基于DSP的工頻電量測(cè)試儀硬件電路設(shè)計(jì)

一．引言

現(xiàn)代企業(yè)的用電系統(tǒng)中，各種儀器儀表正得到越來(lái)越多的應(yīng)用，而以單片機(jī)為內(nèi)核的儀表由于速度和精度的問(wèn)題，在很大程度上已不能滿足人們對(duì)信息處理的需求。DSP 軟件編程靈活，自由度大，實(shí)時(shí)運(yùn)算速度,數(shù)據(jù)處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單片機(jī).本文以TMS320VC33 DSP為核心，設(shè)計(jì)一種處理速度和準(zhǔn)確度都較高的工頻電量測(cè)試儀，來(lái)滿足人們的實(shí)際需要。

二． 電路設(shè)計(jì)

1．電壓取樣跟隨電路：圖1為電路原理圖,為了將系統(tǒng)0～400V的電壓轉(zhuǎn)換為用于測(cè)的

圖1. 電壓采樣電路

圖2. 電流采樣電路

0～5V的電壓信號(hào)，需要在回路中并聯(lián)電阻。為提高精度，取流過(guò)電阻的電流為1mA，且電阻的溫度應(yīng)該很小，因此選用精度較大的電阻。為了保證分壓信號(hào)在0～5Ｖ之間，選分壓阻值R6=315K，R7=5K。

2. 電流取樣跟隨電路：圖2為其電路原理圖，為了將系統(tǒng)0～5A的電流轉(zhuǎn)換為用于測(cè)量的0～10mA的電流，利用變壓器可以實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)測(cè)量信號(hào)為5A時(shí)，原邊和副線圈比例為1:500。器件的輸入一般都是電壓，所以需把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，只需在電流的輸出端接一個(gè)500歐姆的電阻就可把10mA的電流轉(zhuǎn)化為5伏的電壓。

3. AD轉(zhuǎn)換電路：采用AD73360 A/D 轉(zhuǎn)換器，AD73360是AD公司推出的6通道模擬輸入的16位串行可編程A/D 轉(zhuǎn)換器。由于采用∑-A/D轉(zhuǎn)換原理，具有良好的抗混疊性能，所以對(duì)模擬前端濾波器的要求不高，它能保證6路模擬信號(hào)同時(shí)采樣，且在變換過(guò)程中延遲很小。本設(shè)計(jì)采用直流耦合的單端輸入，圖3為與DSP連接電路圖。

圖3 AD與VC33的連接圖

4．倍頻電路：為了啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器和測(cè)量系統(tǒng)的頻率，系統(tǒng)中必有倍頻電路。采樣電路采樣得到的正弦波經(jīng)OP-07比較器后變成了方波，其一周期內(nèi)只有兩個(gè)脈沖，用此脈沖啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)達(dá)不到系統(tǒng)的要求。倍頻電路的作用就是把方波變成更多的脈沖，波形變換如圖4。

圖4 倍頻電路的波形變換圖

CC4046在倍頻電路中的作用是頻率合成。利用PLL實(shí)現(xiàn)頻率合成的原理圖如圖5所示。

圖5 利用PLL實(shí)現(xiàn)頻率合成的原理圖

若晶體產(chǎn)生的頻率為fs，經(jīng)固定分頻電路除以M后得到參考頻率fr,則由fr=fs/M，被送到相位比較器的一個(gè)輸入端上作比較基準(zhǔn)，由VCO產(chǎn)生的頻率f0被一個(gè)可編程分頻器除以N后送到相位比較器的另一個(gè)輸入端上與fr進(jìn)行比較，當(dāng)鎖定后，則有：fs/M=f0/N 即f0=N/M fs。在此設(shè)計(jì)中，M=1，N=360，fs是由OP-07比較后產(chǎn)生的脈沖的頻率。程序倍頻器由CC4046組成，它產(chǎn)生360的分頻。分頻后的信號(hào)進(jìn)入8253計(jì)數(shù)器，由計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)算頻率。

