張守波，湯秀華，劉 纓，黃海宇，徐方剛

（1.黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院，黑龍江 哈爾濱 150036；2.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

電動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)試中，關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確地測(cè)試電機(jī)的三相電參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是單片機(jī)、DSP的問世，使得電壓、電流及功率的測(cè)試方法由原來的采用電壓、電流及功率變送器改變?yōu)閷?duì)交流量的瞬時(shí)值直接進(jìn)行采樣。該設(shè)計(jì)就是采用硬件同步采樣法對(duì)電機(jī)的三相交流量的瞬時(shí)值直接進(jìn)行采樣處理，最后由高速處理器DSP芯片根據(jù)某種算法精確計(jì)算出所需的電參數(shù)[1-3]，并將結(jié)果顯示在液晶屏上，存儲(chǔ)于優(yōu)盤里。

1 電參量測(cè)量

該設(shè)計(jì)采用硬件同步采樣法測(cè)量三相電參量，于是有：

電網(wǎng)頻率f則可由DSP直接測(cè)量得到。

2 系統(tǒng)組成及功能

如圖1所示，該系統(tǒng)主要由信號(hào)輸入電路、信號(hào)調(diào)理電路、CPU、顯示電路、鎖相環(huán)電路、采樣保持及A/D轉(zhuǎn)換電路、測(cè)頻電路、看門狗電路、USB存儲(chǔ)模塊等組成。測(cè)頻電路、顯示電路和看門狗電路為常用電路，這里不做詳細(xì)介紹。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.1 CPU電路

該設(shè)計(jì)選用TI公司的TMS320F2812芯片。F2812的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)比一般的MCU更適合數(shù)字信號(hào)處理，由于其集成了A/D、鎖相環(huán)、看門狗等硬件設(shè)施，32位定點(diǎn)控制，150 MHz的執(zhí)行速度，極大地提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力，并且具有豐富的硬件接口，軟件控制能力強(qiáng)，非常適合電力參數(shù)檢測(cè)裝置。相比其他芯片，如AD公司的ADSPZI系列、Motorola公司的MC56、MC96系列以及Tl公司的TMS320C2000系列、C5000系列、C6000系列等，F(xiàn)2812在功能和成本上有著很大的優(yōu)勢(shì)。它將變換器送來的數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算，得出被測(cè)信號(hào)的電流、電壓、頻率、相位、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等。

2.2 信號(hào)輸入電路

信號(hào)輸入電路即電壓、電流信號(hào)輸入處理電路。由電壓（電流）互感器及匹配電阻R和高性能運(yùn)算放大器組成，實(shí)現(xiàn)了外部信號(hào)與此系統(tǒng)的電氣隔離，減小了外部電磁干擾，提高了電氣安全性能和可靠性，并將電壓信號(hào)變?yōu)榕c輸入電路幅值匹配的信號(hào)輸出，互感器后接OP4177集成運(yùn)放。OP4177是一種高精度、低噪聲、低溫漂的四通道集成運(yùn)放，用其與互感器配合使用，具備信號(hào)放大準(zhǔn)確、熱噪聲干擾小等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 鎖相環(huán)電路

由于要在一個(gè)基頻周期內(nèi)采樣128點(diǎn)，所以采樣信號(hào)的頻率為基頻的128倍。如圖2所示，CD4046鎖相環(huán)內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率由CA和CB間電容和R1電阻確定，調(diào)整在6400Hz附近[4]。工頻信號(hào)Ua經(jīng)過比較器LM311整形后成為TTL電平的工頻方波信號(hào)，它與經(jīng)CD4024進(jìn)行128分頻后的信號(hào)作相位比較，然后從相位比較器輸出并經(jīng)RC低通濾波后，得到控制壓控振蕩器頻率的信號(hào)。用壓控振蕩器輸出控制采樣保持器并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后向F2812發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，F(xiàn)2812響應(yīng)中斷后把A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入。這樣就可以使采樣點(diǎn)均勻分布在整周期內(nèi)，消除了因采樣不同步帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)硬件同步采樣。

圖2 鎖相環(huán)同步采樣控制電路圖

2.4 調(diào)理電路及A/D轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分壓分流，并實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的電平偏移來滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364的輸入要求。

