王竟灃,隋　濤,張英亮,任明海（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東　青島　266590）

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基于T MS320F28335的電力測(cè)控終端設(shè)計(jì)

王竟灃,隋濤,張英亮,任明海
（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東青島266590）

摘 要:設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F28335的電力測(cè)控終端的硬件電路，包含鎖相環(huán)、模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出和以太網(wǎng)通信六個(gè)主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量電力參數(shù)、錄波、監(jiān)控功能。

關(guān)鍵詞:DSP；交流采樣；測(cè)控終端

0　引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模龐大，組成復(fù)雜，系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)、控制須依靠測(cè)控裝置完成。由于硬件資源存在不足，早期的自動(dòng)測(cè)控裝置往往測(cè)量精度不夠理想、硬件電路復(fù)雜、通信速率較慢。本文選用DSP處理器，設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F28335的測(cè)控終端。該裝置可實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量、諧波分析、錄波、監(jiān)控設(shè)備以及線路運(yùn)行等功能。

TMS320F28335是TI公司生產(chǎn)的用于實(shí)時(shí)控制的高性能浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器。其主頻最高達(dá)150MHz，采用高性能32位CPU、單精度浮點(diǎn)單元，能夠進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，提高了數(shù)字信號(hào)處理能力，能夠以較高的精度和速度來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量；該處理器還有ADC、EPWM等外設(shè)資源，能夠滿足監(jiān)測(cè)、控制功能對(duì)硬件的要求。

1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

終端以TMS320F28335處理器為核心，輔之以鎖相環(huán)、模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出和以太網(wǎng)通信五個(gè)主要功能模塊以及電源、晶振等輔助功能模塊。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該終端主要功能為測(cè)量、監(jiān)視和控制。終端通過(guò)模擬量輸入模塊實(shí)時(shí)獲取電壓、電流的瞬時(shí)值，而后由DSP處理器計(jì)算相關(guān)電力參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量、諧波分析；通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入模塊實(shí)時(shí)監(jiān)視開(kāi)關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)；通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出模塊實(shí)現(xiàn)控制功能。

2　功能模塊設(shè)計(jì)

2.1鎖相環(huán)

終端通過(guò)該模塊獲取線路的交流信號(hào)頻率，以該模塊輸出的N倍頻信號(hào)作為模擬量輸入模塊的采樣信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流同步采樣，其中N為一個(gè)交流信號(hào)周期中的采樣點(diǎn)數(shù)。本文采用硬件鎖相環(huán)，由TMS320F28335處理器和TI公司的CD54HCT4046A芯片實(shí)現(xiàn)。其中，CD54HCT4046A實(shí)現(xiàn)相位比較、壓控振蕩器的功能；DSP處理器用作分頻器，構(gòu)成反饋通道。

DSP處理器通過(guò)交流同步采樣獲取電壓基波瞬時(shí)值，并采用頻率修正的“三點(diǎn)”算法計(jì)算基波頻率。使用EPWM模塊輸出與基波頻率相同的方波信號(hào)，并接入鎖相環(huán)芯片的端。鎖相環(huán)芯片的輸出信號(hào)通往模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DSP處理器的ECAP模塊，通過(guò)ECAP模塊測(cè)頻后由DSP處理器分頻輸出另一路PWM信號(hào)，接入鎖相環(huán)芯片的端，作為反饋信號(hào)。最終鎖相環(huán)輸出頻率為基波頻率整數(shù)倍的采樣信號(hào)，供模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)整周期等間隔采樣。

2.2模擬量輸入模塊

終端通過(guò)模擬量輸入模塊獲取線路電壓電流的瞬時(shí)值，模擬量輸入模塊主要由信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成，如圖2所示。

電壓調(diào)理電路主要由TV1013-1型交流電壓互感器和ADA4096四通道運(yùn)放組成。前者用于降低電壓幅值；后者用于構(gòu)建放大和低通濾波電路，適當(dāng)提高信號(hào)幅值并減少非需頻率信號(hào)的干擾。

電流調(diào)理電路主要由TA1906-04型交流電流互感器和ADA4096四通道運(yùn)放組成。待測(cè)電流信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前者降低幅值，再經(jīng)由后者構(gòu)建的I/V轉(zhuǎn)換電路、放大電路和低通濾波電路，實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換、提高信號(hào)幅值和減少非需頻率信號(hào)的干擾。

TMS320F28335處理器內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器為單極性、12位分辨率，只有一個(gè)AD轉(zhuǎn)換核。這些不足會(huì)導(dǎo)致信號(hào)調(diào)理電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)換精度低，存在相位誤差。為提高終端性能，采用TI公司的ADS8568模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器為16位雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器，擁有8輸入通道以及8個(gè)獨(dú)立AD轉(zhuǎn)換核，可實(shí)現(xiàn)8通道同步采樣。

A、B、C相和中性線的電壓電流經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后分別接入A、B、C、D四組采樣通道。同步采樣信號(hào)接入CONVST_A～CONVST_ D引腳，實(shí)現(xiàn)8通道同步采樣。ADS8568通過(guò)16位并行數(shù)據(jù)接口與DSP處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)換結(jié)果和配置信息的傳遞。正常情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器運(yùn)行在硬件模式，主要由相關(guān)功能引腳控制；當(dāng)需要對(duì)芯片設(shè)置進(jìn)行修改時(shí)，需要進(jìn)入軟件模式，對(duì)控制寄存器進(jìn)行相應(yīng)修改。

2.3開(kāi)關(guān)量輸入模塊

該模塊用于向上位機(jī)提供線路斷路器的狀態(tài)。將斷路器輔助觸點(diǎn)的通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào)，送入DSP處理器的通用IO口。考慮到可能存在的干擾和過(guò)高的信號(hào)電壓，模塊由濾波和隔離電路組成。光電耦合器選用仙童FOD817B。將斷路器輔助觸點(diǎn)接入該模塊，觸點(diǎn)通斷轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.4開(kāi)關(guān)量輸出模塊

終端通過(guò)該模塊控制電操機(jī)構(gòu)，遠(yuǎn)程控制斷路器分合閘。該模塊由開(kāi)關(guān)量輸出控制電路和開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路組成。為提高電路抗干擾能力和可靠性，前者使用TI公司的TPS22994芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)；后者使用賽特勒公司的AZ6962固態(tài)繼電器。

TPS22994是一款四通道、可編程負(fù)載開(kāi)關(guān)。DSP處理器通過(guò)I2C總線輸出開(kāi)關(guān)量至該器件，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量輸出。

2.5以太網(wǎng)模塊

該模塊用于實(shí)現(xiàn)終端與上位機(jī)的通信以及多終端組網(wǎng)，以太網(wǎng)控制器為聯(lián)杰國(guó)際公司的DM9051(I)快速以太網(wǎng)控制器。終端通過(guò)以太網(wǎng)向上位機(jī)提供各種電力參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)，同時(shí)接收上位機(jī)或網(wǎng)絡(luò)中其它終端的指令。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F28335的電力測(cè)控終端硬件電路，其功能模塊主要由集成元件構(gòu)成，簡(jiǎn)化了電路，提高了性能。終端能夠以較高的精度和速度實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)測(cè)量和控制功能，能夠滿足電力系統(tǒng)對(duì)測(cè)控裝置準(zhǔn)確、快速的要求。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)歷：王竟灃（1989-），男，山東蓬萊人，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.177