基于DSP和ARM的0.02級(jí)交直流多功能標(biāo)準(zhǔn)表的設(shè)計(jì)

銀暉，歐朝龍，熊鷹

(湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南 長沙410007)

隨著電力行業(yè)不斷的深入改革，工業(yè)三相高精度多功能標(biāo)準(zhǔn)表的需求迅速增加。而目前國內(nèi)市場上多功能標(biāo)準(zhǔn)表的品種有限、價(jià)格昂貴、功能不完善，多是針對(duì)部分應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，不能普遍使用。本文提出的一種多功能高精度標(biāo)準(zhǔn)表的設(shè)計(jì)將解決這些問題。

本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)表應(yīng)用了DSP 和ARM 等測(cè)量技術(shù)，并使用了DSP 作為其核心處理器，測(cè)量誤差為0.02 級(jí)以內(nèi)。采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括模塊化通道板、信號(hào)采集板、測(cè)量計(jì)算板、核心控制器板，并且采用先進(jìn)的大型集成電路。因此，此標(biāo)準(zhǔn)表具有許多優(yōu)點(diǎn):系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，良好的人機(jī)交互界面，重量輕，體積小，可以長期應(yīng)用于工作領(lǐng)域以及實(shí)驗(yàn)室。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)原理

1.1 工作原理

0.02級(jí)交直流多功能標(biāo)準(zhǔn)表原理模塊框圖如圖1 所示。

圖1 0.02 級(jí)交直流多功能標(biāo)準(zhǔn)表原理模塊框圖

為保證測(cè)量精度且可靠，將模擬信道和測(cè)量信道分離。模擬信道中，測(cè)量電壓由精密電壓采樣模塊轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)，測(cè)量電流由電流互感器采樣并將其轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)。然后分別將交直流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換后的小信號(hào)送入各自的測(cè)量信道中進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。其中模擬信道還執(zhí)行通道中的檔位自動(dòng)切換功能。

交流信號(hào)采集電路主要采用16 位A/D 轉(zhuǎn)換器，獨(dú)立的6 路A/D 采集電路能夠同時(shí)獲得6 路測(cè)量信號(hào)的采樣結(jié)果，由CPLD EPM1270 控制6路A/D，分別對(duì)每路交流電壓信號(hào)和交流電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并最終通過串行方式發(fā)送到DSP ADI BF532。

直流信號(hào)采集電路主要采用24 位A/D 轉(zhuǎn)換器，獨(dú)立的2 路A/D 采集電路能夠同時(shí)獲得2 路測(cè)量信號(hào)的采樣結(jié)果，由ARM LPC2114 控制2 路A/D，分別對(duì)直流電壓信號(hào)和直流電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并最終通過SPI 串行方式發(fā)送到DSP ADI BF532。

在本設(shè)計(jì)中，DSP 嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人性化中文操作界面，能夠高速完成對(duì)交流信號(hào)采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理并將結(jié)果在系統(tǒng)平臺(tái)上顯示出來。ARM7 LPC2114 處理直流信號(hào)的采集與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，并將結(jié)果傳送至DSP 實(shí)時(shí)系統(tǒng)平臺(tái)上顯示。DSP 系統(tǒng)還支持RS232 通訊規(guī)約與上位機(jī)軟件通訊。

1.2 測(cè)量原理

交流信號(hào)采用軟件同步法同步采樣，首先測(cè)出被測(cè)信號(hào)的周期T，用該周期除以1 個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N，即Ts=T/N 得到采樣間隔，然后再精確定時(shí)采樣。在采樣點(diǎn)的正值與負(fù)值間采用插值法，通過逐次逼近方法發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)。由于零點(diǎn)和第一次的類似采樣點(diǎn)之間的時(shí)間已經(jīng)獲得，測(cè)量信號(hào)的頻率在1 個(gè)周期的采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上可以計(jì)算。

直流信號(hào)采用多次采樣、統(tǒng)計(jì)后再平均，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算。

2 采樣電路

A/D 采樣電路的設(shè)計(jì)是該設(shè)備非常關(guān)鍵的一步，它直接影響模型測(cè)量的穩(wěn)定性、線性度、噪聲水平以及每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)表采用硬件低通濾波器和差分電路〔4〕以及電位調(diào)整電路設(shè)計(jì)采樣保持電路，以確保信號(hào)不受共模干擾和高頻干擾，且符合A/D 輸入值范圍。

