程增艷,朱秀林,王 軍
(中船重工七二二研究所 湖北 武漢 430079)
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,變流裝置的應(yīng)用越來(lái)越普遍,這些裝置的運(yùn)行,會(huì)造成系統(tǒng)功率因數(shù)低、電壓波形嚴(yán)重畸變等問(wèn)題,直接影響電網(wǎng)供電質(zhì)量和其它用電設(shè)備的運(yùn)行安全。靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)可以就地提供動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償,是解決這些問(wèn)題經(jīng)濟(jì)有效的辦法。數(shù)據(jù)采集處理是無(wú)功補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵步驟,它需要采集電力系統(tǒng)中電壓、電流等物理量,由數(shù)據(jù)處理程序根據(jù)這些物理量計(jì)算出控制所需的信號(hào),由控制算法軟件計(jì)算出控制信號(hào),并將TSC的投切指令輸出給TSC的觸發(fā)執(zhí)行單元,所以,SVC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上除了控制芯片和足夠的存儲(chǔ)器外還要具備足夠的A/D輸入、開(kāi)關(guān)量輸出通道等外圍電路[1]。
DSP芯片以其簡(jiǎn)單方便的外部接口連接,高速、精確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理功能,集成方便等特點(diǎn),越來(lái)越多的應(yīng)用于自動(dòng)控制,儀器儀表,通信等高科技領(lǐng)域。文中設(shè)計(jì)的基于DSP的SVC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),具有采集時(shí)間快、轉(zhuǎn)換精度高、控制方法簡(jiǎn)單、硬件電路少、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)[2]。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由隔離放大器電路、A/D模擬信號(hào)采樣電路、CPLD邏輯電路、DSP處理器電路等組成,組成框圖如圖1所示。
圖1 基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System block diagram for data acquisition based on DSP
電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)的三相電壓、電流信號(hào),經(jīng)過(guò)電流和電壓互感器電路后,通過(guò)隔離放大器隔離送到放大器,然后接入A/D模擬信號(hào)采樣電路中。此時(shí)DSP處理器發(fā)出控制信號(hào),通過(guò)CPLD來(lái)控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,并在轉(zhuǎn)換結(jié)束后,把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送到DSP中。DSP會(huì)根據(jù)當(dāng)前的電壓、電流數(shù)據(jù)計(jì)算出系統(tǒng)有功、無(wú)功情況并發(fā)出控制命令,調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功。DSP通過(guò)CAN總線、網(wǎng)口、串口與上位機(jī)或其它控制系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行通訊。
DSP采用TI公司的TMS320F28335,它是TMS320C28X系列的一個(gè)成員,與同系列的定點(diǎn)DSP相比,該器件的精度高,性能好,外設(shè)集成度高,數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)空間大。TMS320F28335的供電方式采用內(nèi)核為1.8 V,外部為3.3 V,功耗較低。主頻達(dá)150 MHz(時(shí)鐘周期6.67 ns),高性能的32位CPU,16位或者32位的外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口,多達(dá)256 k×l6位的Flash存儲(chǔ)器,多達(dá)34 k×l6位的SRAM存儲(chǔ)器,1 kxl6位的 OTP ROOM,8 k×16的 Boot ROM;2通道 CAN 模塊,3通道SCI模塊,2個(gè)多通道緩沖串口(McBSP),1個(gè)SPI模塊,1個(gè)I2C模塊;12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,轉(zhuǎn)換速度為80 ns[3-6]。
2.2.1 調(diào)理電路
電壓互感器、電流互感器將一次側(cè)強(qiáng)電信號(hào)變換成所需要的弱電信號(hào),用互感器將系統(tǒng)的電壓和電流變化為幅值為-12~+12 V的電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)前端放大電路將其變?yōu)?~3 V的單極性電壓信號(hào),然后送到如圖2所示的調(diào)理電路,再輸入到DSP的A/D采樣通道,同時(shí)起隔離和抗干擾作用。其特點(diǎn)是具有較好的線性度和較小的角移。待測(cè)信號(hào)如果直接輸入A/D轉(zhuǎn)換器或?yàn)V波器可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)載不匹配或高頻串?dāng)_(A/D的采樣引起)的情況,影響測(cè)量精度和穩(wěn)定性,故在電路中加一級(jí)緩沖,以改善接口狀況。信號(hào)的調(diào)理電路如圖2所示。本采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)有采集18路模擬信號(hào),用到18片ISO121和18片OP07。
圖2 調(diào)理電路Fig.2 Conditioning circuit
2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路
模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路由3片16位高精度AD轉(zhuǎn)換器組成,提供18路模擬信號(hào)輸入,并且可以保證所有模擬輸入信號(hào)被同步采樣,減小不同通道信號(hào)被采樣時(shí)造成的相位差,以提高三相不平衡度等參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。電路連接如圖3所示。AD7656是一種16位6通道自同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器,使用了iCMOS工業(yè)制造技術(shù),具有性價(jià)比高、精度高、能耗低、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn),尤其適合于電力系統(tǒng)中模擬量的測(cè)量。
圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.3 A/D circuit
