基于DSP28335的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀器設(shè)計(jì)

樓曉春,何麗莉

(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江杭州 310018)

0 引 言

電力質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端根據(jù)除《暫時(shí)過電壓和瞬時(shí)過電壓》之外的5個(gè)電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[1,2]。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀大多采用定點(diǎn)DSP作為處理內(nèi)核,定點(diǎn)DSP處理數(shù)據(jù)時(shí)需要時(shí)刻關(guān)注溢出的發(fā)生,耗費(fèi)了大量的程序空間和執(zhí)行時(shí)間。TI公司新推出的28335浮點(diǎn)DSP用硬件實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)算法,動(dòng)態(tài)范圍大,計(jì)算精度高,總線寬,硬件資源也更為豐富,較定點(diǎn)DSP有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案采用DSP+MCU的實(shí)現(xiàn)方法,將DSP的高速數(shù)字信號(hào)處理功能和MCU完善的管理、通訊、豐富的接口功能相結(jié)合?；竟ぷ髟砣缦拢耗M電路模塊將電網(wǎng)中的電力信號(hào)轉(zhuǎn)化為ADC的輸入信號(hào),送到A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行同步采樣。轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)送到DSP進(jìn)行分析處理,具體包括電力參數(shù)的測(cè)量、諧波分析等工作,以及原始數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和相關(guān)需要的通訊,然后DSP把相應(yīng)的計(jì)算數(shù)據(jù)和MCU的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換[1-3]。MCU主要完成LCD顯示、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、電表功能選擇、菜單設(shè)置、按鍵處理等,具體設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

1.1 DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F28335浮點(diǎn)DSP作為運(yùn)算核心。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力,具備32位浮點(diǎn)處理單元,6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF,有多達(dá)18路的PWM輸出,其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM),12位16通道ADC[4]。新型F2833x浮點(diǎn)控制器與TI前代領(lǐng)先數(shù)字信號(hào)控制器相比,性能平均提高50%,并與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容。它內(nèi)部資源豐富,存儲(chǔ)器容量大,接口豐富。該部分內(nèi)容較為成熟常見。原理圖略。

1.2 SD卡儲(chǔ)存模塊

1.3 MCU模塊

MCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用美國(guó)Silabs公司的C8051F340單片機(jī),系統(tǒng)包括LCD顯示電路、鍵模塊電路、EEPROM電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等,主要用于設(shè)定參數(shù)、顯示電能質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果和人機(jī)對(duì)話。C8051F340是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU,具有高達(dá)48 MI/s速率、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容微控制器內(nèi)核：全速、非侵入式的在線調(diào)試接口;多達(dá)64 kB的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器;4 352字節(jié)片內(nèi)RAM;接口多樣、功能豐富,可詳見數(shù)據(jù)手冊(cè),很好得滿足了系統(tǒng)的要求。

1.3.1 LCD電路設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 PB375A電路

圖3 USB接口電路

由于液晶顯示器具有輕薄、體積小、低耗電量等特點(diǎn),在嵌入式系統(tǒng),特別是一些低功耗系統(tǒng)中運(yùn)用得越來越廣泛。在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置需要一個(gè)非常友好的用戶界面來顯示電能質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果以及其他設(shè)置與參數(shù),系統(tǒng)采用了一塊15CMLCD顯示模塊。該模塊只需占用MCU較小的資源,就可以實(shí)現(xiàn)豐富的界面顯示,電路如圖4所示。

1.3.2 按鍵模塊電路設(shè)計(jì)

按鍵是在嵌入式設(shè)備中,人機(jī)交互的重要方式,也是最常用的方式。針對(duì)本系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)18個(gè)按鍵功能的輸入,針對(duì)系統(tǒng)中所需要的按鍵數(shù)量較多,為了減少I/O的占用,系統(tǒng)采用3×6矩陣鍵盤。電路如圖5所示。

圖4 LCD接口

圖5 矩陣鍵盤電路

1.3.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置,作為一個(gè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)記錄,需要提供給界面上的時(shí)鐘顯示,更在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存時(shí)需要記錄數(shù)據(jù)的采集時(shí)刻,因此非常需要一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片,用于數(shù)據(jù)記錄,特別是對(duì)某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上,能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄,廣泛應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中,因此本系統(tǒng)也采用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片為系統(tǒng)提供時(shí)鐘,實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路如圖6所示。