2.1 AD8139 交流采樣和保持電路

由AD8139 構(gòu)成的低噪聲采樣保持電路，采用差分信號(hào)輸入，有效抑制共模干擾，并在輸出端加低通濾波器，濾除高頻干擾。6 路通道分別通過各自A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，這種使用獨(dú)立AD 采樣的方案，使各通道同步采樣，既可以提高各通道的采樣精度，也避免了共用通道而引起的誤差。采樣保持電路原理如圖2。

圖2 AD8139 采樣電路

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字離散信號(hào)時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換器會(huì)帶來量化誤差。A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越少，相鄰量化類間的差異就會(huì)越大，因此量化誤差就越大，同時(shí)其輸入輸出特性也對(duì)采樣電路影響很大。為了使A/D 采樣電路對(duì)測(cè)量回路的影響減少，應(yīng)提高A/D 轉(zhuǎn)換器電路的輸入阻抗。

2.3 交流采樣A/D 轉(zhuǎn)換模塊AD7688

AD7688 是16 位串行A/D 轉(zhuǎn)換器，500 千次/s的采樣率，其內(nèi)部集成了非線性校正電路以及脈沖信號(hào)控制電路，采樣的啟動(dòng)信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)及矯正開始信號(hào)都由外部CPU 提供。

在使用A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)，為了得到較高的精度，應(yīng)該采用合適的采樣頻率，同時(shí)1 個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)的分布應(yīng)該是平均的。A/D 轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)是比較模擬電壓與基準(zhǔn)電壓的大小，然后確定比較位。只有這樣A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生的誤差才會(huì)小。

轉(zhuǎn)換器AD7688 使用的外部基準(zhǔn)是max6250，這種芯片有恒溫槽，具有較高的長期穩(wěn)定性和較好的溫度特性。至于數(shù)字信號(hào)噪聲對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換器的干擾問題，實(shí)際上只要處理好數(shù)字地與模擬地的連接問題就可以了。

2.3 直流采樣保持電路

由于直流電壓電流的輸入存在正負(fù)方向的問題，且由于A/D7787 應(yīng)用于0～5 V 的采集電路，故需要加輸入A/D 轉(zhuǎn)換模塊的電平調(diào)整至0～5 V之間，在此采用低噪聲運(yùn)放OP07，調(diào)節(jié)A/D 輸入電平，并在輸出級(jí)加上低通濾波電路。其原理如圖3。

圖3 直流采樣保持電路設(shè)計(jì)

2.4 直流采樣A/D 轉(zhuǎn)換模塊AD7787

AD7787 是一款適用于低頻測(cè)量的低功耗、低噪聲、雙通道、24 位∑－△模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它利用片內(nèi)時(shí)鐘電路工作，因而無需用戶提供時(shí)鐘源。數(shù)據(jù)輸出速率可由軟件設(shè)置，這一特性使其轉(zhuǎn)換速率可在9.5～120 Hz 之間變化?，F(xiàn)設(shè)置在16 Hz，此轉(zhuǎn)換速率對(duì)于直流信號(hào)采集的穩(wěn)定性很好。

2.5 采樣檔位切換模塊

6B595芯片是串行數(shù)據(jù)輸入，并行輸出。將CMOS 信號(hào)轉(zhuǎn)變寄存器值并數(shù)據(jù)鎖存，其漏級(jí)輸出最高電流達(dá)500 mA，主要應(yīng)用于控制繼電器。如果2 片6B595 系列芯片一起工作，一個(gè)16 位的移位寄存器便可以實(shí)現(xiàn)。采用6B595 芯片設(shè)計(jì)檔位切換模塊，繼電器切換可靠，且電路設(shè)計(jì)簡單。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 寬量限設(shè)計(jì)

采用模擬多路開關(guān)與芯片74HC595 控制繼電器，將大小電壓獨(dú)立分開測(cè)量，改變?nèi)颖３蛛娐贩糯蟊稊?shù)，根據(jù)輸入電壓大小，自動(dòng)選擇合適的檔位，使測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)紸D 的值保持在輸入范圍內(nèi)。通過以上方法，將三相交流電壓檔位擴(kuò)增到1 000 V，三相交流電流擴(kuò)增到100 A，直流電壓擴(kuò)增到1 000 V，直流電流擴(kuò)增到50 A。為保證繼電器切換可靠，將ULN2003 與74HC595 連用。采用74HC595 串轉(zhuǎn)并芯片，它占用CPU 控制引腳少，且控制簡單可靠性高?？驁D如圖4。