考慮到電參數(shù)采集對(duì)精度、速度的要求，選用外置的16位A/D轉(zhuǎn)換器ADS8364。它是TI公司的一款高速、低功耗、6通道、全差分同步采樣輸入的16位A/D轉(zhuǎn)換器。其在50kHz的采樣頻率下共模抑制比為80dB，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，特別適合于電力網(wǎng)的高干擾環(huán)境中。6路模擬輸入分為3組（A/B/C），每個(gè)輸入端有1個(gè)高速采樣/保持放大器和高速ADC來實(shí)現(xiàn)所有通道的同時(shí)采樣與轉(zhuǎn)換功能，非常適合多路采集系統(tǒng)的需要。6個(gè)通道的數(shù)據(jù)輸出接口電壓在2.7～5.5 V之間，便于與DSP直接接口，省去了中間的電平轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)采用差分輸入方式，差分輸入范圍為圍繞共模電壓（2.5V）的-VREF～+VREF，該系統(tǒng)采樣內(nèi)部參考電壓，VREF＝2.5 V，所以相應(yīng)的輸入范圍為0～5V。前級(jí)模擬電路得到的是幅值范圍為-5～+5V的雙極信號(hào)，通過調(diào)理電路可以轉(zhuǎn)換為適合A/D輸入范圍的信號(hào)。由于ADS8364與F2812都是TI公司提供的高速芯片，兩者在速度上能夠完全匹配，實(shí)現(xiàn)芯片間的無縫連接[5]。

系統(tǒng)采用F2812的PWM1產(chǎn)生5 MHz的時(shí)鐘為ADC提供時(shí)鐘，使用/XZCS2和A15譯碼作為ADS8364的片選信號(hào)。配置PORT EF為通用目的數(shù)字量輸入/輸出端口，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)直接接到F2812的外部中斷EXT_INT1。GPIOF.1控制ADS8364的RESET，使用GPIOF.1對(duì)ADS8364復(fù)位，保證讀取ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的指針指向每個(gè)通道的第1個(gè)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。ADS8364的HOLDx低電平有效，同時(shí)將3個(gè)HOLD置低，6個(gè)通道將同時(shí)采樣。使用ADS8364的轉(zhuǎn)換完畢信號(hào)EOC觸發(fā)F2812的中斷，讀取數(shù)據(jù)[6-7]。與其他采用MAX125等A/D、轉(zhuǎn)換器相比，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了可靠性。A/D轉(zhuǎn)換器與DSP的連接如圖3所示。

圖3 F2812和ADS8364接口電路

2.5 USB存儲(chǔ)模塊

USB存儲(chǔ)模塊將CPU處理完的結(jié)果直接存儲(chǔ)到優(yōu)盤或移動(dòng)硬盤?？刂葡到y(tǒng)將處理結(jié)果通過DSP芯片傳輸給USB控制器，接著由后者驅(qū)動(dòng)USB接口以將數(shù)據(jù)傳給外部器件；另一方面，USB控制器通過USB接口接收外部器件傳來的信息，然后再把它們轉(zhuǎn)發(fā)給信號(hào)處理系統(tǒng)[8]。

由于TMS320F2812控制器的速度快，處理數(shù)據(jù)量大，使用USB2.0及其他內(nèi)嵌微處理器的總線控制器已不能滿足數(shù)據(jù)吞吐率的要求。因此，該接口設(shè)計(jì)選用的是Cypress公司生產(chǎn)不含微控制器的USB2.0總線接口控制芯片CY7C68001。設(shè)計(jì)將CY7C68001配置在TMS320F2812的Zone0空間，并采用CY7C68001的異步讀寫方式來完成二者之間的數(shù)據(jù)和命令交換。

2.6 按鍵和液晶模塊

液晶模塊選用內(nèi)嵌集成觸摸屏和按鍵模塊控制芯片RA8806的ZLG320240T，顯示內(nèi)容為320×240，僅用一頁就可以顯示全部測(cè)試內(nèi)容，工作電源為3.3V，可以直接和DSP相連，無需電平轉(zhuǎn)換。RA8806是文字與繪圖模式的點(diǎn)矩陣液晶顯示控制器，自帶中文字庫，具有觸摸屏和按鍵驅(qū)動(dòng)。按鍵選用RA8806提供的4×8的鍵盤掃瞄接口，其中更包含了長(zhǎng)按鍵的功能，同時(shí)透過中斷可以輕易地操作鍵盤掃描。

2.7 硬件抗干擾設(shè)計(jì)

為了提高測(cè)試系統(tǒng)抗干擾性以及可靠性，在對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中采用了以下常用硬件抗干擾技術(shù)和措施：（1）測(cè)試系統(tǒng)采用線性電源，由220 V經(jīng)交流變壓、整流、濾波及穩(wěn)壓得到測(cè)試系統(tǒng)需要的直流供電電壓，穩(wěn)壓性能好、隔離特性好。（2）測(cè)試系統(tǒng)機(jī)箱采用金屬機(jī)箱，外殼接地防外界電磁場(chǎng)干擾。電壓測(cè)試線、電流互感器信號(hào)線均選用屏蔽線。（3）測(cè)試系統(tǒng)中的模擬地作為運(yùn)算放大器、比較器、A/D轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位；數(shù)字地作為系統(tǒng)中各數(shù)字電路的零電位，與模擬地分開，以避免模擬信號(hào)受數(shù)字脈沖干擾。（4）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)分離，數(shù)字、模擬信號(hào)分離。（5）采用電源檢測(cè)及看門狗電路提高測(cè)試系統(tǒng)可靠性。

