摘要：介紹了基于DSP芯片TMS320F206的電網(wǎng)采樣處理板的軟、硬件設(shè)計方法，對硬件各模塊電路的工作原理作了重點的討論，同時給出了該電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理板的主程序和中斷處理程序流程圖。

１　引言

隨著電力系統(tǒng)新型負(fù)荷及非線性負(fù)荷的大量增加，電力系統(tǒng)的電壓和電流波形會發(fā)生嚴(yán)重畸變，從而給電力系統(tǒng)帶來很大的“電網(wǎng)污染”。特別是用戶內(nèi)部短路以及開關(guān)操作、變壓器或電容器組投切時的短時中斷均會引起暫態(tài)、瞬時過電壓以及電壓凹陷、凸起或短時供電中斷等電能質(zhì)量擾動問題。同時電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波成份也越來越復(fù)雜，嚴(yán)重的電力“污染”對某些行業(yè)（如醫(yī)院的精密儀器、微計算機系統(tǒng)以及智能電子、工業(yè)過程控制中的微處理器等）構(gòu)成了巨大的威脅，甚至造成“瀑布”式的連鎖反映，從而引發(fā)電網(wǎng)崩潰的事件。所以，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)數(shù)據(jù)的精確采集、故障判斷、數(shù)據(jù)處理已成為電網(wǎng)正確運行的焦點。

    現(xiàn)有的電網(wǎng)質(zhì)量分析板受器件和分析方法的限制，大多對系統(tǒng)中的暫態(tài)、短時擾動信息難以快速、準(zhǔn)確地捕捉。隨著高速數(shù)字信號處理?ＤＳＰ?技術(shù)的發(fā)展及其制造成本的降低，ＤＳＰ技術(shù)在電力系統(tǒng)的各個研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。表１是ＤＳＰ方式與傳統(tǒng)芯片處理方式的能力對比，從中可以看出ＤＳＰ用作處理器的優(yōu)勢。

表1 DSP與傳統(tǒng)芯片處理能力對比表

２ 基于ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的硬件設(shè)計

基于ＤＳＰ處理板的主體設(shè)計思想是采用ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６構(gòu)成數(shù)字處理系統(tǒng)，并以下位機為主體實現(xiàn)實時采樣、數(shù)據(jù)處理、分析和短時儲存，然后與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，以及利用遠(yuǎn)程計算機進(jìn)行展示和數(shù)據(jù)庫存儲管理等。具體操作如下：

（１）用處理板測量并計算三相電流、電壓的有效值、有功功率、無功功率以及功率因數(shù)；對４０Ｈｚ～２ＭＨｚ頻率輸入信號進(jìn)行測頻采樣；

（２）對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析查錯，給出報警類別，并給出開關(guān)量輸出信號以便進(jìn)行開合閘操作；

圖2

    （３）對電壓、電流的ｌ～６３次諧波進(jìn)行分析，給出幅度、相位以及三相電壓、電流的總畸變率；

（４）通過１６Ｃ５５２芯片ＵＡＲＴ擴展２個ＲＳ－２３２和一個ＲＳ－４８５接口以便與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時擴展一并行口以與打印機相連；

（５）用看門狗進(jìn)行刷新、復(fù)位并實時檢測系統(tǒng)；

該處理板的主控芯片選用定點ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６。系統(tǒng)的硬件功能框圖如圖１所示。

