基于DSP的繼電保護測試儀信號采集裝置硬件設計

　隨著電力行業的不斷發展，目前國內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定性尤為重要。雖然DL／T*-1997《繼電保護微機型試驗裝置技術條件》對繼電保護試驗裝置提出了明確的要求，規定了定期檢驗周期和檢驗項目，但因為沒有相關的檢測規程或規范，也沒有現成的檢測裝置，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，需要這樣一種數據采集裝置來精確采集繼電保護測試儀的各項數據，以便上位機對數據進行分析，從而對繼電保護測試儀進行檢定。
　1系統方案設計

　　本文設計的數據采集裝置專門用于繼電保護測試儀器各項數據的采集。設計選用DSP作為數據采集裝置的核心控制器。系統硬件總體結構如圖1所示。系統由電壓、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／數轉換電路以及通訊模塊電路等組成。

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

　　在與上位機通訊時，綜合各種因素，本方案選用USB總線技術實現。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內部集成有串行接口引擎(SIE)、PIE、8 KB的FIFO存儲器、數據收發器、PLL的12 MHz晶體振蕩器和3.3 V的電壓調整器。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。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／數據總線，DATA[15：0]為單獨的DMA數據總線；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位控制器數據總線。此時，DMA將多路復用到DATA[15：0]控制器的數據總線上。本裝置在硬件設計中將電路設計成通用處理器模式。

　　2系統硬件設計

　　2.1電壓、電流采樣電路設計

　　本系統采集三相電壓、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處理后送入數據選擇器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程控濾波電路設計

　　系統中選用數據選擇器AD7502作為四路電壓和四路電流信號的模擬開關。濾波電路選用OPA2277來實現，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轉換器。

　　2.3A／D轉換電路與DSP接口電路的設計

　　A／D轉換器是模／數轉換電路中的核心器件，在整個測量系統中占有重要地位。如果模／數轉換器的位數低時，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／數轉換器。ADS8515是采樣率為250 KSPS的16位并行A／D轉換器，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轉換器，這種結構的轉換器通過輸入的模擬信號與比較器逐次比較來輸出數字信號，是目前應用最多的轉換器類型。 SAR型A／D轉換器的功耗比較低，體積比較小，而且A／D內部通常具有采樣保持器，它可以維持采樣電壓直到轉換結束，且其轉換速率很快。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，因此需要電平轉換芯片74LVC245來實現隔離功能。ADS8515的控制是通過對片選信號CS、啟動信號R／C以及對狀態信號BUSY的查詢來實現的。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，防止數據輸出時兩DSP數據的串擾，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中的數據。

　2.4同步信號獲取與識別電路設計

　　為了實現A／D轉換器的交流同步采樣，本方案的設計電路如圖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系統的設計

　　DSP系統主要由DSP芯片、電源電路、時鐘電路、仿真和測試電路組成。由于TMS320F2812的電源系統既有3.3 V的數字和模擬電源，又有1.8 V的數字電源，電源的安全和可靠是系統運行的根本保證，所以需要將常用的5 V電源轉換成3.3 V和1.8 V電源。本設計選用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同時具有電壓監測功能。電源電路的設計如圖6所示。此外，DSP的每個電源和地引腳不能懸空，數字模擬地要分離設計。

　　由于本系統對時序的要求比較敏感，所以本系統的時鐘電路選用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量更好，而且比較穩定，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系統進行硬件仿真時，可以通過JTAG邊界掃描接口對DSP內部的數據存儲器、程序存儲器和控制寄存器進行在線監控，并能在TMS320F2812的開發環境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通訊模塊設計

　　目前，數據采集系統多以ISA，EISA或PCI插卡的形式完成數據的傳輸，這些方式存在著開發調試比較困難、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機的數據傳輸。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對接口進行設置，本設計中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]是獨立的數據總線。MODE0設為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結語

　　研制了一種基于DSP技術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計要求。文中重點介紹了數據采集裝置的整體架構、基于DSP的數據采集裝置的硬件組成和電路設計。該數據采集裝置可以精確采集繼電保護測試儀的各項數據，為繼電保護測試儀的檢定裝置奠定了技術基礎。