基于DSP的繼電保護測試儀信號采集裝置硬件設(shè)計

　隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，目前國內(nèi)使用的繼電保護測試儀種類繁多，但是由于繼電保護測試儀自身的性能直接影響著對繼電保護裝置的*價，因此測試儀的工作性能和穩(wěn)定性尤為重要。雖然DL／T*-1997《繼電保護微機型試驗裝置技術(shù)條件》對繼電保護試驗裝置提出了明確的要求，規(guī)定了定期檢驗周期和檢驗項目，但因為沒有相關(guān)的檢測規(guī)程或規(guī)范，也沒有現(xiàn)成的檢測裝置，這為繼電保護測試儀的驗收和周檢帶來了一定的困難。因此，需要這樣一種數(shù)據(jù)采集裝置來精確采集繼電保護測試儀的各項數(shù)據(jù)，以便上位機對數(shù)據(jù)進行分析，從而對繼電保護測試儀進行檢定。
　1系統(tǒng)方案設(shè)計

　　本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集裝置專門用于繼電保護測試儀器各項數(shù)據(jù)的采集。設(shè)計選用DSP作為數(shù)據(jù)采集裝置的核心控制器。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由電壓、電流采樣電路，信號放大，低通濾波，同步信號的獲取與識別，直流取樣，模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及通訊模塊電路等組成。

　　本方案中，數(shù)據(jù)選擇器選用AD公司生產(chǎn)的AD7502芯片。AD7502芯片為雙四選一數(shù)據(jù)選擇器，因此需要兩片A／D轉(zhuǎn)換器進行循環(huán)采樣。模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用的是TI公司推出的16位并行高速轉(zhuǎn)換器ADS8515。主控制芯片選用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F2812。TMS320F2812是32位定點高速數(shù)字處理器，最高工作頻率150 MHz，該芯片采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有六條獨立并行的數(shù)據(jù)和地址總線，極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力，32位的累加器、16位的硬件乘法器和輸入、輸出數(shù)據(jù)移位寄存器相結(jié)合，能快速地完成復雜的數(shù)值運算。因此TMS320F2812的計算速度非常高，可以滿足系統(tǒng)的在線實時性要求。

　　在與上位機通訊時，綜合各種因素，本方案選用USB總線技術(shù)實現(xiàn)。USB接口芯片選用Philips公司的ISP1581。ISP1581是Philips公司推出的一款高性價比的USB 2.0接口芯片，它完全遵循USB 2.0規(guī)范，支持7個IN端點，7個OUT端點和一個固定控制IN／OUT端點。ISP1581支持USB 2.0的自檢工作模式和USB 1.1的返回工作模式，可以在高速或全速條件下正常運行。ISP1581內(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE)、PIE、8 KB的FIFO存儲器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、PLL的12 MHz晶體振蕩器和3.3 V的電壓調(diào)整器。ISP1581與外部微控制器的通信主要通過一個高速通用并行接口來實現(xiàn)。它與微控制器的連接有兩種模式：斷開總線模式和通用處理器工作模式。在斷開總線模式下，AD [7：0]為多路復用的8位地址／數(shù)據(jù)總線，DATA[15：0]為單獨的DMA數(shù)據(jù)總線；在通用處理器工作模式下，AD[7：0]為單獨的8位地址線， DATA[15：0]為16位控制器數(shù)據(jù)總線。此時，DMA將多路復用到DATA[15：0]控制器的數(shù)據(jù)總線上。本裝置在硬件設(shè)計中將電路設(shè)計成通用處理器模式。

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1電壓、電流采樣電路設(shè)計

　　本系統(tǒng)采集三相電壓、三相電流以及中性線的兩路電壓和電流信號。電壓和電流的采樣電路類似，電壓采用電壓互感器，電流采用電流互感器，通過運放OPA2277組成電壓和電流采樣電路。電壓采集電路如圖2所示。圖2中，T1為電壓互感器。電壓互感器出來的信號通過OPA2277處理后送入數(shù)據(jù)選擇器AD7502的S1輸入引腳。其他7路電壓和電流信號分別送入AD7502的另外7個輸入引腳。

　2.2程控濾波電路設(shè)計

　　系統(tǒng)中選用數(shù)據(jù)選擇器AD7502作為四路電壓和四路電流信號的模擬開關(guān)。濾波電路選用OPA2277來實現(xiàn)，電路原理圖如圖3所示。其中，AD7502的A0，A1接DSP通用I／O口的GPIOB4，GPIOB5口，EN引腳接高電平。GPIOB4，GPIOB5輸出不同值來控制AD7502不同通道的接通，從而將8路信號依次送人兩片A／D轉(zhuǎn)換器。

　　2.3A／D轉(zhuǎn)換電路與DSP接口電路的設(shè)計

　　A／D轉(zhuǎn)換器是模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的核心器件，在整個測量系統(tǒng)中占有重要地位。如果模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)低時，將引起較大的測量誤差，本裝置選用德州儀器(TI)公司的A／D芯片ADS8515作模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS8515是采樣率為250 KSPS的16位并行A／D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍能達到±10 V。ADS8515屬于逐次逼近寄存器型(簡稱SAR型)A／D轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器通過輸入的模擬信號與比較器逐次比較來輸出數(shù)字信號，是目前應用最多的轉(zhuǎn)換器類型。 SAR型A／D轉(zhuǎn)換器的功耗比較低，體積比較小，而且A／D內(nèi)部通常具有采樣保持器，它可以維持采樣電壓直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，且其轉(zhuǎn)換速率很快。ADS8515和DSP的接口電路如圖4所示。

