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摘 要：本文介紹了一個基于TMS320VC33－DSP芯片的數據采集卡的前向通道的實現，并簡要說明了電力系統故障錄波裝置中自適應采集的實現過程。
關鍵詞：TMS320VC33；數據采集；ADS7864；自適應
0 引言
前向通道是數據采集卡的關鍵部分，直接影響著數據采集卡的性能。它的合理設計能提供預期的采樣速度，提高模/數轉換精度，簡化電路，增強電路抗干擾性能。它主要包括傳感器、信號調理系統、A/D轉換芯片。其中A/D轉換芯片是整個前向通道的核心。
電力系統故障錄波裝置是一種廣泛用于電力系統的可在系統發生故障或擾動時對電網參數(三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率及頻率變化)進行精確記錄，并實現實時監測與精確計算的裝置。它要求將故障數據采集過程按時間先后分為A、B、C、D、E五段，并且每一段對采樣率和采樣時間的要求都不同。為此我們選擇高精度浮點DSP芯片TMS320VC33作為數字處理器，并設計了以六通道輸入高速A/D轉換器ADS7864為核心的前向通道，以實現采樣率和采樣時間的自動調整。
1 數據處理單元
TMS320VC33是TI公司在TMS320 C31基礎上新近推出的TMS320C3X系列新一代浮點DSP芯片。其價格降低較多，性能卻大有上升，是目前性價比最高的浮點運算DSP芯片。考慮到以下因素我們選擇它作為故障錄波裝置的數字信號處理器。
1) 具有高速的浮點運算能力，其中TMS320VC－150型在13ns單周期指令執行時間時為150MFLOPS和75MIPS；而TMS320VC33— 120型在17ns單周期指令執行時間時為120MFLOPS和60MIPS。在很大程度上滿足了故障錄波裝置對信號處理速度的要求，保證了信號處理的實時性。
2) 帶有32位的高性能CPU，可進行16/32位整數和32/40位的浮點操作。可對故障錄波裝置所記錄的各項電網參數進行精確的計算與分析，提高了計算與分析結果的可靠性。
3) 具有24位地址線，可尋址空間高達16M，提供了充足的地址空間供外擴數據和程序存儲器所用。合理安排數據存儲空間與程序存儲空間所占的份額，可以提供充足的地址空間。當系統連續發生大擾動時，應能無遺漏地記錄每次系統大擾動發生后的全過程數據，有利于全面而準確地監測電網運行情況。
4) 具有8/16/32位程序引導裝載功能。可以方便地將外部的慢速EPROM或其它標準器件中的程序裝載到快速的片內RAM或片外SRAM中來運行。省去了昂貴的快速EPROM，同時也減化了硬件設計、降低了成本。
5) 改進了指令集，可支持兩個或三個操作數指令，增加了條件調用和條件返回指令，并能實現零開銷循環和單周期分支。這在簡化軟件設計的同時縮短了指令和程序的長度。符合故障錄波裝置對信號處理速度和數據存儲容量的要求。
2 AD轉換單元
ADS7864是德州儀器公司最新推出的快速六通道全差分輸入的雙12位A/D轉換器。我們選取它作為采樣裝置的模數轉換芯片。它有以下特點：
1) 具有六路輸入通道。其六路通道被分為三對，分別對應電力系統中的三相。特別適用于電網監測及電機控制。
2) 可以以500KHz的采樣速率同時進行六通道信號采樣。故障錄波裝置要求能記錄因短路故障或系統誤操作引起的線路電流、電壓暫態過程，其采樣頻率不低于5KHz。ADS7864最大限度滿足了裝置對快速故障記錄的要求。
3) 三個保持信號輸入端(HOLDA、HOLDB、HOLDC)用來選擇輸入的多路開關并啟動A/D轉換。用軟件控制保持信號的頻率，可實現采樣速率和采樣時間的自行調節。以滿足故障錄波裝置對五個時段的不同要求。
4) 六通道全差分輸入。輸入信號在進入采樣保持電路之前經過全差分電路運算，使其在500KHz采樣率情況下仍能提供高達80dB的共模抑制比，對于高噪聲環境下輸入噪聲的抑制起到了非常重要的作用。
3 數據采集卡前向通道的具體實現
圖1給出了基于TMS320 VC33的數據采集卡的前向通道的實現框圖：
3.1 抗混迭濾波器