1.4 雙CPU數(shù)據(jù)共享與能信設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用DSP+MCU的方案,雙CPU之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換,故采用雙端口RAM數(shù)據(jù)交換方式在本系統(tǒng)中具有極其重要的作用。本系統(tǒng)基于DSP的電能質(zhì)量分析儀,要求實(shí)時(shí)顯示電能質(zhì)量分析結(jié)果以及參數(shù)的設(shè)置,采用電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的專用雙端口IDT7134 RAM芯片方案。由于IDT7134為5V供電的,DSP的IO電壓為3.3V,故需要電平轉(zhuǎn)換,電平轉(zhuǎn)換芯片采用74LVX4245,童半導(dǎo)體公司的74LVX4245,采用5V、3.3V雙電壓供電的雙向驅(qū)動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。MCU的IO電壓也為3.3V,但可以承受5V電壓,故不用進(jìn)行3.3-5V的電壓轉(zhuǎn)換。具體電路如圖7所示。

總之，詳細(xì)研究當(dāng)前高校學(xué)生管理工作的瓶頸與突破是尤為重要的。通過研究發(fā)現(xiàn)，只有做好高校學(xué)生管理工作，才能促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，以推動(dòng)高校的可持續(xù)發(fā)展，從而為社會(huì)培養(yǎng)更多的有用人才。

圖6 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

圖7 雙端口RAM電路

1.5 AD采樣

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)需要達(dá)到8路200kHz頻率的數(shù)據(jù)采樣,故裝置中選用了兩片ADS8364芯片。ADS8364的最大工作頻率可達(dá)5MHz,采樣/轉(zhuǎn)換可在20個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期內(nèi)完成。ADS8364的6個(gè)通道可以同時(shí)進(jìn)行采樣/轉(zhuǎn)換。吞吐率最大可達(dá)250ksps[5-7]。ADS8364采用+5V工作電壓,并帶有80DB共模抑制的全差分輸入通道以及6個(gè)4μ s連續(xù)近似的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6個(gè)差分采樣放大器。本設(shè)計(jì)中采用靈活的控制邏輯,即將A0、A1、A2連接到總線A15、A16、A17上,通過一個(gè)譯碼器芯片,分別片選使能兩片AD芯片。每片AD讓所有的轉(zhuǎn)換信號(hào)共用一個(gè)同步脈沖啟動(dòng)信號(hào),這樣每片AD的12個(gè)通道同時(shí)工作,等所有通道都發(fā)出轉(zhuǎn)換完畢中斷低電平后,DSP可選擇對(duì)應(yīng)的通道讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。ADS8364的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

1.6 模擬采樣前置電路

模擬前置電路模塊主要完成對(duì)電網(wǎng)中電壓、電流的轉(zhuǎn)換,信號(hào)縮放調(diào)整,前期濾波等,使電力信號(hào)轉(zhuǎn)化為合適的ADC輸入信號(hào),并送到A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行同步采樣。本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)對(duì)4路電壓、4路電流的采樣,輸入電壓和輸入電流的設(shè)計(jì)范圍分別是：為0-1000V,而AD芯片ADS8364的參考電壓為+2.5V,差分輸入,故AD的輸入電壓范圍為-2.5-+2.5V之間,因此需要對(duì)電網(wǎng)輸入的電壓進(jìn)行調(diào)整,使其調(diào)整輸出后的電壓在滿足AD輸入要求且精度合適范圍內(nèi)。模擬電路調(diào)整模塊對(duì)4路電壓調(diào)整使其滿足上述要求、對(duì)4路電流首先使其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),再進(jìn)行調(diào)整使其滿足上述要求,如圖9所示為一相電壓、電流的轉(zhuǎn)換電路。

圖8 ADS8364的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

圖9 單相電壓、電流轉(zhuǎn)換電路

1.7 電源

整個(gè)系統(tǒng)所需電壓分別為AD的+12V和-12V、DSP的1.9V,3.3V,單片機(jī)的3.3V,ADS8364模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的5V,以及2.5V參考電壓,以及其他芯片所需的5V、3.3V電壓。因此電源管理電路必須在12V輸入電壓后提供足夠功率的5V、3.3V、2.5V、1.9V電壓。其中+12V、-12V的電路如圖10所示。

