隨著許多公用事業公司將關注焦點轉向提升電力系統的質量和效率，他們也正從傳統電網向更智能的電網轉型。這種轉型需要在現有的一次設備基礎上添加更多傳感器和通信功能，并安裝二次設備，如保護繼電器、間隔控制器和終端單元，從而保護、控制和監控變電站開關站的一次設備。

隨著更多傳感器的連接，數據采集（DAQ）功能對于提高電力系統性能至關重要。DAQ系統需要采集多個模擬輸入（電流、電壓、溫度）的數據，精確處理采集的樣本，計算電氣參數，并實時地將這些經過處理的參數傳送到中心位置進行分析。

用于保護、監控和測量的AC模擬輸入具有不同的輸入范圍、精度和處理要求。為了優化變電站規模，提升測量精度，提高可靠性和安全性，公用事業公司和很多大型企業正從傳統儀表變壓器向非傳統儀表變壓器轉變，這就需要額外的硬件和處理。由于設備上集成了更多功能，所需的模擬通道數量隨之不斷增加，算法也變得越來越復雜，計算電氣參數的處理要求也越來越高。設計正變得模塊化，也變得更基于應用程序，設計人員正在添加模塊以增加模擬輸入通道的數量，從而降低復雜性。這些添加的模塊是出于DAQ系統中所需的功能而配置的，以提高性能并提供可擴展性。

在我們過去發布的題為將多個模數轉換器（ADC）連接到單個處理器以實現電網保護和控制的博文中，討論了接口選擇，并提出了將可編程實時單元和工業通信子系統（PRU-ICSS）接口作為優化設計。在此博文中，我們將討論使用PRU-ICSS將多個ADC連接到單個主處理器的細節、方法和優勢。

使用PRU-ICSS可以讓設計人員更靈活地選擇基于采樣和處理要求的ADC和處理器。圖2是配有實時協處理器的通用內核框圖。

圖2：配有實時協處理器的通用內核（來源：“確保實時可預測性”第2頁）

帶有串行外圍接口（SPI）的ADC和帶有雙核PRU-ICSS的主處理器簡化了整個系統設計，并提供一個性能提升的成本優化系統。

PRU與Sitara?AM335x、AM437x和AM5x處理器中的ARM?內核一起部署，實現了低延遲、確定性實時子系統的作用。每個PRU子系統包含兩個200MHz實時內核（或PRU），每個內核的每個指令周期時間為5ns。不使用帶指令管道的實時內核可確保單周期的指令執行。帶多位操作指令的PRU小型、確定性指令易于學習和使用。共享內存，和專用于每個實時內核的指令以及數據內存，使所有可能在芯片上構成系統的實時和通用處理器ARM內核之間的程序執行變得靈活。

所用的ADC是一個ADS8688，使用單電源的16位8通道非同步采樣多路復用ADC，雙極輸入電壓高達±10.24V，并且集成AFE。它是一個針對低電壓或中電壓保護、監控和控制應用（包括DTU/FTU）的成本和性能的優化解決方案。在軟件中對使用多路復用ADC時觀察到的通道間采樣延遲進行補償。ADS8688每個通道的數據吞吐量為500ksps或62.5ksps，滿足保護、監控和控制采樣要求，而且每個周期可以有60-512個樣品。

TI的采用多個ADC且適用于同步相干DAQ的靈活接口（PRU-ICSS）參考設計提供了ADS8688和主處理器AM335X之間的接口，從而捕獲數據并執行相干采樣。參考設計還具有以下三個關鍵優勢：

可擴展性/靈活性：可連接多個ADS8688 16位ADC(6)和帶SPI和獨立可控芯片選擇的48個模擬輸入通道。

性能：通過動態調整計時來實現相干采樣，以從ADC中獲取高AC性能。

集成：通過在DAQ系統、工業以太網接口、信號處理和用戶界面上使用單處理器，降低了形狀系數和成本。

PRU-ICSS采用了一個增強的通用輸入/輸出（GPIO）模塊，支持直接輸入和直接輸出模式。PRU核寄存器R30用作通用輸出的接口，寄存器R31用作輸入的接口。寫入PRU核的寄存器R30的任何值將在一個周期后輸出到PRU的外部引腳（R30位0對應引腳0，位1對應引腳1，依此類推）。

相反，每當PRU核讀取寄存器R31時，PRU核外部引腳上的值將在一個周期后存儲。引腳0的值存儲在R31位0中，引腳1存儲在R31位1中，依此類推。除了直接輸入和輸出模式，PRU的確定性使其非常適合執行與多個ADC通信的同步SPI端口。

PRU-ICSS中的GPIO管腳在所有ADC和處理器之間傳輸數據。當PRU-1處理外部數據通信時，PRU-0執行低級過濾和零交叉檢測。運行實時Linux?的ARM內核可以進行數據、通信和人機界面（HMI）控制的進一步處理。

為了使用PRU-ICSS實現DAQ系統，所有ADC都被配置為同時采樣相同的通道。參考設計突出了PRU-ICSS通過每個線周期采集640個樣本來處理1536KSPS數據速率（每個樣本=16位）的能力。對于50Hz周期，這相當于同時通過6個ADC的每個信道32KSPS（640樣本/周期 * 50Hz * 6 ADCs * 8多路復用通道 = 1,536KSPS）。第二個PRU后處理數據以實現相干采樣。

PRU-ICSS為6個TI ADS8688 ADC提供了簡化的同步接口，能夠靈活地通過在指定范圍內根據輸入信號頻率改變芯片選擇計時來調整采樣率。數據可以從所有ADC中捕獲并實時處理。同步SPI數據處理發生在PRU-ICSS中的兩個PRU核中，釋放另一個PRU核來為輸入的信號頻率提供反饋回路（調整ADC采樣率以實現相干采樣），同時對輸入的ADC數據執行低級篩選。使用PRU-ICSS進行模擬信號捕獲和處理可減少處理器開銷，并允許執行外部通信協議和圖形顯示。

審核編輯：郭婷