基于T MS320F28335的電力測控終端設計

王竟灃,隋　濤,張英亮,任明海（山東科技大學電氣與自動化工程學院,山東　青島　266590）

?

基于T MS320F28335的電力測控終端設計

王竟灃,隋濤,張英亮,任明海
（山東科技大學電氣與自動化工程學院,山東青島266590）

摘 要:設計了一種基于TMS320F28335的電力測控終端的硬件電路，包含鎖相環(huán)、模擬量輸入、開關量輸入、開關量輸出和以太網(wǎng)通信六個主要功能模塊的實現(xiàn)方法，能夠實現(xiàn)實時測量電力參數(shù)、錄波、監(jiān)控功能。

關鍵詞:DSP；交流采樣；測控終端

0　引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模龐大，組成復雜，系統(tǒng)的運行監(jiān)測、控制須依靠測控裝置完成。由于硬件資源存在不足，早期的自動測控裝置往往測量精度不夠理想、硬件電路復雜、通信速率較慢。本文選用DSP處理器，設計了一種基于TMS320F28335的測控終端。該裝置可實現(xiàn)電力參數(shù)實時測量、諧波分析、錄波、監(jiān)控設備以及線路運行等功能。

TMS320F28335是TI公司生產(chǎn)的用于實時控制的高性能浮點型數(shù)字信號處理器。其主頻最高達150MHz，采用高性能32位CPU、單精度浮點單元，能夠進行浮點運算，提高了數(shù)字信號處理能力，能夠以較高的精度和速度來實現(xiàn)實時測量；該處理器還有ADC、EPWM等外設資源，能夠滿足監(jiān)測、控制功能對硬件的要求。

1　系統(tǒng)硬件結構

終端以TMS320F28335處理器為核心，輔之以鎖相環(huán)、模擬量輸入、開關量輸入、開關量輸出和以太網(wǎng)通信五個主要功能模塊以及電源、晶振等輔助功能模塊。其硬件結構如圖1所示。

該終端主要功能為測量、監(jiān)視和控制。終端通過模擬量輸入模塊實時獲取電壓、電流的瞬時值，而后由DSP處理器計算相關電力參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)測量、諧波分析；通過開關量輸入模塊實時監(jiān)視開關設備的工作狀態(tài)；通過開關量輸出模塊實現(xiàn)控制功能。

2　功能模塊設計

2.1鎖相環(huán)

終端通過該模塊獲取線路的交流信號頻率，以該模塊輸出的N倍頻信號作為模擬量輸入模塊的采樣信號，以實現(xiàn)對交流同步采樣，其中N為一個交流信號周期中的采樣點數(shù)。本文采用硬件鎖相環(huán)，由TMS320F28335處理器和TI公司的CD54HCT4046A芯片實現(xiàn)。其中，CD54HCT4046A實現(xiàn)相位比較、壓控振蕩器的功能；DSP處理器用作分頻器，構成反饋通道。

DSP處理器通過交流同步采樣獲取電壓基波瞬時值，并采用頻率修正的“三點”算法計算基波頻率。使用EPWM模塊輸出與基波頻率相同的方波信號，并接入鎖相環(huán)芯片的端。鎖相環(huán)芯片的輸出信號通往模數(shù)轉換器和DSP處理器的ECAP模塊，通過ECAP模塊測頻后由DSP處理器分頻輸出另一路PWM信號，接入鎖相環(huán)芯片的端，作為反饋信號。最終鎖相環(huán)輸出頻率為基波頻率整數(shù)倍的采樣信號，供模數(shù)轉換器實現(xiàn)整周期等間隔采樣。

2.2模擬量輸入模塊

終端通過模擬量輸入模塊獲取線路電壓電流的瞬時值，模擬量輸入模塊主要由信號調理電路和模數(shù)轉換電路組成，如圖2所示。

電壓調理電路主要由TV1013-1型交流電壓互感器和ADA4096四通道運放組成。前者用于降低電壓幅值；后者用于構建放大和低通濾波電路，適當提高信號幅值并減少非需頻率信號的干擾。