5V電壓輸出采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM2596-5電源管理芯片,該芯片為最大輸出可達(dá)3A電流的降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路,內(nèi)含固定頻率振蕩器(150kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23V),最高電壓輸入為40V,并具有完善的保護(hù)電路,包括電流限制以及熱關(guān)斷電路等,利用該器件只需要極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。LM2596-5電源管理電路如圖11所示。

1.9V以及3.3V電壓的輸出采用TI公司的TPS767D318電源管理芯片,該芯片為雙電源輸出,一路為固定的3.3V、一路為可調(diào)輸出,本設(shè)計(jì)中將其輸出為1.9V。每路電源的最大輸出電流為1A,完全滿足系統(tǒng)要求。芯片還提供兩個(gè)寬度為200ms的低電平復(fù)位脈沖。本設(shè)計(jì)中的DSP上電復(fù)位由芯片TPS767D318產(chǎn)生,另加按鍵組成手動(dòng)復(fù)位電路。該電路在芯片使用手冊(cè)中說明詳細(xì),故略。

圖10 正負(fù)12V電源

圖11 5V電源管理電路

2.5V基準(zhǔn)電壓的輸出采用美信公司的MAX6225基準(zhǔn)電壓芯片,該芯片具有很低的溫度系數(shù)、低噪聲、低功耗、動(dòng)態(tài)阻抗低、工業(yè)級(jí)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等特點(diǎn),非常適合本設(shè)計(jì)中長(zhǎng)時(shí)間精確數(shù)據(jù)采集的需求。MAX6225基準(zhǔn)電壓電路圖如圖12所示。

圖12 MAX6225基準(zhǔn)電壓電路

2 軟件設(shè)計(jì)

在DSP軟件中主要包括兩大部分：其一,初始化和數(shù)據(jù)采集部分。這部分的軟件有DSP初始化、AD初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等;其二,數(shù)據(jù)處理部分,主要為電能質(zhì)量分析算法。本文主要討論電能質(zhì)量分析儀的硬件設(shè)計(jì)以及底層軟件開發(fā),對(duì)算法部分不做具體講解。故本文中包括DSP軟件以下幾個(gè)程序模塊：DSP各模塊初始化程序(SCI、GPIO、外部中斷、EMIF等)、AD數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)、U盤/SD卡存儲(chǔ)模塊程序設(shè)計(jì)。

2.1 DSP各模塊初始化程序

DSP片上外設(shè)的初始化主要包括SCI模塊,用于RS232以及RS485通訊;GPIO模塊;EMIF模塊,用于RAM外擴(kuò)以及雙端口 RAM;PWM模塊;外部中斷;SPI模塊初始化等。SCI模塊,設(shè)置SCIB用于RS485通訊,SCIA用于RS232通訊,初始化波特率均為9600 bps,數(shù)據(jù)位為8位,1位停止位,無校驗(yàn)位和流控制位[8]。EMIF模塊初始化位16位總線模式,用于系統(tǒng)讀取外擴(kuò)RAM以及雙端口RAM。PWM設(shè)置為占空比為50%的方波,頻率為5M,用于產(chǎn)生時(shí)鐘提供給ADS8364[9]。外部中斷,設(shè)置為下降沿有效,用于AD轉(zhuǎn)換完成后中斷程序里進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取以及下次AD轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)。SPI模塊初始化,設(shè)置為8位模式,波特率為200k,用于對(duì)U盤/SD卡讀取芯片的操作。

2.2 AD數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),AD數(shù)據(jù)采集程序主要包括AD初始化、AD啟動(dòng)、AD數(shù)據(jù)讀取等操作。其中AD初始化主要完成觸發(fā)ADS8364的復(fù)位引腳RST可以確保讀指針指向第一個(gè)數(shù)據(jù)位置。作為TMS320F28335初始化的一部分,由TMS320F28335的通用輸入輸出口提供給ADS8364的引腳RST。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘穩(wěn)定后,被觸發(fā)為低電平,從而確保了從ADC輸出的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于通道A0、A1、B0、B1、C0、C1的排列。之后通過DSP的PWM模塊提供4M的時(shí)鐘給ADS8364提供工作時(shí)鐘。