在電力系統微機繼電保護中最常用的是基波及2－5次諧波，根據奈奎斯特抽樣定理，為了防止頻域混疊，采樣頻率必須高于其最高頻率的2倍，在工程實際中通常取3－5倍，因此在采樣卡前向通道中要加入抗混疊濾波單元。經過此濾波單元后，模擬量中的高頻分量被濾去，可直接進入AD轉換器中轉換為數字信號。
3.2 ADS7864與TMS320 VC33的具體連線
采用兩片ADS7864可對兩回線上的電網參數進行采樣轉換，每一片ADS7864對應一回線上的三相電壓、電流信號。合理地對硬件電路進行設計可將兩片ADS7864當作一個整體使用。圖2為ADS7864與TMS320VC33之間的連線。
1) 由于TMS320VC33的數據線寬度為32位，而ADS7864數據線寬度為16位，可以將兩片ADS7864的數據線分別接在TMS320 VC33數據線的低16位和高16位上。然后利用軟件將讀入的數據進行分離，并按兩回線分別進行存儲和計算。
2) TMS320VC33數據線的高幾位和片外地址選通信號STRB經控制邏輯的作用產生ADS7864的片選信號。兩片ADS7864的片選端接在一起，與該片選信號相連，可同時選中兩者。
3) 兩片ADS7864的讀信號輸入端接在一起，與TMS320VC33的讀/寫信號相連，可同時讀取兩片ADS7864的轉換數據。
4) 兩片ADS7864的保持信號輸入端接在一起，與TMS320VC33的定時信號輸出端TCLK0相連。這樣可實現12路信號的同時采樣，并可通過軟件修改TMS320VC33中定時器0的定時周期寄存器的值，以改變ADS7864的采樣頻率，實現故障數據的動態記錄。
5) 兩片ADS7864的忙狀態輸出信號BUSY經過控制邏輯和TMS320VC33的中斷信號輸入端INT0相連。通知TMS320VC33數據已轉換完畢，可對其進行中斷處理。
6) 兩片ADS7864的讀地址選擇端(A0、A1、A2)均接為循環讀數工作模式，即：A0接低電平，A1、A2接高電平。這樣六通道轉換結果按照A0→A1→B0→B1→C0→C1的次序循環讀取。
設計ADS8764與TMS320VC33的硬件連線圖時兩者的時序配合至關重要，只有各芯片在時序上協調一致才能保證故障錄波裝置正常工作。圖3給出ADS7864在循環讀數工作模式下的時序圖。
將所有的HOLDX置低可使相應通道的輸入數據迅速進入保持狀態。由于兩片ADS7864的保持信號輸入端接在一起，所以同一時鐘周期內12個通道數據同時被保持，它們將按照通道A—>通道B—>通道C的次序進行轉換。HOLDX下降沿必須在時鐘信號下降沿之前至少10ns出現，并保持至少 20ns的低電平狀態。如果它一直置低，則該通道的AD轉換將不會進行。HOLDX恢復高電平之后必須保持至少15ns才開始下一次保持。下一次轉換必須在前一次轉換完畢后有所延遲，延遲時間至少為175ns。
通常狀態下數據輸出端處于三態。轉換開始之后12.5個時鐘周期轉換數據進入輸出寄存器。如果一次讀操作在轉換開始后12.5個時鐘周期開始，RD和CS 信號必須置低至少50ns才能讀取輸出寄存器中的數據。另外RD和CS必須同時置低至少30ns才能使能輸出。連續讀取時兩次DR信號有效必須間隔至少 30ns。
3.3 數據采集自適應的實現
故障錄波中的故障數據采集過程按時間先后分為A、B、C、D、E五個部分，每個部分對應不同的采樣率和采樣時間，因此可以依靠DSP對ADS7864芯片的控制自動調整采樣率，實現故障數據的自適應采樣。工作方法有兩種，均用 TMS320VC33自帶的定時器進行控制。方法一：對定時器的定時周期寄存器賦以固定的值，則在TCLK引腳發出一定頻率的脈沖。利用此脈沖控制 ADS7864進行采樣，ADS7864即以固定采樣率采集數據。控制DSP芯片對ADS7864的FIFO寄存器的讀取速度可以得到不同的采樣率。方法二：根據具體情況對定時器周期寄存器賦不同的值，則定時脈沖TCLK的產生頻率將發生變化，用此脈沖控制ADS7864采樣即可得到不同的采樣率。
4 結束語
電力系統動態記錄包括三種功能：高速故障記錄、故障動態過程記錄、長過程動態記錄，它們對采樣率和記錄時間的要求各不相同。本設計可以滿足故障動態記錄的這種要求，并且具有精度高，速度快的特點，有一定的價值。
參考文獻
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66821730(技術支持)