　　由于TMS320F2812的I／O電壓是3.3 V電平，而ADC則是5 V電平，因此需要電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC245來實現(xiàn)隔離功能。ADS8515的控制是通過對片選信號CS、啟動信號R／C以及對狀態(tài)信號BUSY的查詢來實現(xiàn)的。BUSY，CS，R／C，分別接DSP的中斷信號引腳XINT1和通用 I／O接口GPIOB0，GPIOB1。為了保證雙DSP的同步采樣，防止數(shù)據(jù)輸出時兩DSP數(shù)據(jù)的串擾，采用將另一個DSP的片選信號CS和啟動信號 R／C分別接DSP的通用I／O接口GPIOB2和GPIOB3的方法。這樣可以保證雙DSP同步采樣，并依次讀取兩個A／D中的數(shù)據(jù)。

　2.4同步信號獲取與識別電路設(shè)計

　　為了實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換器的交流同步采樣，本方案的設(shè)計電路如圖5所示。方案選用多個OPA2277和比較器MAX998來組成信號的獲取與識別電路，從而克服了非整周期采樣帶來的頻率泄露誤差，實現(xiàn)嚴格的同步采樣和等間隔采樣。圖5中，K3C為繼電器，用作開關(guān)使用，用來通斷選擇獲取的一路交流電壓信號和一路交流電流信號。OPA2277組成放大和濾波電路。二極管D2，D3的作用是保護比較器MAX998，防止電壓過大而擊穿MAX998。

　　2.5DSP系統(tǒng)的設(shè)計

　　DSP系統(tǒng)主要由DSP芯片、電源電路、時鐘電路、仿真和測試電路組成。由于TMS320F2812的電源系統(tǒng)既有3.3 V的數(shù)字和模擬電源，又有1.8 V的數(shù)字電源，電源的安全和可靠是系統(tǒng)運行的根本保證，所以需要將常用的5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.8 V電源。本設(shè)計選用TI公司的TPS767D318作為電源芯片，該芯片是專門為DSP的應用而設(shè)計的，可以提供3.3 V和1.8 V兩路電壓輸出，其中每路輸出均可提供最大為1 A的電流。TPS767D318同時具有電壓監(jiān)測功能。電源電路的設(shè)計如圖6所示。此外，DSP的每個電源和地引腳不能懸空，數(shù)字模擬地要分離設(shè)計。

　　由于本系統(tǒng)對時序的要求比較敏感，所以本系統(tǒng)的時鐘電路選用3.3 V工作電壓的外部有源晶振。該有源晶振相對無源晶振信號質(zhì)量更好，而且比較穩(wěn)定，連接方式相對簡單。通常的用法是：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接電壓。

　　在對DSP系統(tǒng)進行硬件仿真時，可以通過JTAG邊界掃描接口對DSP內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器和控制寄存器進行在線監(jiān)控，并能在TMS320F2812的開發(fā)環(huán)境CCS中把程序下載到DSP芯片進行硬件仿真。JTAG接口的原理圖如圖7所示。

　　2.6通訊模塊設(shè)計

　　目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多以ISA，EISA或PCI插卡的形式完成數(shù)據(jù)的傳輸，這些方式存在著開發(fā)調(diào)試比較困難、安裝麻煩以及通用性和可移植性差等缺點，而且PC機上的插槽數(shù)量、地址、終端資源有限，導致這種方式的可擴展性差。目前，廣泛應用的USB總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優(yōu)點，已成為計算機接口的主流。本文選用專用的USB接口芯片來完成DSP與PC機的數(shù)據(jù)傳輸。USB 2.0芯片選用Philips公司的ISP1581。ISP1581與TMS320F2812的連接電路圖如圖8所示。ISP1581在上電時，通過BUS_CONF，MODE0，MODE1對接口進行設(shè)置，本設(shè)計中BUS CONF通過電阻連接至高電平，ISP1581工作在通用處理器模式，AD[0～7]是8位地址總線，DATA[0～15]是獨立的數(shù)據(jù)總線。MODE0設(shè)為1，因此讀寫選通信號為8051類型。TMS320F2812的XCS0AND1作為ISP1581的片選信號。RREF引腳通過12 kΩ的精密電阻接地，提供精確的鏡像電流。RPU引腳通過1.5 kΩ電阻器上拉。

　　3結(jié)語

　　研制了一種基于DSP技術(shù)的繼電保護測試儀信號采集裝置，以便檢定繼電保護測試儀的性能指標是否滿足設(shè)計要求。文中重點介紹了數(shù)據(jù)采集裝置的整體架構(gòu)、基于DSP的數(shù)據(jù)采集裝置的硬件組成和電路設(shè)計。該數(shù)據(jù)采集裝置可以精確采集繼電保護測試儀的各項數(shù)據(jù)，為繼電保護測試儀的檢定裝置奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。