3 電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了便于軟件的調(diào)試、修改和維護(hù)，該系統(tǒng)的軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。

按照系統(tǒng)的功能要求將軟件部分分為主程序模塊，采樣A/D轉(zhuǎn)換模塊，電參數(shù)計(jì)算模塊，鍵盤操作模塊，液晶顯示模塊及USB存儲(chǔ)模塊6個(gè)程序模塊。對(duì)于軟件的設(shè)計(jì)，采用自頂向下的設(shè)計(jì)思想，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

4 誤差分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 誤差來源

電壓、電流互感器的線性誤差主要對(duì)電壓、電流測(cè)量誤差產(chǎn)生影響，而兩者的角差則主要對(duì)功率測(cè)量誤差產(chǎn)生影響。

由A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生誤差。該系統(tǒng)采用TI公司16位的ADS8364，則由于A/D分辨率產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差可以忽略。

原理誤差。因N次均勻采樣時(shí)間間隔之和不可能恰好等于M個(gè)周期，因此存在原理誤差。由于系統(tǒng)采樣點(diǎn)數(shù)N為128足夠大，故可以忽略。

圖4 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖

4.2 誤差合成

電壓、電流測(cè)量誤差主要由互感器的線性誤差產(chǎn)生，其他因素可以忽略。系統(tǒng)選用線性誤差小于0.1%的互感器，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)交流電壓、電流測(cè)量誤差小于±0.2%要求。

功率誤差則由3個(gè)部分合成，分別為電壓、電流互感器的比差 γub、γib，角差 γθ。該系統(tǒng)采用的電壓互感器、電流互感器的比差 γub、γib優(yōu)于 0.1%、0.1%，角差γθ優(yōu)于0.05%，則γP≈0.26%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)功率誤差小于±0.5%要求。

4.3 測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證設(shè)備使用0.01%的三相交流標(biāo)準(zhǔn)源，三相交流標(biāo)準(zhǔn)源分別輸出標(biāo)準(zhǔn)交流電壓、交流電流、標(biāo)準(zhǔn)功率，由測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，得到如表1、表2、表3所示數(shù)據(jù)。測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，由系統(tǒng)自身產(chǎn)生，即各次測(cè)量相對(duì)誤差的平均值。相對(duì)平均誤差相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差則是由于重復(fù)性測(cè)量產(chǎn)生，兩者按均方根合成，合成后即為測(cè)量最大不確定度。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差滿足正態(tài)分布，按貝塞爾公式計(jì)算：

表1 測(cè)試系統(tǒng)電壓測(cè)量（三相平均值）

表2 測(cè)試系統(tǒng)電流測(cè)量（三相平均值）

表3 測(cè)試系統(tǒng)功率測(cè)量

技術(shù)指標(biāo)中要求電壓、電流測(cè)量精度優(yōu)于0.2%，功率測(cè)量精度優(yōu)于0.5%，而誤差合成后電壓、電流、功率測(cè)量最大不確定度小于此值，因此證明采用的設(shè)計(jì)方案是可行的。

5 結(jié)束語

基于TMS320LF2812DSP的電機(jī)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)三相電機(jī)電機(jī)基本參數(shù)，并且可以實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)測(cè)量的各種電參量。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定，在保證設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，大大降低了成本，且系統(tǒng)具有體積小、速度快、精度高、使用簡(jiǎn)單、功能全面等優(yōu)點(diǎn)。

[1]唐桃波，吳少林，夏云非，等.基于DSP的高速電氣參數(shù)交流采樣系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶，2004（2）：47-48.

[2]張家田，徐飛，嚴(yán)正國，等.基于TMS320F2812的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].石油儀器，2009（10）：80－83.

[3]郎術(shù)斌.基于數(shù)字同步采樣原理的工頻電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表，2005，42（475）：20-22.

[4]曹孝寧，吳華仁，龍可微，等.鎖相環(huán)同步采樣技術(shù)在電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，1996（4）：59-60.

[5]谷重陽，汪渤，龍殊穎.并行接口模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364與TM S320F2812 的接口設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（12）：137-139.

[6]劉志輝，尹斌，榮梅，等.基于DSP的地下微水檢測(cè)系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（3）：41-42.

[7]魏懷璽，李兵渠，慎豐，等.基于DSP和ADS8364的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32（6）：82-84.

[8]曹軍軍，陳小勤.基于USB2.0的數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器與儀表，2006（1）：37-38.