基于DSP的继电保护测试仪信号采集装置硬件系统设计

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随着电力行业的不断发展，目前国内使用的继电保护测试仪种类繁多，但是由于继电保护测试仪自身的性能直接影响着对继电保护装置的评价，因此测试仪的工作性能和稳定性尤为重要。虽然DL／T624-1997《继电保护微机型试验装置技术条件》对继电保护试验装置提出了明确的要求，规定了定期检验周期和检验项目，但因为没有相关的检测规程或规范，也没有现成的检测装置，这为继电保护测试仪的验收和周检带来了一定的困难。因此，需要这样一种数据采集装置来精确采集继电保护测试仪的各项数据，以便上位机对数据进行分析，从而对继电保护测试仪进行检定。
1 系统方案设计
      本文设计的数据采集装置专门用于继电保护测试仪器各项数据的采集。设计选用DSP作为数据采集装置的核心控制器。系统硬件总体结构如图1所示。系统由电压、电流采样电路，信号放大，低通滤波，同步信号的获取与识别，直流取样，模／数转换电路以及通讯模块电路等组成。
  

      本方案中，数据选择器选用AD公司生产的AD7502芯片。AD7502芯片为双四选一数据选择器，因此需要两片A／D转换器进行循环采样。模／数转换芯片选用的是TI公司推出的16位并行高速转换器ADS8515。主控制芯片选用TI 公司的数字信号处理器TMS320F2812。TMS320F2812是32位定点高速数字处理器，最高工作频率150 MHz，该芯片采用改进的哈佛结构，片内有六条独立并行的数据和地址总线，极大地提高了系统的数据吞吐能力，32位的累加器、16位的硬件乘法器和输入、输出数据移位寄存器相结合，能快速地完成复杂的数值运算。因此TMS320F2812的计算速度非常高，可以满足系统的在线实时性要求。
     在与上位机通讯时，综合各种因素，本方案选用USB总线技术实现。USB接口芯片选用Philips公司的ISP1581。ISP1581是Philips 公司推出的一款高性价比的USB 2.0接口芯片，它完全遵循USB 2.0规范，支持7个IN端点，7个OUT端点和一个固定控制IN／OUT端点。ISP1581支持USB 2.0的自检工作模式和USB 1.1的返回工作模式，可以在高速或全速条件下正常运行。ISP1581内部集成有串行接口引擎(SIE)、PIE、8 KB的FIFO存储器、数据收发器、PLL的12 MHz晶体振荡器和3.3 V的电压调整器。ISP1581与外部微控制器的通信主要通过一个高速通用并行接口来实现。它与微控制器的连接有两种模式：断开总线模式和通用处理器工作模式。在断开总线模式下，AD[7：0]为多路复用的8位地址／数据总线，DATA[15：0]为单独的DMA数据总线；在通用处理器工作模式下，AD[7：0]为单独的8位地址线，DATA[15：0]为16位控制器数据总线。此时，DMA将多路复用到DATA[15：0]控制器的数据总线上。本装置在硬件设计中将电路设计成通用处理器模式。
2 系统硬件设计
2.1  电压、电流采样电路设计
      本系统采集三相电压、三相电流以及中性线的两路电压和电流信号。电压和电流的采样电路类似，电压采用电压互感器，电流采用电流互感器，通过运放 OPA2277组成电压和电流采样电路。电压采集电路如图2所示。图2中，T1为电压互感器。电压互感器出来的信号通过OPA2277处理后送入数据选择器AD7502的S1输入引脚。其他7路电压和电流信号分别送入AD7502的另外7个输入引脚。

2.2程控滤波电路设计
     系统中选用数据选择器AD7502作为四路电压和四路电流信号的模拟开关。滤波电路选用OPA2277来实现，电路原理图如图3所示。其中，AD7502的A0，A1接DSP通用I／O口的 GPIOB4，GPIOB5口，EN引脚接高电平。GPIOB4，GPIOB5输出不同值来控制AD7502不同通道的接通，从而将8路信号依次送人两片 A／D转换器。
  

2.3  A／D转换电路与DSP接口电路的设计
    A／D转换器是模／数转换电路中的核心器件，在整个测量系统中占有重要地位。如果模／数转换器的位数低时，将引起较大的测量误差，本装置选用德州仪器(TI)公司的A／D 芯片ADS8515作模／数转换器。ADS8515是采样率为250 KSPS的16位并行A／D转换器，输入电压范围能达到±10 V。ADS8515属于逐次逼近寄存器型(简称SAR型)A／D转换器，这种结构的转换器通过输入的模拟信号与比较器逐次比较来输出数字信号，是目前应用最多的转换器类型。SAR型A／D转换器的功耗比较低，体积比较小，而且A／D内部通常具有采样保持器，它可以维持采样电压直到转换结束，且其转换速率很快。ADS8515和DSP的接口电路如图4所示。

