國(guó)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(yīng)用與設(shè)計(jì)

國(guó)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(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹了A/D轉(zhuǎn)換的控制和實(shí)現(xiàn)過(guò)程的軟件程序?qū)崿F(xiàn)。該系統(tǒng)可通過(guò)串口總線或以太網(wǎng)與PC機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，同時(shí)也可以在本地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)

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(gè)芯片有8個(gè)采集通道。AD7606能完全滿足電力系統(tǒng)對(duì)采樣的要求。它具有靈活的數(shù)字濾波器、2.5V基準(zhǔn)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(fù)雙電源并支持真正的雙極性信號(hào)輸入。所有的通道均能以高達(dá)200kSPS的速率進(jìn)行采樣，同時(shí)輸入端箝位保護(hù)電路可以承受最高達(dá)±16.5V的電壓[3]。相比其它的采樣芯片，AD7606有以下幾個(gè)顯著地優(yōu)點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)中包含的電流/電壓互感器的數(shù)量會(huì)有多個(gè)，對(duì)ADC總通道數(shù)的需求往往超過(guò)12個(gè)。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(gè)AD7606完全能滿足系統(tǒng)的需要。

(2)簡(jiǎn)化了前端設(shè)計(jì)，不再需要外部驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)，模擬輸入前端一般需要運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部采樣電容的驅(qū)動(dòng)，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(dòng)運(yùn)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(hào)調(diào)理電路，其等效的輸入阻抗與采樣率完全無(wú)關(guān)。同時(shí)輸入端集成了抗混疊抑制特性的濾波器，使得前端設(shè)計(jì)中不再需要外部驅(qū)動(dòng)和濾波電路，因此互感器輸出的信號(hào)可以直接接入AD7606而無(wú)需再經(jīng)過(guò)運(yùn)放緩沖[5]。

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

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

(5)不需要CLK時(shí)鐘輸入信號(hào)。

步驟5 使用PI算子依次判斷各棲息地，隨機(jī)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(jī)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(jī)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(zhǔn)和基準(zhǔn)緩沖電路，設(shè)計(jì)應(yīng)用中可根據(jù)系統(tǒng)要求選用內(nèi)置基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn)。

2.2 TMS320F2812簡(jiǎn)介

TMS320F2812是面向電機(jī)控制、工業(yè)自動(dòng)化的第一款帶片內(nèi)Flash(閃速存儲(chǔ)器)、工作頻率最大可達(dá)到150 MHz的32位DSP。它不但運(yùn)行速度高，處理功能強(qiáng)大，并且具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，便于接口和模塊化設(shè)計(jì)。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)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(cè)控場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化控制、智能化儀器儀表及電機(jī)伺服控制系統(tǒng)等[7]。

3.硬件總體方案設(shè)計(jì)

3.1 AD7606硬件配置方式

具體配置如下：

(1)設(shè)置RANGE=0，模擬輸入范圍是±5V。

圖1 傳統(tǒng)SAR型ADC的典型設(shè)計(jì)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(shè)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(lì)。

(4)設(shè)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(shè)置過(guò)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(shè)置GPIOA4和GPIOA6為GPIO輸出。GPIOA4用來(lái)控制AD7606的RESET#信號(hào)，GPIOA6用來(lái)控制啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)。

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

(3)使用DSP的/XZCS0&1和DA11～DA13經(jīng)過(guò)一個(gè)74HC138，以138的輸出作為AD7606的片選信號(hào)，兩片AD7606的片選分別采用兩個(gè)138的輸出片選信號(hào)。AD7606地址映射到F2812的擴(kuò)展總線存儲(chǔ)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(hào)接到采樣芯片/RD引腳上。由于DSP對(duì)采樣芯片沒有任何命令設(shè)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(gè)AD7606采樣芯片）、TMS320F2812系統(tǒng)、通信顯示模塊以及上位機(jī)數(shù)據(jù)處理等幾部分構(gòu)成。總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

DSP通過(guò)GPIOA6引腳來(lái)對(duì)CONVST信號(hào)線啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同步采樣工作，通過(guò)GPIOA5信號(hào)引腳線來(lái)判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。當(dāng)查詢到轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，DSP即可從AD7606的8個(gè)16位RAM中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。讀取時(shí)，由TMS320F2812的/RD引腳發(fā)出讀信號(hào)，相應(yīng)74HC138引腳發(fā)出片選信號(hào)并由數(shù)據(jù)總線來(lái)讀取經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后的采集數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)不同地址的讀取，可以連續(xù)讀取16個(gè)16位的結(jié)果。為滿足實(shí)時(shí)監(jiān)視、實(shí)時(shí)控制的需要。擴(kuò)展串口總線接口和以太網(wǎng)接口，便于上位機(jī)PC通過(guò)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序采用C語(yǔ)言編程，其流程圖如圖3所示。

程序首先對(duì)系統(tǒng)初始化，內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)，復(fù)位AD7606。主程序最后進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)后當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀取數(shù)據(jù)，然后可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、緩存數(shù)據(jù)[8]；當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)到達(dá)N點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)器中斷服務(wù)程序，根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬電量的實(shí)時(shí)采集。

4.2 軟件程序的實(shí)現(xiàn)

(1)復(fù)位AD7606：AD7606在采樣開始之前需要復(fù)位，復(fù)位的方式為給AD7606的RESET引腳一個(gè)時(shí)間不小于50ns的正脈沖。通過(guò)TMS320F2812的GPIOA4與AD7606的RESET引腳相連產(chǎn)生一個(gè)正脈沖[6]。用C語(yǔ)言如下：

(2)啟動(dòng)AD7606轉(zhuǎn)換：AD7606的CONVSTA/B引腳一個(gè)時(shí)間不小于25ns的負(fù)脈沖。通過(guò)TMS320F2812的GPIOA6與AD7606的CONVSTA/B引腳相連產(chǎn)生一個(gè)負(fù)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(dāng)讀取時(shí)，DSP的/CS信號(hào)有效，且DSP的讀信號(hào)/RD有效。用C語(yǔ)言如下：

5.結(jié)束語(yǔ)

本方案設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能完成16路模擬電壓或電流信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)處理。這種方案不僅可以通過(guò)以太網(wǎng)上送采樣的實(shí)時(shí)值，也可以利用DSP強(qiáng)大地計(jì)算能力在本地把采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FFT計(jì)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(jiǎn)單、體積小、速度快、處理數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)，并在實(shí)際工程中應(yīng)用，表明此系統(tǒng)方案在電力參數(shù)中的信號(hào)采集處理方面有著良好的效果。

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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(dòng)化。