王小進(jìn)，涂煜

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基于AD7606的繼電保護(hù)數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

王小進(jìn)，涂煜

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

AD7606是一種16位8通道自同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有性價(jià)比高、精度高、能耗低、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于繼電保護(hù)數(shù)據(jù)的測量。本文以繼電保護(hù)系統(tǒng)為例，提出了一種基于AD7606的數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)方法，主要介紹了AD7606的主要特性、電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)。

AD7606 繼電保護(hù) AD采集 數(shù)據(jù)處理

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展對繼電保護(hù)不斷提出新的要求，繼電保護(hù)裝置[1]不僅需要從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運(yùn)行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也要將所獲得的被保護(hù)元件的任何信息和數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)控制中心或任一終端。因此每個繼電保護(hù)裝置不但可完成繼電保護(hù)功能，而且在無故障正常運(yùn)行情況下完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，亦即實(shí)現(xiàn)保護(hù)、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化。因此需要同時(shí)采集多路保護(hù)和測量數(shù)據(jù)，而且信號處理的實(shí)時(shí)性要求很高，于是多通道、高精度同時(shí)采集尤為重要。

AD7606是一種16位8通道自同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有性價(jià)比高、精度高、能耗低、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合繼電保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理。本文主要介紹了AD7606的主要特性、電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)。

1 主要特性[2]

AD7606是一種逐次逼近（SAR）型的雙極性、多通道自同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），在保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度和精度前提下，提高了性能，縮小封裝尺寸，降低了功耗，并且只需要很少的外接元器件，從而非常適合于對模擬信號進(jìn)行測量與控制的系統(tǒng)。例如：電能質(zhì)量監(jiān)控和繼電保護(hù)等領(lǐng)域。

其主要特性有：

1）雙極性模擬輸入；

2）可通過管腳或軟件方式選擇電壓輸入范圍（±10 V，±5 V）；

3）最大吞吐率為200 ksps；

4）低功耗：在供電電壓為5 V，速率為200 ksps 時(shí)的功耗為100 mW，待命時(shí)是25 mW；

5）寬帶寬輸入：輸入頻率為50 Hz時(shí)的信噪比（SNR）為95.5 dB；

6）并行、串行和菊花鏈接接口模式；

7）與SPI/QSPI/uWire/DSP兼容的高速串行接口；

8）64引腳QFP。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 AD7606內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AD7606包含了8個逐次逼近ADC，8個采集保持器，片外提供了5V基準(zhǔn)參考電壓和基準(zhǔn)緩沖器（芯片ADR421提供），高速的并行和串行接口。具體如圖1。

2.2 工作原理

AD7606是高速低功耗、允許8路同時(shí)采集的逐次逼近式ADC，包括1個比較器、1個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個逐次逼近寄存器（SAR）和1個邏輯控制單元。轉(zhuǎn)換中的逐次逼近是按對分原理有控制邏輯電路完成，其工作過程大致如下：啟動轉(zhuǎn)換后，控制邏輯電路首先把逐次逼近寄存器的最高位置1，其它置0，逐次逼近寄存器的內(nèi)容經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到電壓值。這個電壓值在比較器中與輸入信號進(jìn)行比較。比較器的輸出反饋到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并在下一次比較前進(jìn)行修正。在邏輯控制電路的時(shí)鐘驅(qū)動下，逐次逼近寄存器，不斷進(jìn)行比較和移位，直到完成最低有效位的轉(zhuǎn)換。

AD7606轉(zhuǎn)換是通過脈沖調(diào)制CONVSTx信號開始的，在CONVSTx的上升沿，被選中的ADC的跟蹤保持電路會被置為保持模式，轉(zhuǎn)換開始。在CONVSTx信號的上升沿后，BUSY信號會置1，這表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。轉(zhuǎn)換時(shí)鐘是由內(nèi)部產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)換時(shí)間是從CONVSTx信號上升沿開始的3μs，當(dāng)BUSY信號變?yōu)榈碗娖?，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。在BUSY信號的下降沿，跟蹤保持電路返回跟蹤模式，數(shù)據(jù)通過并行或串行接口從輸出寄存器中被讀出。圖2為AD7606一次轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀取，在CONVSTx上升t5后再經(jīng)過t1時(shí)間后BUSY信號變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過tCONV時(shí)間后表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，t4時(shí)間后CS信號變?yōu)榈碗娖骄烷_始讀取數(shù)據(jù)了。

2.3 電路設(shè)計(jì)

結(jié)合繼電保護(hù)的項(xiàng)目背景來闡述AD7606的電路設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目CPU采用的DSP28335，由DSP28335通過GPIO引腳提供PWM信號給AD7606，作為轉(zhuǎn)換信號（CONVSTx）。由芯片ADR421給AD7606提供基準(zhǔn)參考電壓，具體如圖3所示。實(shí)際的波形圖如下圖4，通過下一節(jié)的數(shù)據(jù)處理可以得到高精度快速的數(shù)據(jù)值。示波器通道1為AD760的CS引腳信號，通道2為AD760的CONVSTx引腳信號，通道3為AD760的BUSY引腳信號。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 PWM信號提供

DSP28335的GPIO0引腳配置PWM信號的簡要代碼如下

//總長度9.7 μs，高電平8.5μs，低電平1.2 μs，對應(yīng)的BUSY高電平4 μs，低電平6.8 μs

#define EPWM1_FULL_DUTY 90

#define EPWM1A_DUTY 80

#define EPWM1B_DUTY 10

SysCtrlRegs.PCLKCR0.bit.TBCLKSYNC = 0;

//PWM1A related.

EPWM1A_MUX = EPWM_MUX; //select the corresponding pin pwm function.

