基于DSP的自适应数据采集卡前向通道的实现

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    摘 要：本文介绍了一个基于TMS320VC33－DSP芯片的数据采集卡的前向通道的实现，并简要说明了电力系统故障录波装置中自适应采集的实现过程。
    关键词：TMS320VC33；数据采集；ADS7864；自适应


0  引言
    前向通道是数据采集卡的关键部分，直接影响着数据采集卡的性能。它的合理设计能提供预期的采样速度，提高模/数转换精度，简化电路，增强电路抗干扰性能。它主要包括传感器、信号调理系统、A/D转换芯片。其中A/D转换芯片是整个前向通道的核心。
    电力系统故障录波装置是一种广泛用于电力系统的可在系统发生故障或扰动时对电网参数(三相电压、三相电流、有功功率、无功功率及频率变化)进行精确记录，并实现实时监测与精确计算的装置。它要求将故障数据采集过程按时间先后分为A、B、C、D、E五段，并且每一段对采样率和采样时间的要求都不同。为此我们选择高精度浮点DSP芯片TMS320VC33作为数字处理器，并设计了以六通道输入高速A/D转换器ADS7864为核心的前向通道，以实现采样率和采样时间的自动调整。

1  数据处理单元
    TMS320VC33是TI公司在TMS320 C31基础上新近推出的TMS320C3X系列新一代浮点DSP芯片。其价格降低较多，性能却大有上升，是目前性价比最高的浮点运算DSP芯片。考虑到以下因素我们选择它作为故障录波装置的数字信号处理器。
    1) 具有高速的浮点运算能力，其中TMS320VC－150型在13ns单周期指令执行时间时为150MFLOPS和75MIPS；而TMS320VC33— 120型在17ns单周期指令执行时间时为120MFLOPS和60MIPS。在很大程度上满足了故障录波装置对信号处理速度的要求，保证了信号处理的实时性。
    2) 带有32位的高性能CPU，可进行16/32位整数和32/40位的浮点操作。可对故障录波装置所记录的各项电网参数进行精确的计算与分析，提高了计算与分析结果的可靠性。
    3) 具有24位地址线，可寻址空间高达16M，提供了充足的地址空间供外扩数据和程序存储器所用。合理安排数据存储空间与程序存储空间所占的份额，可以提供充足的地址空间。当系统连续发生大扰动时，应能无遗漏地记录每次系统大扰动发生后的全过程数据，有利于全面而准确地监测电网运行情况。
    4) 具有8/16/32位程序引导装载功能。可以方便地将外部的慢速EPROM或其它标准器件中的程序装载到快速的片内RAM或片外SRAM中来运行。省去了昂贵的快速EPROM，同时也减化了硬件设计、降低了成本。
    5) 改进了指令集，可支持两个或三个操作数指令，增加了条件调用和条件返回指令，并能实现零开销循环和单周期分支。这在简化软件设计的同时缩短了指令和程序的长度。符合故障录波装置对信号处理速度和数据存储容量的要求。

2  AD转换单元
    ADS7864是德州仪器公司最新推出的快速六通道全差分输入的双12位A/D转换器。我们选取它作为采样装置的模数转换芯片。它有以下特点：
    1) 具有六路输入通道。其六路通道被分为三对，分别对应电力系统中的三相。特别适用于电网监测及电机控制。
    2) 可以以500KHz的采样速率同时进行六通道信号采样。故障录波装置要求能记录因短路故障或系统误操作引起的线路电流、电压暂态过程，其采样频率不低于5KHz。ADS7864最大限度满足了装置对快速故障记录的要求。
    3) 三个保持信号输入端(HOLDA、HOLDB、HOLDC)用来选择输入的多路开关并启动A/D转换。用软件控制保持信号的频率，可实现采样速率和采样时间的自行调节。以满足故障录波装置对五个时段的不同要求。
    4) 六通道全差分输入。输入信号在进入采样保持电路之前经过全差分电路运算，使其在500KHz采样率情况下仍能提供高达80dB的共模抑制比，对于高噪声环境下输入噪声的抑制起到了非常重要的作用。

3  数据采集卡前向通道的具体实现
    图1给出了基于TMS320 VC33的数据采集卡的前向通道的实现框图：




3.1 抗混迭滤波器
    在电力系统微机继电保护中最常用的是基波及2－5次谐波，根据奈奎斯特抽样定理，为了防止频域混叠，采样频率必须高于其最高频率的2倍，在工程实际中通常取3－5倍，因此在采样卡前向通道中要加入抗混叠滤波单元。经过此滤波单元后，模拟量中的高频分量被滤去，可直接进入AD转换器中转换为数字信号。

