本设计选用TI公司的ADS8364作为AD转换模块。ADS8364的最高频率为5 MHz,对应采样频率250kHz,可以满足本采集系统的要求。

1、ADS8364的主要特性

ADS8364是一种高速、低功耗、6通道同步采样转换器件,它是16位高速并行接口的模数转换芯片。每片ADS8364由3个转换速率为250 ksps的ADC构成,每个ADC有2个模拟输入通道,每个通道都带有采样保持器,3个ADC可组成3对模拟输入,可对其中的输人信号同时采样保持。另外,引脚内部还带有2.5 V电压接口,可用以提供基准电压。由于6个通道可以同时采样,因而很适合用于需同时采集多种信号的应用场合。图1所示是ADS8364的管脚排列图。

基于TMS320F2812型DSP和模数转换器实现电能质量监控系统的设计

ADS8364的6个模拟输入通道可分为三组,分别为A、B和C组。每组都有一个保持信号(分别为HOLDA、EF和HOLDC),以用于启动各组的A/D转换。6个通道可以进行同步并行采样和转换。当ADS8364的HOLDX保持20 ns的低电平后,开始转换。当转换结果被存入输出寄存器后,引脚EF的输出将保持半个时钟周期的低电平,以提示数据分析处理器进行转换结果的接收,处理器通过置RD和CS为低电平可使数据通过并行输出总线读出。图2所示为ADS8364的工作时序。

2、系统硬件设计

数据采集系统硬件设计要求经济合理、安全可靠,并具有足够的抗干扰能力。装置的信号采样和模数转换由AD模块和DSP来完成。待测线路上的信号先分别经过变压和信号调理,以使其变为适合采样的信号,再进入采样模块。采样模块要对高速交变模拟信号进行采集,因此,本设计选用TI公司的高精度ADS8364为AD转换芯片,并以TMS320F2812型DSP为控制核心,被测数据经过信号调理和同步采样后再进人数据处理单元。其采样原理如图3所示。

模拟通道输入采用差分输入方式来减少共模干扰,并采用电压基准芯片AD780来提供2.5 V的电压基准。其电路图如图4所示。

由于电力系统中的电压电流信号一般不能直接送到A/D器件的输入端进行转换,而要先经过降压和信号调理等预处理。因此,本设计采用SCT254FK精密电流互感器来将电流信号转化为电压信号。其额定输入电流为5 A,额定输出电流为2.5 mA。信号调理电路如图5所示。图中,调整反馈电阻R1和R2的值可得到所需要的电压输出。电容C2及可调电阻R3是用来补偿相移的。电容C3和C4是400~1000 pF的小电容,主要用以去耦和滤波。两个反接的二极管D1和D2用以保护运算放大器。运算放大器视精度要求而定,本文使用精度和稳定性都比较好的OP07。

AD的启动信号由DSP的时钟输出通过CPLD给出,同时,CPLD还将译码AD的片内寄存器地址,以将AD转换结果直接映射到DSP的内存空间。AD转换结束信号经过CPLD与DSP的外部中断引脚相连,可用于通知DSP读取AD转换结果。

本设计中,ADS8364采用的是4 MHz时钟。每通道的转换速率最大可达200 ksps。将AD的地址线接到TMS320F2812的地址线,可在A0接数字地,而A2和A1接VCC时,使ADS8364进入周期模式。在这个模式中,转换器可自动对六个通道进行采样,并可将数据以A0、A1、B0、B1、C0、C1的顺序对应传送到输出端。ADS8364与DSP的接口电路如图6所示。

3、采样系统的软件设计

系统主程序分为两个部分:一是系统初始化模块,二是控制模块。其中初始化模块只在系统上电时执行一次,主要是对系统状态寄存器的设置、中断标志和允许的设置、看门狗的设置、定时器初始化、捕获单元初始化、液晶显示初始化、I/O口的设置和初始化、E2PROM初始化等。系统初始化程序流程图如图7所示。初始设置完成并得到开机信号后,系统进入循环等待状态。当有中断事件发生时,则进入相应的中断服务子程序去完成测控功能。

控制系统的主要指令都可在定时器中完成。图8所示是其定时器周期中断服务程序流程图。若定时器计数器的值与定时器周期寄存器的值相等,则产生周期中断请求。中断被响应后,系统将进入中断服务程序。当其确认中断源正确后,首先启动外部A/D转换器,以采集相应的电能质量信号,再对转换结果进行数据处理与比较,最后开总中断并返回。

4、结束语

本文介绍了高速AD转换器ADS8364在以TMS320F2812型DSP为控制核心的电能质量监控系统中的应用方法。ADS8364速度快,精度高,配合DSP强大的运算功能可构建性能优异的数据采集系统。现场运行表明,基于此数据采集系统的电能质量监控装置,其工作十分稳定可靠。

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