基于DSP的交流電量同步采集器設計*

于 海，張 超

（1.新鄉(xiāng)供電公司，河南 新鄉(xiāng) 453000;2.河南機電高等?？茖W校自動控制系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

電力系統(tǒng)交流電量采集是指把電力系統(tǒng)的交流電壓及電流等經(jīng)過變換、濾波、S/H及A/D轉(zhuǎn)換后得到對應該交流電量的離散化數(shù)據(jù)序列，并存放到存儲器中的過程。交流電量的同步采集是指在電力系統(tǒng)的不同采樣點同時開始采樣，使不同采樣點的采樣結(jié)果在時間上具有同步性，這對電力系統(tǒng)繼電保護、故障判斷和系統(tǒng)穩(wěn)定的分析與控制等都具有重要意義［1］。

2 基于絕對時間的交流電量同步采集

利用GPS的同步授時功能，實現(xiàn)交流電量采集的同步性，已成為近年來電力系統(tǒng)研究的熱點之一。同步采集的主要方法就是固定頻率采樣，即所有采樣通道都使用同一個固定的頻率對信號采樣，并利用GPS設備來保證所有的采樣過程都在同一個時刻開始。統(tǒng)一的工作頻率由高穩(wěn)定晶振構成的震蕩電路產(chǎn)生，由GPS發(fā)出的同步秒脈沖傳送給DSP芯片來啟動采樣過程，以此來保證各個采樣點的采樣過程的同步性和同頻性。而且，使用GPS的同步授時的秒脈沖來確保采樣點之間的同步性，不存在終端系統(tǒng)的累積誤差問題。

本方案的關鍵技術就在于利用GPS的同步授時功能，啟動不同地點的采樣系統(tǒng)，同時啟動工作，并在預先設定的頻率狀態(tài)下，采集交流電的電量特征值，保證了數(shù)據(jù)的同步性，對電力系統(tǒng)分析提供了強大的數(shù)據(jù)支持。

圖1 秒脈沖和采樣波形時序

3 硬件結(jié)構

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

交流電量同步采集器整體結(jié)構如圖2所示。同步采集器主要由輸入通道、輸出通道、控制器和同步模塊構成。輸入通道包括變換器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器，三相電壓和電流模擬量經(jīng)過采集、調(diào)理、放大、濾波，又經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入DSP處理器;GPS接收板和CPLD邏輯控制模塊構成的同步模塊將秒脈沖送入DSP，作為采樣起始點，并同步啟動鐵電存儲器，清空上周期采樣值，存儲本采樣周期所獲得的采樣值，以備DSP的調(diào)用和運算;最后，輸出通道由雙口RAM存儲器構成，DSP的計算結(jié)果在雙口RAM中進行緩存，然后由工控機讀取這些數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的處理［2］。

ADS7864是高速、低功率、雙12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以+5V單電源供電。輸入通道全差分，典型共模抑制比為80dB。該器件含有兩個2μs的逐次求近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，6個差分采樣與保持放大器、一個帶REFIN與REFOUT腳的+2.5V內(nèi)部電壓基準以及一個高速并行接口。6個模擬輸入通道分成3對(A、B、C)。每個A/D轉(zhuǎn)換器都有三對輸入端(A0/A1、B0/B1、C0/C1)，可以同時采樣、轉(zhuǎn)換，因此可以保持兩個模擬輸入信號的相對相位信息。每對通道都有一個保持信號(HOLDA/HOLDB/HOLDC)，這3個保持信號同時有效就可以同時保持6路輸入信號，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)分別存放在6個寄存器中。

4 軟件系統(tǒng)設計

同步采集器的軟件主要由以下幾個功能模塊組成:DSP控制器芯片TMS320LF2812的主程序、DSP讀取A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864的采樣程序模塊、DSP采集GPS通信模塊的秒脈沖的同步程序模塊、DSP對雙口RAM讀寫數(shù)據(jù)模塊和采樣值的運算處理模塊。

4.1 主程序流程

主程序流程圖如圖3所示。主程序首先對系統(tǒng)進行初始化操作，這包括存儲器初始化、A/D初始化、GPS通信模塊初始化等;初始化完成，等待GPS定位，提取GPS標準時間，等待鍵掃描;然后根據(jù)鍵掃描情況，執(zhí)行相應的鍵處理程序［3］。

圖3 主程序流程圖

4.2 A/D采樣程序設計

DSP讀取A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864的采樣程序模塊主要完成啟動并控制A/D轉(zhuǎn)換過程、等待轉(zhuǎn)換完成，并由DSP讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果。在A/D轉(zhuǎn)換器開始一次新的轉(zhuǎn)換時，BUSY腳變?yōu)榈碗娖?，并且在轉(zhuǎn)換進行期間一直保持低電平，在數(shù)據(jù)被鎖存到輸出寄存器之后，BUSY腳變?yōu)楦唠娖?。完成一?A/D轉(zhuǎn)換需要16個時鐘周期。轉(zhuǎn)換完成之后，若RD、CS控制端都被拉低，則可以將數(shù)據(jù)讀出。DSP按照預先設定好的地址和順序讀取6路數(shù)據(jù)，然后采集的數(shù)據(jù)送入DSP進行處理，處理結(jié)果通過并行總線接口傳輸?shù)诫pRAM里，以便工控機從中讀取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行管理［4］。

4.3 DSP讀寫數(shù)據(jù)模塊

該模塊把DSP的處理結(jié)果寫到雙口RAM里，通過 FLAG的方向來控制工控機讀取數(shù)據(jù)［5］。

圖4 雙口RAM讀寫流程

5 結(jié)語

該設計方案巧妙利用了GPS同步授時功能，很大程度上提高了系統(tǒng)的同步采樣的準確性，并利用DSP的強大數(shù)據(jù)處理能力，有效地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布處理和集中管理，形成了一個高性能、智能化的通用嵌入式數(shù)據(jù)采集平臺，在工礦等大型直流用電設備集中或三相不平衡的大范圍低壓區(qū)域用電監(jiān)控中，具有廣泛的應用前景。

［1］易先軍.基于DSP的多路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)與應用［D］.武漢:華中科技大學，2005.

［2］肖金球，瑪翼，仲嘉霖.高速多路實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設計［J］.計算機工程，2004，(6).

［3］張瀚，徐科軍，陳智淵.TMS320X281xDSP 原理與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.

［4］傅曉程，祁才君.ADS7864 及其應用［J］.儀表技術，2002，(2):23 －25.