基于DSP的中頻電源測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張麗靜，閆英敏，趙 霞

（軍械工程學(xué)院 電氣控制教研室，河北 石家莊 050003）

目前，115 V/400 Hz電源廣泛應(yīng)用于航空、航天等軍用設(shè)備中，軍用設(shè)備一般對(duì)頻率精度要求較高，因此必須對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，使其滿足軍用標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)利用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)數(shù)字信號(hào)強(qiáng)大的處理能力，對(duì)交流電壓與頻率進(jìn)行測(cè)試、分析與計(jì)算，以達(dá)到對(duì)中頻電源性能進(jìn)行評(píng)估的目的[1]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)的硬件框圖由4部分組成：電壓信號(hào)調(diào)理模塊、頻率信號(hào)調(diào)理模塊、DSP2407最小系統(tǒng)和液晶顯示模塊，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

被測(cè)信號(hào)（電壓信號(hào)）經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊降壓濾波后，接至DSP的ADCIN00端進(jìn)行信號(hào)采集與A/D轉(zhuǎn)換，而被測(cè)信號(hào)（頻率信號(hào)）經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊降壓、濾波且轉(zhuǎn)化為同頻方波后，接至DSP的CAP端進(jìn)行捕獲。DSP2407是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其功能則是接收A/D端和捕獲CAP端的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)顯示[2]。

1.2 信號(hào)調(diào)理模塊

被測(cè)信號(hào)電壓為－115～115 V，而DSP的輸入要求則是0～3.3 V，因此需對(duì)被測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理[3]。被測(cè)電壓信號(hào)經(jīng)降壓、濾波等處理后，才能進(jìn)入DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電壓信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

圖2中電壓傳感器選用的是精密電壓互感器SPT204A，輸入額定電流為2 mA，額定輸出電流也為2 mA。電壓互感器的輸入端需調(diào)節(jié)R1使輸入電流為2 mA，而互感器的輸出端是電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，調(diào)節(jié)反饋電阻R2與R3可得所需電壓。2個(gè)反接二極管起保護(hù)放大器的作用。該互感器的特點(diǎn)是電磁隔離、精度高、無(wú)漂移，而且對(duì)干擾具有很好的抑制作用。濾波部分為一階低通濾波器，目的是消除對(duì)系統(tǒng)影響較大的高頻信號(hào)。被測(cè)信號(hào)經(jīng)電壓互感器調(diào)理后，轉(zhuǎn)化成－3～3 V的電壓信號(hào)，而DSP2407自帶的A/D轉(zhuǎn)換器是單極性的，因此在互感器電路后接電壓抬升電路，進(jìn)一步調(diào)整電壓信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為0～3 V的電壓信號(hào)后，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖2 電壓信號(hào)調(diào)理電路

頻率信號(hào)調(diào)理模塊的降壓濾波部分與電壓信號(hào)調(diào)理電路基本一致，只是不需再將電壓信號(hào)抬升，而是需經(jīng)過(guò)電壓比較器LM311將正弦電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為同頻率的方波信號(hào)，最后通過(guò)分壓電路進(jìn)一步調(diào)整幅值，使其適合DSP捕獲端的輸入范圍[4]。進(jìn)一步調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 進(jìn)一步調(diào)理電路

1.3 液晶顯示

液晶顯示器（LCD）是提供友好人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)信息人機(jī)交互的關(guān)鍵器件。由于LCD具有低功耗、體積小、質(zhì)量輕等諸多其他顯示器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，它成為測(cè)量結(jié)果顯示和人機(jī)對(duì)話的重要工具。本系統(tǒng)選用的SPRT12864M液晶顯示模塊是128×64點(diǎn)陣的圖形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊[5]。

圖4 DSP2407與LCD的接口電路

DSP2407與LCD之間的接口電路如圖4所示。其中DSP的IOPE0～I(xiàn)OPE7用作數(shù)據(jù)接口，與LCD模塊的數(shù)據(jù)線DB0～DB7相連，完成與LCD間的數(shù)據(jù)傳送；IOPC0與RS（CS）相連，為指令/數(shù)據(jù)選擇位，H為數(shù)據(jù)選擇位，L為指令選擇位；IOPC1與R/W腳相連，為讀/寫選擇位，H為寫信號(hào)，L為讀信號(hào)；IOPC2與E相連，工作狀態(tài)使能；RET是液晶顯示模塊的復(fù)位端，直接連接到DSP的復(fù)位引腳RS，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，LCD同時(shí)復(fù)位；VDD接+3.3 V輸入電源。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DSP是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心，而軟件編程又是這一核心的靈魂。整個(gè)DSP系統(tǒng)在Code Composer Setup編譯環(huán)境下開發(fā)，采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言相結(jié)合的編程方式，完成對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

2.1 電壓數(shù)據(jù)采集子程序

電壓數(shù)據(jù)采集是直接通過(guò)TMS320LF2407自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）實(shí)現(xiàn)的。首先對(duì)ADC進(jìn)行初始化，確定ADC通道的級(jí)聯(lián)方式，采樣時(shí)間窗口預(yù)定標(biāo)，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)等。然后啟動(dòng)ADC采樣，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，采樣8次。由于得到的數(shù)據(jù)被默認(rèn)存儲(chǔ)到ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器（RESULT0～7）的高10位中，因此定義1個(gè)數(shù)組，將RESULT n中的值經(jīng)過(guò)移位還原后存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)組中。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，則轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理[6]。電壓信號(hào)數(shù)據(jù)采集子程序的流程圖如圖5所示。

圖5 電壓數(shù)據(jù)采集流程圖

2.2 頻率數(shù)據(jù)采集子程序

交流電壓頻率的采集是通過(guò)DSP2407的捕獲引腳，對(duì)頻率信號(hào)調(diào)理模塊輸出的方波上升沿時(shí)的時(shí)鐘進(jìn)行捕獲得到的，然后在頻率采集信號(hào)數(shù)據(jù)處理部分根據(jù)相鄰時(shí)鐘差值求出其對(duì)應(yīng)的頻率值。頻率信號(hào)數(shù)據(jù)采集子程序流程如圖6所示。

圖6 頻率數(shù)據(jù)采集流程

3 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)是基于DSP的中頻電源測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了以DSP為控制核心的測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)電壓互感器SPT204A的外圍電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，對(duì)交流電壓輸出與所需輸入建立了一種平臺(tái)，提出了一種電壓信號(hào)調(diào)理的新思路，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能良好等優(yōu)點(diǎn)，可推廣使用到其他中頻軍用設(shè)備以及民用設(shè)備的系統(tǒng)測(cè)試中。

[1]楊學(xué)昭，王耕.基于單片機(jī)的400 Hz軍用電源頻率和相位的測(cè)量設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2003，15（7）：42-43.

[2]高麗霞.先進(jìn)飛機(jī)測(cè)控平臺(tái)的研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]林杰，姜學(xué)東.基于DSP2407的高頻高壓電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2009，17（2）：56-58.

[4]周克東.基于DSP的50 kW/400 kHz感應(yīng)加熱電源研究[J].電力電子技術(shù)，2008，43（12）：36-37.

[5]鄧國(guó)棟.基于DSP的鉛酸蓄電池智能充電系統(tǒng)研究[D].石家莊：軍械工程學(xué)院，2008.

[6]劉軍.基于交流采樣的電網(wǎng)電壓智能監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（2）：59-60.