3.2  ADS7864与TMS320 VC33的具体连线
    采用两片ADS7864可对两回线上的电网参数进行采样转换，每一片ADS7864对应一回线上的三相电压、电流信号。合理地对硬件电路进行设计可将两片ADS7864当作一个整体使用。图2为ADS7864与TMS320VC33之间的连线。




    1) 由于TMS320VC33的数据线宽度为32位，而ADS7864数据线宽度为16位，可以将两片ADS7864的数据线分别接在TMS320 VC33数据线的低16位和高16位上。然后利用软件将读入的数据进行分离，并按两回线分别进行存储和计算。
    2) TMS320VC33数据线的高几位和片外地址选通信号StrB经控制逻辑的作用产生ADS7864的片选信号。两片ADS7864的片选端接在一起，与该片选信号相连，可同时选中两者。
    3) 两片ADS7864的读信号输入端接在一起，与TMS320VC33的读/写信号相连，可同时读取两片ADS7864的转换数据。
    4) 两片ADS7864的保持信号输入端接在一起，与TMS320VC33的定时信号输出端TCLK0相连。这样可实现12路信号的同时采样，并可通过软件修改TMS320VC33中定时器0的定时周期寄存器的值，以改变ADS7864的采样频率，实现故障数据的动态记录。
    5) 两片ADS7864的忙状态输出信号BUSY经过控制逻辑和TMS320VC33的中断信号输入端INT0相连。通知TMS320VC33数据已转换完毕，可对其进行中断处理。
    6) 两片ADS7864的读地址选择端(A0、A1、A2)均接为循环读数工作模式，即：A0接低电平，A1、A2接高电平。这样六通道转换结果按照A0→A1→B0→B1→C0→C1的次序循环读取。
    设计ADS8764与TMS320VC33的硬件连线图时两者的时序配合至关重要，只有各芯片在时序上协调一致才能保证故障录波装置正常工作。图3给出ADS7864在循环读数工作模式下的时序图。




    将所有的HOLDX置低可使相应通道的输入数据迅速进入保持状态。由于两片ADS7864的保持信号输入端接在一起，所以同一时钟周期内12个通道数据同时被保持，它们将按照通道A—>通道B—>通道C的次序进行转换。HOLDX下降沿必须在时钟信号下降沿之前至少10ns出现，并保持至少 20ns的低电平状态。如果它一直置低，则该通道的AD转换将不会进行。HOLDX恢复高电平之后必须保持至少15ns才开始下一次保持。下一次转换必须在前一次转换完毕后有所延迟，延迟时间至少为175ns。
    通常状态下数据输出端处于三态。转换开始之后12.5个时钟周期转换数据进入输出寄存器。如果一次读操作在转换开始后12.5个时钟周期开始，RD和CS 信号必须置低至少50ns才能读取输出寄存器中的数据。另外RD和CS必须同时置低至少30ns才能使能输出。连续读取时两次DR信号有效必须间隔至少 30ns。
3.3  数据采集自适应的实现
    故障录波中的故障数据采集过程按时间先后分为A、B、C、D、E五个部分，每个部分对应不同的采样率和采样时间，因此可以依靠DSP对ADS7864芯片的控制自动调整采样率，实现故障数据的自适应采样。工作方法有两种，均用 TMS320VC33自带的定时器进行控制。方法一：对定时器的定时周期寄存器赋以固定的值，则在TCLK引脚发出一定频率的脉冲。利用此脉冲控制 ADS7864进行采样，ADS7864即以固定采样率采集数据。控制DSP芯片对ADS7864的FIFO寄存器的读取速度可以得到不同的采样率。方法二：根据具体情况对定时器周期寄存器赋不同的值，则定时脉冲TCLK的产生频率将发生变化，用此脉冲控制ADS7864采样即可得到不同的采样率。

4  结束语
    电力系统动态记录包括三种功能：高速故障记录、故障动态过程记录、长过程动态记录，它们对采样率和记录时间的要求各不相同。本设计可以满足故障动态记录的这种要求，并且具有精度高，速度快的特点，有一定的价值。

参考文献

[1] 王念旭等。DSP基础与应用系统设计，北京航天航空大学出版社，2001，8
[2] 张雄伟，曹铁勇。DSP芯片的原理与开发应用，电子工业出版社，2000，9
[3] 骆健，丁网林，唐涛。国内外故障录波器的比较，《电力自动化设备》，2001，(21)7：27～31
[4] ADS7864 Datasheet，Texas Instruments Incorporated，2000
[5] TMS320VC33 Digital Signal Processor，Texas Instruments Incorporated，1999
         
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