DSP的地址、控制信號(hào)經(jīng)過(guò)CPLD譯碼輸出3片AD7656的控制信號(hào)CS、RD、RESET。此時(shí),三相電流、電壓信號(hào)已經(jīng)分別輸入到兩片AD7656中,只要控制信號(hào)發(fā)出啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的命令,AD7656便開(kāi)始進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到TMS320F28335GF的D0~D15數(shù)據(jù)總線上。AD7656的6個(gè)采樣通道的數(shù)據(jù)是通過(guò)6次連續(xù)的總線讀取得到,而采樣頻率卻只能統(tǒng)一設(shè)置成250 kHz,為了得到10 kHz的采樣數(shù)據(jù)需要對(duì)已采集得到的數(shù)據(jù)做降采樣處理。采用CPU降采樣數(shù)據(jù)效率非常低,會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率,TMS320F28335GF提供的DMA控制器使用靈活可以實(shí)現(xiàn)降采樣數(shù)據(jù)的功能,所以本系統(tǒng)采用DMA的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)降采樣。而由于數(shù)據(jù)量龐大,將AD采集數(shù)據(jù)存放在SDRAM中,而處理時(shí)再將數(shù)據(jù)搬運(yùn)到內(nèi)部RAM中,搬運(yùn)時(shí)仍然使用DMA操作。另外,AD7656的參考電壓電路AD780的輸入端接入5 V電壓同時(shí)對(duì)地并聯(lián)兩個(gè)濾波電容,用來(lái)濾除5 V電源中的干擾電瓶信號(hào),通過(guò)OUT引腳輸出2.5 V的參考電壓,并將該電平連接到 AD7656的 VREF腳[3]。
2.2.3 通訊接口
TMS320F28335有3個(gè)異步串口,本系統(tǒng)只用了兩個(gè)串口,選用MAX3378驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX3378功耗低,集成度高,可用3.3 V電源供電,是一款在UART通信中使用最多的接口芯片之一。TMS320F28335的SCI有如下特點(diǎn):波特率可調(diào),最高可達(dá)64 k;數(shù)據(jù)格式由一位起始位,8~16位的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,可選的奇偶校驗(yàn)位和一至兩位停止位組成;有4個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)標(biāo)志和兩種多處理器模式即空閑線和地址位;可以工作在半雙工或者全雙工模式;具有雙緩沖接收和發(fā)送功能,支持發(fā)送中斷使能和接收中斷使能,支持NRZ格式;SCI還具有自動(dòng)波特率檢測(cè)的硬件邏輯和16級(jí)深度的FIFO功能,能夠減少空頭服務(wù),加快數(shù)據(jù)傳輸速度。串口電路如圖4所示。
圖4 串口電路Fig.4 Serial interface circuit
CAN總線是一種串行通信協(xié)議,具有較高的通信速率和較強(qiáng)的抗干擾能力,可以作為現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于電磁噪聲較大的場(chǎng)合,CAN總線模塊帶有23個(gè)完全可配置郵箱,具有定時(shí)郵遞功能,能夠?qū)崿F(xiàn)靈活穩(wěn)定的串行通信接口。雙電源供電系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境電磁噪聲大,選用CAN總線通信是一種很好的解決方案。本系統(tǒng)選用SN65HVD235為CAN總線的電平轉(zhuǎn)換器件,實(shí)現(xiàn)不同電平節(jié)點(diǎn)的完全兼容。電路如圖5所示。
圖5 CAN總線通信接口電路Fig.5 CAN interface circuit
在硬件系統(tǒng)搭建完成的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)由軟件系統(tǒng)來(lái)完成。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由兩部分組成:其一是邏輯控制部分;其二是數(shù)據(jù)采集與處理部分。邏輯控制部分是運(yùn)行在CPLD上的程序,采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě);數(shù)據(jù)采集與處理部分是運(yùn)行在DSP上的程序,總體上采用匯編和C混合編寫(xiě),即主程序和算法方面用C語(yǔ)言編寫(xiě),運(yùn)行速度要求高的接口程序代碼采用匯編語(yǔ)言。
2.3.1 CPLD程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用了一片Xilinx公司的XC95144對(duì)外部芯片和器件的控制。重點(diǎn)是A/D轉(zhuǎn)換芯片的控制、兩片SDRAM的讀寫(xiě)、I/O擴(kuò)展電路的使能和地址譯碼。它完全符合IEEE 1149.1 JTAG邊界掃描標(biāo)準(zhǔn),具有3.3 V ISP的功能,可通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)在線編程。
本系統(tǒng)CPLD程序的開(kāi)發(fā)是在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ISE10.1下采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)和調(diào)試,最后通過(guò)JTAG接口將程序下載到CPLD器件中。
2.3.2 DSP程序設(shè)計(jì)
主控制器TMS320F28335最先運(yùn)行的程序是系統(tǒng)的初始化程序,主要包括:初始化系統(tǒng)控制,包括初始化看門(mén)狗,系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化,片內(nèi)外設(shè)時(shí)鐘的初始化;控制器內(nèi)存初始化;清除所有的中斷,初始化PIE向量表,禁止DSP中斷等;初始化ADC模塊,主要包括:AD啟動(dòng)、AD時(shí)鐘頻率的選擇、采樣模式的選擇、采樣通道的設(shè)定以及AD中斷程序的設(shè)定等;初始化事件管理器,包括捕獲單元的設(shè)定,通用定時(shí)器的設(shè)定,中斷程序的設(shè)定;初始化外部接口寄存器[2]。
ADC模塊的采樣采用軟件觸發(fā)方式,在DSP定時(shí)器中斷中啟動(dòng)采樣,采用同步方式采樣6個(gè)通道,并采用每次轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷的方式來(lái)紀(jì)錄采樣結(jié)果,并用軟件啟動(dòng)下一次ADC中斷。
目前本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)安裝在現(xiàn)場(chǎng)操作機(jī)柜中,實(shí)踐證明,該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各個(gè)通道高速數(shù)據(jù)流能夠正確采集、存儲(chǔ),并與上位機(jī)進(jìn)行通訊,運(yùn)行穩(wěn)定,完全滿足SVC設(shè)備高速、高精度數(shù)據(jù)采集的要求。
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