對(duì)于每一個(gè)轉(zhuǎn)換通道,EOC均是低電平信號(hào)。ADS8364可為TMS320F28335提供3個(gè)脈沖。每個(gè)脈沖信號(hào)表明一個(gè)轉(zhuǎn)換的結(jié)束。當(dāng)ADC的這3個(gè)引腳同時(shí)置低時(shí),三個(gè)通道被認(rèn)為有效并同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。另外,EOC引腳也可被連接到TMS320F28335的一個(gè)中斷引腳,以觸發(fā)一個(gè)讀周期。

ADS8364的片選CS是一個(gè)有源低電平輸入信號(hào)。當(dāng)CS為高時(shí),并行輸出引腳處于高阻態(tài)。當(dāng)CS為低時(shí),并行數(shù)據(jù)線反映了輸出緩沖器的當(dāng)前狀態(tài)。為了正確地從ADS8364的并行數(shù)據(jù)總線上讀取數(shù)據(jù),ADS8364必須被片選CS選中后才能進(jìn)行讀操作。

ADS8364的讀(RD)信號(hào)端也是有源低電平信號(hào)。當(dāng)CS為低時(shí),在讀信號(hào)(RD)的下降沿,ADS8364中寄存器的內(nèi)容將被更新。這意味著在每個(gè)讀序列之前,RD信號(hào)必須被觸發(fā),這樣才能更新輸出緩沖器。通過TMS320F28335的中斷子程序?qū)DS8364的RD引腳置低可以讀取AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),之后可再將RD引腳置高。ADS8364程序流程圖如圖13所示。

2.3 MCU程序設(shè)計(jì)

MCU軟件中主要完成LCD人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)、按鍵模塊程序設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序設(shè)計(jì)、EEPROM程序設(shè)計(jì)以及雙端口RAM程序設(shè)計(jì)。從而構(gòu)成一個(gè)友好、直觀的用戶界面,且用戶根據(jù)所需的不同功能可操作,滿足了電能質(zhì)量分析的整套用戶管理功能。

2.3.1 MCU各模塊初始化程序

MCU(C8051F340)初始化包括MCU時(shí)鐘,I/O分配,看門狗等初始化工作。片上外設(shè)的初始化主要包括I/O初始化、IIC初始化、EMIF初始化等,主要用于矩陣鍵盤掃描、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、EEPROM讀寫、LCD顯示、雙端口RAM數(shù)據(jù)讀取等。其中EMIF配置為8位,地址總線獨(dú)立模式,通過譯碼器分別對(duì)LCD和雙端口RAM操作。

2.3.2 按鍵模塊程序設(shè)計(jì)

按鍵模塊程序需要確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下,采用行掃描法,又稱為逐行(或列)掃描查詢法,是一種最常用的按鍵識(shí)別方法。判斷鍵盤中有無鍵按下將全部行線原理圖5中Q0、Q1、Q2置低電平,然后檢測(cè)列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低,則表示鍵盤中有鍵被按下,而且閉合的鍵位于低電平線與6根行線相交叉的3個(gè)按鍵之中。若所有列線均為高電平,則鍵盤中無鍵按下。判斷閉合鍵所在的位置在確認(rèn)有鍵按下后,即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平,即在置某根行線為低電平時(shí),其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后,再逐行檢測(cè)各列線的電平狀態(tài)。若某列為低,則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。按鍵模塊流程如圖14所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖13 ADS8364程序流程圖

圖14 按鍵流程

電能質(zhì)量問題已經(jīng)引起了人們的日益重視,準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、全面地分析電能質(zhì)量是非常必要的。本文研制的基于TI的新型浮點(diǎn)DSP處理器TMS320F28335,結(jié)合MCU的電能質(zhì)量分析裝置,可以同時(shí)對(duì)8路數(shù)據(jù)高達(dá)200k/s速度進(jìn)行高速采樣,采用大屏幕、高清晰度的LCD作為顯示器,具有電能質(zhì)量分析、電能計(jì)量、時(shí)間顯示、開關(guān)量輸入與輸出、時(shí)間記錄等功能,并有多種通信接口,適應(yīng)了電能質(zhì)量分析的需求。相比同類產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方案可行、性價(jià)比較高。

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