國電南瑞科技股份有限公司 吳 騫

AD7606在電力系統(tǒng)參數(shù)采集中的應用與設計

國電南瑞科技股份有限公司 吳 騫

介紹了基于TI公司TMS320F2812和16位A/D芯片AD7606在電力系統(tǒng)參數(shù)采集系統(tǒng)中二者的接口設計，并詳細介紹了A/D轉(zhuǎn)換的控制和實現(xiàn)過程的軟件程序?qū)崿F(xiàn)。該系統(tǒng)可通過串口總線或以太網(wǎng)與PC機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，同時也可以在本地對數(shù)據(jù)進行處理，能適用于電力系統(tǒng)參數(shù)的采集。

DSP；AD7606；TMS320F2812；A/D轉(zhuǎn)換

1.引言

2.芯片及其特點

2.1 A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7606

AD7606為16位同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，每個芯片有8個采集通道。AD7606能完全滿足電力系統(tǒng)對采樣的要求。它具有靈活的數(shù)字濾波器、2.5V基準電壓源以及高速并行接口。它采用5V單電源供電，不再需要正負雙電源并支持真正的雙極性信號輸入。所有的通道均能以高達200kSPS的速率進行采樣，同時輸入端箝位保護電路可以承受最高達±16.5V的電壓[3]。相比其它的采樣芯片，AD7606有以下幾個顯著地優(yōu)點：

(1)系統(tǒng)中包含的電流/電壓互感器的數(shù)量會有多個，對ADC總通道數(shù)的需求往往超過12個。以往的A/D采樣芯片一般為6通道，需要采用3片才能滿足要求。而AD7606是8通道采樣芯片，兩個AD7606完全能滿足系統(tǒng)的需要。

(2)簡化了前端設計，不再需要外部驅(qū)動和濾波電路[4]。傳統(tǒng)的逐次逼近型ADC，由于其采樣電容的設計，模擬輸入前端一般需要運算放大器來實現(xiàn)內(nèi)部采樣電容的驅(qū)動，如圖1所示。正因此電容的存在，其等效輸入阻抗與采樣頻率相關(guān)，使得前端驅(qū)動運放的選擇變得十分苛刻。

在AD7606內(nèi)部已經(jīng)包含了高輸入阻抗、低噪聲的信號調(diào)理電路，其等效的輸入阻抗與采樣率完全無關(guān)。同時輸入端集成了抗混疊抑制特性的濾波器，使得前端設計中不再需要外部驅(qū)動和濾波電路，因此互感器輸出的信號可以直接接入AD7606而無需再經(jīng)過運放緩沖[5]。

(3)數(shù)字接口的電平為2.3V～5.25V，可以跟當前任何主流的CPU/DSP連接。

(4)提供了過采樣和數(shù)字濾波功能。通過管腳OS[2:0]可以設置過采樣倍數(shù)(OSR)為：×2，×4，×8，×16，×32，×64[6]。

(5)不需要CLK時鐘輸入信號。

步驟5 使用PI算子依次判斷各棲息地，隨機產(chǎn)生Kim，Kim∈{1,2,3}，若rand<λj,kim成立，則該棲息地選為遷入棲息地；依次判斷各棲息地，隨機產(chǎn)生kem，kem∈{1,2,3}，若rand> <μj,kem成立，則該棲息地選為遷出棲息地；依次判斷遷出棲息地的若rand>μj,kem成立，則該棲息地選為遷出棲息地；依次判斷遷出棲息地的若randλj,kim成立，則該棲息地選為遷入棲息地；依次判斷各棲息地，隨機產(chǎn)生kem，kem∈{1,2,3}，若rand

(6)內(nèi)部集成了2.5V帶隙電壓基準和基準緩沖電路，設計應用中可根據(jù)系統(tǒng)要求選用內(nèi)置基準或外部基準。

2.2 TMS320F2812簡介

TMS320F2812是面向電機控制、工業(yè)自動化的第一款帶片內(nèi)Flash(閃速存儲器)、工作頻率最大可達到150 MHz的32位DSP。它不但運行速度高，處理功能強大，并且具有豐富的片內(nèi)外設，便于接口和模塊化設計。它既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，如工業(yè)自動化控制、智能化儀器儀表及電機伺服控制系統(tǒng)等[7]。

3.硬件總體方案設計

3.1 AD7606硬件配置方式

具體配置如下：

(1)設置RANGE=0，模擬輸入范圍是±5V。

圖1 傳統(tǒng)SAR型ADC的典型設計圖

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框圖

圖3 采集程序流程圖

(2)設置/PAR/SER/BYTE SEL為低電平，選擇使用并行接口模式。

(3)CONVSTA與CONVSTB短接，使用同源激勵。

(4)設置REF SELECT=0，使用外部參考電壓以提高采樣精度。

(5)為了提高采樣速度，設置過采樣模式引腳OS[2:0]=000。

(6)VDRIVE與DSP的工作電源3.3V短接。

3.2 TMS320F2812配置方式

(1)輸出端口設置GPIOA4和GPIOA6為GPIO輸出。GPIOA4用來控制AD7606的RESET#信號，GPIOA6用來控制啟動A/D轉(zhuǎn)換信號。

