一种新型同步发电机数据采集系统设计方案

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                    　　摘要：本文介绍了一种新型同步发电机数据采集系统设计方案，硬件设计上使用了32位ARM微型处理器，采用具有DSP内核的能量专用计量芯片ADE7758代替普通AD转换芯片。其特点是数据采集速度快、实时性好、价格低。
　　数据采集是同步电机测控系统中的核心单元之一，目前同步发电机的数据采集大多是以通用AD转换芯片配合8位或16位单片机进行交流采样，这种的数据采集系统获得的发电机运行的电参量基本全靠软件计算实现，不仅计算量大、精度低、实时性也受到很大限制。本文针对以上缺点提出了以具有DSP内核的专用电量计量芯片ADE7758和具有ARM7内核的32位ARM微处理器组成的高精度、高可靠性、快速的数据采集系统。
　　1.系统的整体结构及工作原理
　　基于ARM和ADE7758的同步发电机数据采集系统整体结构图如下图l所示。进行数据集时其工作流程为：被测信号即同步发电机机端电压U、定子电流I为三相交流电，分别经电压互感器(PT)和电流互感器(CT)转换为低电压和小电流的二次信号，再经过信号调理电路作进一步的处理成不超过500mV的电压信号后送入计量芯片ADE7758进行转换。ADE7758转换结束后向ARM处理器提出中断申请，ARM相应ADE7758中断请求，通过高速SPI接口读取相应缓冲区中数据，然后根据互感器、变送器的变换比例计算出发电机运行参量的实际值并将结果保存到相应的数据区中，以备对发电机进行实时控制。与此同时ARM处理器通过串口与上位机进行通讯，将最新采集的发电机运行参量发送到上位机，利用上位机软件将实时数据显示出来。该系统还设计了一个USB接口，通过该接口可以和移动存储设备连接，这样即使在无计算机的情况下也可以实现大数据量的数据采集任务。
　　本系统选择的ARM芯片是AT91SAM7A3，AT91SAM7A3芯片与计量专用芯片ADE7758之间通讯采用标准的3线高速SPI总线；AT91SAM7A3与上位计算机之间通过普通双绞线连
　　接以串行方式进行通讯；AT91SAM7A3与移动存储设备之间采用USB接口进行通讯。
　　2.系统的硬件设计
　　本系统选择AT91SAM7A3单片机作为系统的主控制器，电能计量专用芯片ADE7758作为A/D转换。下面分别对这两种芯片以及以它们为核心的硬件电路设计作具体介绍。
　　2.1 ADE7758简介
　　ADE7758是一款高集成度的三相电能专用计量芯片，集成了6路2阶Sigma-Delta ADC采样通道，带有一个SPI兼容的串行通讯接口，两路脉冲输出。采用数字校准技术，可通过标准的SPI的三线串行通讯接口完成对芯片的设置、电量数据的传输和校准。ADE7758内部集成有温度传感器，单5V供电，低功耗,适用于三相三线和三相四线电力系统中[2]。
　　ADE7758的电流通道和电压通道各有一个可编程增益放大器，放大增益为1,2或4，除了PGA功能外，还用于A/D转换满刻度量程的选择。增益的大小由用户编程来决定。ADE7758具有一个波形取样寄存器，其值源自于ADC的输出。波形采样部分集成有一个用于短时持续低电平或高电平的检测电路，门槛电平和持续时间是由用户编程来决定的。三相中任一相过零检测是同步进行的，过零检测的结果可用于测量三路电压输人中任一路的周期。ADE7758的所有功能都是通过读写ADE7758内部的寄存器来实现的，即ADE7758的各种设定和操作主要是对寄存器的读和写。每个寄存器在读写时，首先要执行一个写通信寄存器的操作，然后开始传输数据。






　　同步发电机的现场模拟量的采集由CT,PT完成，即将发电机机端电压、定子电流分别转换成三相100V、5A的二次信号；信号调理电路完成信号进人电能计量芯片前的调整和滤波，滤除信号中的高频部分，该电路模块主要目的是将信号处理成ADE7758可以直接接收的信号即小于等于500mV的电压信号；交流电量计量与转换模块ADE7758有电压和电流采集通道，它们能接收的交流信号幅值最大为500mV，通过6路A/D采样通道完成数字化。ADE7758内的微处理器对数字化的被测信号进行各种判断、处理和运算，并将结果储存在18个只读寄存器中。ADE7758将数据转换结束后向ARM提出中断申请 (IRQ为低电平有效)；实时数据的处理与控制模块由AT91SAM7A3芯片来完成，AT91SAM7A3通过SPI接口对ADE7758进行读写操作，即ARM和ADE7758的数据接口采用中断IRQ、片选CS和3线的SPI接口方式实现数据交换。整个过程可描述为：AT91SAM7A3微处理器响应ADE7758的中断后，立即通过低电平片选ADE7758的CS，然后通过SPI总线MOSI,SCLK , MISO和ADE7758的DIN, SCLK ,DOUT相连，完成数据操作；系统显示模块电路采用MAXIM公司的MAX232芯片完成TTL电平和RS-232标准电平的转换，方便通过串口与计算机进行通信。
　　为了保证系统的安全性和可靠性，在系统设计中没有用ARM芯片内的看门狗，而专门设计了外部看门狗电路。外部看门狗电路采用AD公司生产的ADM691芯片，利用AT91SAM7A3的PWM口产生的占空比可调的脉冲信号作为喂狗信号，监视电源电压和微处理器的工作状态，该电路结构简单、功能丰富，大大提高系统的安全性和可靠性。另一方面为了使系统具有一定的广泛使用性，还设计了一个支持USB2.0的接口，目的是方便在没有计算机的情况下进行大量的数据采集。
　　3.系统的软件设计
　　系统的软件设计包括基于AT91SAM7A3的单片机程序和PC机应用程序设计两部分。
　　3.1 AT91SAM7A3单片机程序设计
　　以AT91SAM7A3单片机为核心的程序设计框图如图3所示。对于中断的判断和处理是该程序的核心部分。根据具体的功能需要，中断包括外部中断IRQ0、定时中断和串行中断3种。






　　PC机通过定时器TIMER1每1毫秒向下位机ARM下发传送命令，该命令只包含2字节开始符<R和1字节结束符。当下位机ARM收到命令后就产生中断，执行中断服务程序。PC机串口每收到100字节数据就触发MSComm的OnComm事件，在OnComm事件子程序中，从接收缓冲区中提取2字节开始命令后的40字节实时数据并进行求和校验，如接收正确就将接收的数据存储到相应文件中并刷新屏幕显示，否则提示“接收错误!”并要求重发。
　　5.系统的运行与实验结果
　　以深圳凯旋K66计算机继电保护测试系统作为标准源，对本系统电压、电流测量精度进行试验验证。当输人端电压范围为0一100V时，测定误差小于士0.2%；输入电流范围为0-5A时，测定误差不超过士0.4%。根据交流采样远动终端技术条件的规定，此系统的准确度等级为0.5级，属于精密级测量仪表。
　　本文作者创新点：采用了新技术、新器件的设计思想，用三相电能专用计量芯片ADE7758代替通用AD芯片，用32位ARM芯片代替普通的8位或16位单片机，实现了对同步发电机电参数的快速测量和控制。本系统充分利用了芯片的内置功能模块，减少了外围电路，降低了成本，提高了产品的可靠性。