該電網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)處理板的功能是在數(shù)字信號處理芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的控制下完成的。數(shù)據(jù)采樣模塊采用的３片高速１４位Ａ／Ｄ芯片ＭＡＸ１２５在工作時外接與１６Ｃ５５２公用的１６ＭＨｚ時鐘，因其并行接口數(shù)據(jù)訪問和總線釋放的時間特性與ＤＳＰ的特性兼容，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果可由ＤＳＰ不加等待狀態(tài)而直接讀取。３片ＭＡＸ１２５在此用１２路進(jìn)行同步采樣?不用的通道為防干擾應(yīng)接地。電壓、電流等模擬量通過變壓器轉(zhuǎn)換成－５Ｖ～＋５Ｖ的電壓，并在濾波后接入ＭＡＸ１２５，轉(zhuǎn)換開始信號由ＤＳＰ的引腳ＴＯＵＴ提供給３片ＭＡＸ１２５的ＣＯＮＶＳＴ引腳，并在上升沿啟動采樣，片內(nèi)的時序發(fā)生器可控制指定的通道以使其按順序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存儲在片內(nèi)１４Ｂｉｔ×４的ＲＡＭ中，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，每片ＭＡＸ１２５的ＩＮＴ引腳變低?３片通過ＣＰＬＤ或門輸出給ＤＳＰ。讀取結(jié)果時，執(zhí)行連續(xù)讀操作，第一次讀到的是第一通道的數(shù)據(jù)，第二次讀的是第二通道的數(shù)據(jù)，依此類推。

１６Ｃ５５２是ＴＩ?ＴＬｌ６Ｃ５５２?、ＥＸＡＲ?ＳＴ１６Ｃ５５２? 、ＶＬＳＩ?ＶＬ１６Ｃ５５２?等公司生產(chǎn)的異步通信芯片。在采樣處理板中?１６Ｃ５５２可作為ＲＳ２３２、ＲＳ４８５串口和打印機并口的擴展芯片，并通過ＭＡＸ２３２驅(qū)動芯片來和ＭＡＸ１４８６驅(qū)動芯片與上位機進(jìn)行通訊。圖２為ＵＡＲＴ擴展的電路圖。

圖4

    由于ＴＭＳ３２０Ｆ２０６僅有一個同步通訊口，因而設(shè)計中采用ＤＳＰ的ＵＡＲＴ擴展。同時由于輸入輸出接口的資源有限，故采用了ＣＰＬＤ擴展。圖２中將ＤＳＰ及電源、地、光電耦合器等做了簡化，有興趣的讀者可以查詢相關(guān)資料。本系統(tǒng)中１６Ｃ５５２的串口和并口都工作在中斷工作方式，１６Ｃ５５２的ＣＬＫ端外接１５．９７４４ＭＨｚ晶振時，可通過設(shè)置除數(shù)寄存器的高、低位ＤＬＭ、ＤＬＬ來確定通訊的波特率。

在硬件電路設(shè)計中，ｌ６Ｃ５５２的片內(nèi)寄存器選擇線Ａ０～Ａ２以及讀寫信號均由ＤＳＰ直接控制。串、并行通道的片選線ＣＳＡ、ＣＳＢ和ＣＳＰ則由ＣＰＬＤ直接控制，可根據(jù)需要選擇串行通信方式還是并行通信方式。為防止干擾，系統(tǒng)加入了光電隔離器，由于ＲＳ２３２電平與ＣＭＯＳ電平不同，因此ＲＳ２３２驅(qū)動器與ＣＭＯＳ電平連接時必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，ＭＡＸ２３２就是完成這一功能的。另外，用ＭＡＸｌ４８６來實現(xiàn)與ＲＳ４８５的通訊，該驅(qū)動芯片的ＯＥ、Ｈ／Ｆ可決定電路是工作在半雙工還是全雙工狀態(tài)，并可由ＣＰＬＤ來控制選擇。ｌ６Ｃ５５２的并口可直接連接到ＰＣ機的并口上而無須電平轉(zhuǎn)換。通訊時，通過中斷ＩＮＴ１～ＩＮＴ３可向ＣＰＬＤ邏輯塊發(fā)生申請，并由ＤＳＰ響應(yīng)。

    為了便于調(diào)試和實現(xiàn)程序加載、設(shè)置軟件斷點等功能，系統(tǒng)擴展了３２ｋ的快速ＳＲＡＭ來將程序、參數(shù)放入其中，調(diào)試成功后，可將待固化程序通過仿真器燒入ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的第一塊１６ｋ字的Ｆｌａｓｈ中，第二塊用于固化放置重要參數(shù)。為了調(diào)試方便和有效利用資源，程序、數(shù)據(jù)片選應(yīng)采用圖３所示的連接方式，調(diào)試時程序選用前１６ｋ（８０００Ｈ～ＢＦＦＦＨ）的ＳＲＡＭ，后１６ｋ（Ｃ０００Ｈ～ＦＦＦＦＦＨ）用于存放數(shù)據(jù)參數(shù)。