(2)輸入端口設置GPIOA5為GPIO輸入，接收A/D采樣轉(zhuǎn)換完成信號。

(3)使用DSP的/XZCS0&1和DA11～DA13經(jīng)過一個74HC138，以138的輸出作為AD7606的片選信號，兩片AD7606的片選分別采用兩個138的輸出片選信號。AD7606地址映射到F2812的擴展總線存儲空間XINTF Zone0&1上。

(4)DSP的數(shù)據(jù)線直接接到采樣芯片數(shù)據(jù)線上，做并行連接。

(5)DSP的/RD信號接到采樣芯片/RD引腳上。由于DSP對采樣芯片沒有任何命令設置，故沒有/WR的連接。

3.3 系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件主要包括數(shù)據(jù)采集模塊（包括兩個AD7606采樣芯片）、TMS320F2812系統(tǒng)、通信顯示模塊以及上位機數(shù)據(jù)處理等幾部分構(gòu)成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖2所示。

DSP通過GPIOA6引腳來對CONVST信號線啟動A/D轉(zhuǎn)換器進行同步采樣工作，通過GPIOA5信號引腳線來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。當查詢到轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，DSP即可從AD7606的8個16位RAM中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。讀取時，由TMS320F2812的/RD引腳發(fā)出讀信號，相應74HC138引腳發(fā)出片選信號并由數(shù)據(jù)總線來讀取經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后的采集數(shù)據(jù)，通過對不同地址的讀取，可以連續(xù)讀取16個16位的結(jié)果。為滿足實時監(jiān)視、實時控制的需要。擴展串口總線接口和以太網(wǎng)接口，便于上位機PC通過串口或以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信。

4.系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)軟件設計

程序采用C語言編程，其流程圖如圖3所示。

程序首先對系統(tǒng)初始化，內(nèi)部定時器定時，復位AD7606。主程序最后進入一個循環(huán)，轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)后當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀取數(shù)據(jù)，然后可以進行數(shù)據(jù)處理、緩存數(shù)據(jù)[8]；當采樣點數(shù)到達N點時，系統(tǒng)進行定時器中斷服務程序，根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行不同的處理，實現(xiàn)了對模擬電量的實時采集。

4.2 軟件程序的實現(xiàn)

(1)復位AD7606：AD7606在采樣開始之前需要復位，復位的方式為給AD7606的RESET引腳一個時間不小于50ns的正脈沖。通過TMS320F2812的GPIOA4與AD7606的RESET引腳相連產(chǎn)生一個正脈沖[6]。用C語言如下：

(2)啟動AD7606轉(zhuǎn)換：AD7606的CONVSTA/B引腳一個時間不小于25ns的負脈沖。通過TMS320F2812的GPIOA6與AD7606的CONVSTA/B引腳相連產(chǎn)生一個負脈沖。

(3)判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束：TMS320F2812的GPIOA5與AD7606的BUSY相連，只要查詢GPIOA5是否為低電平即能判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。

(4)數(shù)據(jù)緩存：一次讀取AD7606的16路的采樣數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)的I/O空間端口地址為0x5400和0x5800。DSP是以I/O口方式訪問AD7606，當讀取時，DSP的/CS信號有效，且DSP的讀信號/RD有效。用C語言如下：

5.結(jié)束語

本方案設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能完成16路模擬電壓或電流信號的采集和數(shù)據(jù)處理。這種方案不僅可以通過以太網(wǎng)上送采樣的實時值，也可以利用DSP強大地計算能力在本地把采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT計算[9，10]出電流、電壓和功率的有效值。TMS320F2812+AD7606的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、速度快、處理數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點，并在實際工程中應用，表明此系統(tǒng)方案在電力參數(shù)中的信號采集處理方面有著良好的效果。

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[2]許遐.電能質(zhì)量的全過程監(jiān)測技術(shù)[J].電測與儀表,l999(8):10-14.

[3]ADI公司.基于AD7606的高性能電力線監(jiān)測、繼電保護系統(tǒng)設計指南[J].電子技術(shù)應用,2011(6):6-8.

[4]張毅剛,涂志均,楊智明.基于ARM的高速并行數(shù)據(jù)采集模塊設計[J].電子測量技術(shù),2011,34(7):62-66.

[5]于克泳,孫建軍.新一代16位8通道同步采樣ADC-AD7606在智能電網(wǎng)中的應用[J].電子產(chǎn)品世界,2010,17(10):63-65.

[6]AD7606 datasheet.8-Channel DAS with 16-Bit,Bipolar Input,Simultaneous Sampling ADC,Analog Device Inc,2010.

[7]李偉,張勇,張玉猛.基于TMS320F2812及ADS8365的投注機數(shù)據(jù)采集設計[J].科技信息,2008(28):402-403.

[8]王健,凌濱.基于DSP的交流電能參數(shù)測量的設計[J].電測與儀表,2008,45(5):23-25.

[9]楊存祥,丁守強,孔漢.基于DSP的電參數(shù)測量系統(tǒng)的應用研究[J].中國儀器儀表,2005,(12):68-70.

[10]孫可.電能質(zhì)量分析方法與控制技術(shù)探討[J].能源工程,2004(4):13-16.

吳騫（1977—），男，江西宜黃人，碩士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。