圖4 多量限檔位切換框圖

3.2 獨(dú)立雙核設(shè)計(jì)

采用ARM7LPC2114 與DSP ADI BF532 雙核設(shè)計(jì)該設(shè)備，ARM7 負(fù)責(zé)對(duì)直流電壓電流采樣、計(jì)算、校準(zhǔn)、存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及檔位切換，對(duì)于LPC2114 主頻為70MHz 的處理器來說輕而易舉。根據(jù)通訊速率與可靠性的考慮，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中，SPI 接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。即通過SPI 通訊方式與DSP通訊將數(shù)據(jù)上傳，通過DSP 實(shí)時(shí)系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)，DSP BF532 主要負(fù)責(zé)交流電壓電流信號(hào)的采集與FFT 計(jì)算，交流電壓電流檔位計(jì)算與切換以及人機(jī)界面與鍵盤控制，這樣既可以減輕DSP 計(jì)算的負(fù)擔(dān)，又可以將交流與直流獨(dú)立有效地分開，使交流電壓與電流間互相不受影響。

3.3 數(shù)字模擬開關(guān)與斬波運(yùn)算放大器相結(jié)合

采用數(shù)字模擬開關(guān)MAX4053 與斬波運(yùn)算放大器TLC2652 相結(jié)合，通過MAX4053 高精度模擬多路復(fù)用器切換不同的斬波運(yùn)算放大器反饋電阻，從而根據(jù)不同的檔位得到相同范圍的采樣值送給AD。TLC2652 以高精度，低零點(diǎn)而得名，它能夠有效地抑制直流放大電路零點(diǎn)漂移。

4 外部接口設(shè)計(jì)

接口部分是連接內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)表電路和外部電路的唯一通道，其可靠性直接影響標(biāo)準(zhǔn)表的性能。在通信方面，本設(shè)計(jì)具有各種物理接口，如RS485 接口，RS232 接口等。RS232 接口具有許多優(yōu)點(diǎn):如傳輸效率高、抗干擾能力強(qiáng)、安裝簡單。因此，多功能標(biāo)準(zhǔn)表在國內(nèi)市場主要采用RS232 接口，它符合湖南省的多功能標(biāo)準(zhǔn)表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)本設(shè)計(jì)中采取了許多保護(hù)措施，如隔離電源、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、與外界隔絕輸出等。

為了進(jìn)一步確保通信可靠，應(yīng)降低傳輸速度。標(biāo)準(zhǔn)表的RS232 接口使用9 600 bps 的傳輸速率。此傳輸速率完全可以再提高，但該速率能夠使標(biāo)準(zhǔn)表與上位機(jī)軟件安全可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

根據(jù)許多公司提供的多功能標(biāo)準(zhǔn)表通訊協(xié)議取長補(bǔ)短，嚴(yán)格地以安全可靠的原則擬定多功能標(biāo)準(zhǔn)表的通信協(xié)議規(guī)范，以促進(jìn)電測(cè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)廠家通訊接口與協(xié)議的可靠性與規(guī)范性，對(duì)今后的電測(cè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)表領(lǐng)域具有重要意義。

5 電源電路模塊設(shè)計(jì)

電源模塊是系統(tǒng)的核心部分，其穩(wěn)定性和可靠性決定了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。由于開關(guān)電源存在紋波大、干擾大的缺點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)中主要采用線性電源。

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的三相寬范圍多功能標(biāo)準(zhǔn)表采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括模擬信號(hào)模塊、ADI BF532－DSP數(shù)據(jù)采樣模塊、控制模塊、RS232 通信模塊、電源模塊和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊。結(jié)構(gòu)模塊化能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)功能模塊的獨(dú)立調(diào)整和測(cè)試，縮短了整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，并確保大規(guī)模生產(chǎn)。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不同模塊的簡單組合，可以產(chǎn)生一系列不同的多功能標(biāo)準(zhǔn)表產(chǎn)品。

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