該系統(tǒng)能測量４０Ｈｚ～２ＭＨ的信號頻率。測量工頻時，電網(wǎng)信號經(jīng)變壓器降壓后，再經(jīng)過濾波器和比較器送給ＣＰＬＤ進(jìn)行計數(shù)測量。８ＭＨｚ（ＣＬＫ）晶振脈沖輸入可以使用單獨的有源晶振，也可以用ＣＰＬＤ對已有的１６ＭＨｚ晶振分頻得到。

選用完成系統(tǒng)電源監(jiān)控的看門狗復(fù)位芯片ＭＡＸ１２３２，可設(shè)置為自動刷新和手動復(fù)位結(jié)合方式。當(dāng)電壓檢測器監(jiān)控到Ｖｃｃ低于所選擇的容限時，系統(tǒng)將輸出并保持復(fù)位電平；以使ＤＳＰ能在一定時間內(nèi)觸發(fā)ＳＴ端來刷新看門狗。如果ＳＴ在２５０ｍｓ間隔內(nèi)未觸發(fā)，ＭＡＸ１２３２自動發(fā)出信號來復(fù)位系統(tǒng)。

３ 基于ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的軟件流程

該數(shù)據(jù)采集處理板通過ＴＭＳ３２０Ｆ２０６內(nèi)部定時器中斷來啟動Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，中斷周期被設(shè)置為每周波采樣６４點，即約３１２．５ｎｓ觸發(fā)一次中斷。ＭＡＸ１２５的１２路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換完成后，電路將觸發(fā)中斷信號ＩＮＴ０給ＤＳＰ。實時數(shù)據(jù)由ＤＳＰ通過連續(xù)讀脈沖將數(shù)據(jù)存到內(nèi)、外部擴展ＲＡＭ或通過通訊擴展芯片傳給上位機。當(dāng)數(shù)據(jù)采樣達(dá)到６４個點后，開始執(zhí)行ＦＦＴ單元。通常將ＦＦＴ算法程序塊存到ＤＳＰ內(nèi)部存儲單元Ｂ０中，該單元是一個６４點同址基２ 時間抽取的ＦＦＴ模塊。通過ＤＳＰ算法可實現(xiàn)對各項電能質(zhì)量指標(biāo)及其它電參數(shù)的計算與分析，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（包括諧波分析和不平衡度分析），也就是在采樣點采樣后實時檢測信號的峰值、有效值等信息，以判斷過壓、欠壓、振蕩等電能質(zhì)量問題。最后將實時波形或分析譜結(jié)果傳送到ＰＣ上位機或其它網(wǎng)絡(luò)上。系統(tǒng)的每個采樣周期的時間分配見圖４ 所示。其軟件主程序和中斷處理程序流程圖分別見圖５、圖６ 所示。

４　結(jié)束語

我國對電網(wǎng)質(zhì)量研究起步較晚，目前使用的電網(wǎng)質(zhì)量檢測設(shè)備與發(fā)達(dá)國家還有一定距離，因此，電網(wǎng)污染問題仍然有待于進(jìn)一步解決，傳統(tǒng)的采樣裝置有待于進(jìn)一步優(yōu)化提高，本文設(shè)計的電力采樣處理板采用ＤＳＰ芯片構(gòu)成數(shù)字處理系統(tǒng)，以下位機為主體實現(xiàn)實時采樣、數(shù)據(jù)處理、分析和短時儲存，同時與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊并利用遠(yuǎn)程計算機展示和存儲管理數(shù)據(jù)庫。實驗證明：利用該設(shè)備可提高系統(tǒng)的運算速度和精度?而且性價比很高。