EPwm1Regs.TBCTL.bit.CLKDIV = TB_DIV4;

EPwm1Regs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV = TB_DIV4;

EPwm1Regs.TBCTL.bit.CTRMODE = 0; //up count mode.

EPwm1Regs.TBCTL.bit.PHSEN = 0; //don't load TBCTR from TBPHS.

EPwm1Regs.TBCTL.bit.SYNCOSEL = 0; //disable the synchronization.

EPwm1Regs.TBPRD = EPWM1_FULL_DUTY; //configure the pwm frequency 100Hz.

EPwm1Regs.TBCTR = 0; //clear the counter register.

EPwm1Regs.TBPHS.all = 0; //set the TBPHS register value as 0.

EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA = EPWM1A_DUTY; //compare event trigger value.

EPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADAMODE = 0; //load CMP when TBCTR=ZERO;

EPwm1Regs.AQCTLA.bit.ZRO = AQ_SET; //set high when TBCTR=ZERO occurs.

EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAU = AQ_CLEAR; //set low when TBCTR=CPA occurs.

EPWM1B_MUX = EPWM_MUX;

EPwm1Regs.CMPB = EPWM1B_DUTY; //compare event trigger value.

EPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADBMODE = 0; //load CMP when TBCTR=ZERO;

EPwm1Regs.AQCTLB.bit.ZRO = AQ_SET; //set high when TBCTR=ZERO occurs.

EPwm1Regs.AQCTLB.bit.CBU = AQ_CLEAR; //set low when TBCTR=CPA occurs.

//enable the synchronization.

SysCtrlRegs.PCLKCR0.bit.TBCLKSYNC = 1;

3.2 外部中斷讀取AD

將AD7606的CS引腳鏈接到DSP28335的XZCS0n區(qū)域（0x4000），通過一個外部中斷來讀取XZCS0n區(qū)域采集過來的數(shù)據(jù)。外部中斷通過引腳（GPIO34）下降沿觸發(fā)，這部分的GPIO配置簡要代碼如下：

//外部中斷程序初始化定義 GPIO34

GpioCtrlRegs.GPBMUX1.bit.GPIO34 = 0;

//選擇GPIO口

GpioCtrlRegs.GPBDIR.bit.GPIO34 = 0;

//選擇輸入口

GpioCtrlRegs.GPBQSEL1.bit.GPIO34= 0;

//GPIO時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘一樣且支持GPIO

GpioIntRegs.GPIOXINT3SEL.bit.GPIOSEL = 34;

//中斷3選擇GPIO

XIntruptRegs.XINT3CR.bit.POLARITY= 0;

//觸發(fā)模式為下降沿觸發(fā)

XIntruptRegs.XINT3CR.bit.ENABLE = 1;

//使能中斷

定義外部中斷服務(wù)程序：

PieVectTable.XINT3 = &ISRExint; //外部中斷3

讀取數(shù)據(jù)代碼：

Vari.IO.ChannelAD.ProcessData[0][Vari.IO.ChannelAD.DataCount]= *(( int16 *)0x4000);

Vari.IO.ChannelAD.ProcessData [1][Vari.IO.ChannelAD.DataCount] = *(( int16 *)0x4000);

Vari.IO.ChannelAD.ProcessData[2][Vari.IO.ChannelAD.DataCount] = *(( int16 *)0x4000);

Vari.IO.ChannelAD.ProcessData[3][Vari.IO.ChannelAD.DataCount] = *(( int16 *)0x4000);

i1 = *(( int16 *)0x4000);

i2 = *(( int16 *)0x4000);

i3 = *(( int16 *)0x4000);

i4 = *(( int16 *)0x4000);

Vari.IO.ChannelAD.DataCount++;

再做濾波算法就可以得出需要的數(shù)據(jù)，如下：

if(Vari.IO.ChannelAD.DataCount > 9) {

max[k] = Vari.IO.ChannelAD.ProcessData[k][0];

min[k] = Vari.IO.ChannelAD.ProcessData[k][0];

addtemp[k] = 0;

for(m=0;m<10;m++)

{

Vari.IO.ChannelAD.DataCount = 0;

for(k=0;k<4;k++)

{

if(max[k] < Vari.IO.ChannelAD.ProcessData[k][m])

{max[k] = Vari.IO.ChannelAD.ProcessData[k][m];}

if(min[k] > Vari.IO.ChannelAD.ProcessData[k][m])

{min[k] = Vari.IO.ChannelAD.ProcessData[k][m];}

addtemp[k] = addtemp[k] + Vari.IO.ChannelAD.ProcessData[k][m];

}

}

Vari.IO.ChannelAD.I_average = (addtemp [1]-max[1]-min[1]) >>3;

Vari.IO.ChannelAD.U_average = (addtemp [2]-max[2]-min[2]) >>3;

Vari.IO.ChannelAD.U15_average = (addtemp [3]-max[3]-min[3]) >>3;

4 結(jié)論

基于AD7606設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)數(shù)據(jù)處理可以同時(shí)完成8通道數(shù)據(jù)的采集處理，并且具有很高的精度，滿足繼電保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際要求，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

[1] 張文華. 淺談繼電保護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[M]，北京：電氣與儀表安裝, 2012.

[2] 美國ADI公司.AD7606數(shù)據(jù)手冊[Z]. Norwood:ADI，2010.

Design of Data Transaction for Relay Protection Based on AD7606

Wang Xiaojin，Tu Yu

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM581

A

1003-4862（2014）09-0046-04

2014-07-15

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAG03B01）

王小進(jìn)(1981-),男，高級工程師。研究方向：電力電子技術(shù)。