     由于TMS320F2812的I／O电压是3.3 V电平，而ADC则是5 V电平，因此需要电平转换芯片74LVC245来实现隔离功能。ADS8515的控制是通过对片选信号CS、启动信号R／C以及对状态信号BUSY的查询来实现的。BUSY，CS，R／C，分别接DSP的中断信号引脚XINT1和通用I／O接口GPIOB0，GPIOB1。为了保证双DSP的同步采样，防止数据输出时两DSP数据的串扰，采用将另一个DSP的片选信号CS和启动信号R／C分别接DSP的通用I／O接口GPIOB2和GPIOB3的方法。这样可以保证双DSP同步采样，并依次读取两个A／D中的数据。


2.4  同步信号获取与识别电路设计
     为了实现A／D转换器的交流同步采样，本方案的设计电路如图5所示。方案选用多个OPA2277和比较器MAX998来组成信号的获取与识别电路，从而克服了非整周期采样带来的频率泄露误差，实现严格的同步采样和等间隔采样。图5中，K3C为继电器，用作开关使用，用来通断选择获取的一路交流电压信号和一路交流电流信号。 OPA2277组成放大和滤波电路。二极管D2，D3的作用是保护比较器MAX998，防止电压过大而击穿MAX998。
  

2.5  DSP系统的设计
     DSP系统主要由DSP芯片、电源电路、时钟电路、仿真和测试电路组成。由于TMS320F2812的电源系统既有3.3 V的数字和模拟电源，又有1.8 V的数字电源，电源的安全和可靠是系统运行的根本保证，所以需要将常用的5 V电源转换成3.3 V和1.8 V电源。本设计选用TI公司的TPS767D318作为电源芯片，该芯片是专门为DSP的应用而设计的，可以提供3.3 V和1.8 V两路电压输出，其中每路输出均可提供最大为1 A的电流。TPS767D318同时具有电压监测功能。电源电路的设计如图6所示。此外，DSP的每个电源和地引脚不能悬空，数字模拟地要分离设计。
  

        由于本系统对时序的要求比较敏感，所以本系统的时钟电路选用3.3 V工作电压的外部有源晶振。该有源晶振相对无源晶振信号质量更好，而且比较稳定，连接方式相对简单。通常的用法是：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。
在对DSP系统进行硬件仿真时，可以通过JTAG边界扫描接口对DSP内部的数据存储器、程序存储器和控制寄存器进行在线监控，并能在TMS320F2812的开发环境CCS中把程序下载到DSP芯片进行硬件仿真。JTAG接口的原理图如图7所示。

2.6通讯模块设计
     目前，数据采集系统多以ISA，EISA或 PCI插卡的形式完成数据的传输，这些方式存在着开发调试比较困难、安装麻烦以及通用性和可移植性差等缺点，而且PC机上的插槽数量、地址、终端资源有限，导致这种方式的可扩展性差。目前，广泛应用的USB总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，已成为计算机接口的主流。本文选用专用的USB接口芯片来完成DSP与PC机的数据传输。USB 2.0芯片选用Philips公司的ISP1581。ISP1581与TMS320F2812的连接电路图如图8所示。ISP1581在上电时，通过 BUS_CONF，MODE0，MODE1对接口进行设置，本设计中BUS CONF通过电阻连接至高电平，ISP1581工作在通用处理器模式，AD[0～7]是8位地址总线，DATA[0～15]是独立的数据总线。MODE0 设为1，因此读写选通信号为8051类型。TMS320F2812的XCS0AND1作为ISP1581的片选信号。RREF引脚通过12 kΩ的精密电阻接地，提供精确的镜像电流。RPU引脚通过1.5 kΩ电阻器上拉。
3 结语
     研制了一种基于DSP技术的继电保护测试仪信号采集装置，以便检定继电保护测试仪的性能指标是否满足设计要求。文中重点介绍了数据采集装置的整体架构、基于DSP的数据采集装置的硬件组成和电路设计。该数据采集装置可以精确采集继电保护测试仪的各项数据，为继电保护测试仪的检定装置奠定了技术基础。