電流調理電路主要由TA1906-04型交流電流互感器和ADA4096四通道運放組成。待測電流信號首先經(jīng)過前者降低幅值，再經(jīng)由后者構建的I/V轉換電路、放大電路和低通濾波電路，實現(xiàn)I/V轉換、提高信號幅值和減少非需頻率信號的干擾。

TMS320F28335處理器內(nèi)置模數(shù)轉換器為單極性、12位分辨率，只有一個AD轉換核。這些不足會導致信號調理電路復雜，轉換精度低，存在相位誤差。為提高終端性能，采用TI公司的ADS8568模數(shù)轉換器。該轉換器為16位雙極性模數(shù)轉換器，擁有8輸入通道以及8個獨立AD轉換核，可實現(xiàn)8通道同步采樣。

A、B、C相和中性線的電壓電流經(jīng)過信號調理電路后分別接入A、B、C、D四組采樣通道。同步采樣信號接入CONVST_A～CONVST_ D引腳，實現(xiàn)8通道同步采樣。ADS8568通過16位并行數(shù)據(jù)接口與DSP處理器進行轉換結果和配置信息的傳遞。正常情況下，模數(shù)轉換器運行在硬件模式，主要由相關功能引腳控制；當需要對芯片設置進行修改時，需要進入軟件模式，對控制寄存器進行相應修改。

2.3開關量輸入模塊

該模塊用于向上位機提供線路斷路器的狀態(tài)。將斷路器輔助觸點的通斷狀態(tài)轉換為高低電平信號，送入DSP處理器的通用IO口。考慮到可能存在的干擾和過高的信號電壓，模塊由濾波和隔離電路組成。光電耦合器選用仙童FOD817B。將斷路器輔助觸點接入該模塊，觸點通斷轉換為TTL電平信號，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測。

2.4開關量輸出模塊

終端通過該模塊控制電操機構，遠程控制斷路器分合閘。該模塊由開關量輸出控制電路和開關量驅動電路組成。為提高電路抗干擾能力和可靠性，前者使用TI公司的TPS22994芯片來實現(xiàn)；后者使用賽特勒公司的AZ6962固態(tài)繼電器。

TPS22994是一款四通道、可編程負載開關。DSP處理器通過I2C總線輸出開關量至該器件，實現(xiàn)開關量輸出。

2.5以太網(wǎng)模塊

該模塊用于實現(xiàn)終端與上位機的通信以及多終端組網(wǎng)，以太網(wǎng)控制器為聯(lián)杰國際公司的DM9051(I)快速以太網(wǎng)控制器。終端通過以太網(wǎng)向上位機提供各種電力參數(shù)和設備工作狀態(tài)，同時接收上位機或網(wǎng)絡中其它終端的指令。

3　結束語

本文設計了一種基于TMS320F28335的電力測控終端硬件電路，其功能模塊主要由集成元件構成，簡化了電路，提高了性能。終端能夠以較高的精度和速度實現(xiàn)電力參數(shù)測量和控制功能，能夠滿足電力系統(tǒng)對測控裝置準確、快速的要求。

參考文獻：

[1]TI.TMS320F28335,TMS320F28334,TMS320F28332,TMS320F28235,TM S320F28234,TMS320F28232 Digital Signal Controllers[Z].[2015-08-16].http://www.ti.com/lit/ds/sprs439m/sprs439m.pdf

[2]傅周興.電力系統(tǒng)自動化[M].北京:中國電力出版社,2006.

[3]毛曉波,呂建明.電力參數(shù)的交流采樣技術及軟硬件設計研究[J].儀器儀表學報,2001,22(04):195-198.

[4]洪慧娜,李曉明.電力系統(tǒng)基波交流采樣頻率修正的“三點”算法[J].高電壓技術,2006,32(11):139-141.

作者簡歷：王竟灃（1989-），男，山東蓬萊人，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.177