5 模擬開(kāi)關(guān)電路：在測(cè)電壓和電流時(shí)，倍頻器要分別和相應(yīng)的電壓采樣電路和電流采樣電路相連，就需要一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇，選用的模擬開(kāi)關(guān)是CMOS的CC4053。CMOS多路模擬開(kāi)關(guān)電路是由地址譯碼器和多路雙向模擬開(kāi)關(guān)組成，可以通過(guò)外部地址輸入，經(jīng)電路內(nèi)部的地址譯碼器譯碼后，接通與地址碼相對(duì)應(yīng)的其中的一個(gè)開(kāi)關(guān)。它允許從n線到1線的傳送或1線到n線的信號(hào)分離，以及允許信號(hào)的并―串轉(zhuǎn)換。CC4053是三組二路模擬開(kāi)關(guān)。

6.CC4046與8253的連接：CC4046作為倍頻電路使用時(shí)，其輸出信號(hào)頻率為它的輸入信號(hào)頻率的N倍，倍頻電路由鎖相環(huán)和N進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，計(jì)數(shù)器插入在VCO輸出和比較器之間。這樣，當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)頻率和鎖相環(huán)輸入信號(hào)頻率 相等，從而在計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入端（即VCO輸出）得到倍頻輸出信號(hào)。其與8253的連接圖如圖6所示。

圖6 4046與8253的連接圖

7.串口通信的實(shí)現(xiàn)：為了擴(kuò)大儀表的功能，使儀表能夠方便的與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為儀表設(shè)計(jì)了一個(gè)RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，TMS320VC33沒(méi)有接收發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，所以把8251作為VC33的一個(gè)串行通道。由于RS-232的電平與TTL電平不兼容，所以需要加MAX232E作為電平轉(zhuǎn)換電路。8251A作為可編程通信接口器件與VC33構(gòu)成的串行如圖7所示。

圖7 8251與VC33構(gòu)成的串行接口圖

由圖可知:8251A的 、 、RESET等信號(hào)與VC33的相位端相連，8251A的D7～D0和VC33的低8位數(shù)據(jù)總線D7～D0相連。8251A的片選信號(hào)由地址譯碼電路74LS138的Y5提供， 與地址總線的A0相連，用于選擇數(shù)據(jù)口和控制口。VC33的時(shí)鐘經(jīng)過(guò)8253分頻后，送到8251A的 和 端，作為8251A接收時(shí)鐘和發(fā)送時(shí)鐘。

8. 電壓轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)：由于8251的TXD和RXD信號(hào)和PC機(jī)的串口電壓不符, 所以在此之間加了一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器MAX232。其連接圖如圖8。其內(nèi)部主要由一個(gè)將+5V變至+10V的電

圖8 MAX232與RS-232的連接圖

壓倍增器，一個(gè)將+10V變至-10V的電壓變換器以及兩個(gè)發(fā)送器和兩個(gè)接收器組成。使用時(shí)只需在外部連接4個(gè)電容，通過(guò)內(nèi)部的雙充電泵電壓變換器，就可以實(shí)現(xiàn)升壓和電壓極性轉(zhuǎn)換，把+5V變換成12V，以作為驅(qū)動(dòng)器的電源。通過(guò)這種芯片不但實(shí)現(xiàn)了TTL與EIA232C電平的轉(zhuǎn)換，而且可同時(shí)完成正負(fù)邏輯之間的轉(zhuǎn)換，使用起來(lái)非常方便。

9.存儲(chǔ)器擴(kuò)展：Am29LV800B是一個(gè)8M位，3.3V閃速存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器有1M字節(jié)或512K16位字。16位字?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)在DQ15CDQ0上；字節(jié)寬數(shù)據(jù)出現(xiàn)在DQ7CDQ0上。這個(gè)器件僅需要單個(gè)3.3V電源就可完成讀、編程和擦除操作。也可以使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)EPROM編程器編程和擦除器件。

圖9 AM29LV800B與TMS320VC33的連結(jié)

該器件是用AMD的0.32µm技術(shù)制造，還具有旁路解鎖編程和在線塊保護(hù)/不保護(hù)的特點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)器件提供70、90和120ns的訪問(wèn)時(shí)間，使得高速微處理器操作沒(méi)有等待。

對(duì)于讀和寫(xiě)功能器件僅需要單個(gè)3.3V電源供電。內(nèi)部產(chǎn)生和調(diào)節(jié)編程和擦除操作所需的電壓。根據(jù)AM29LV800B引腳的特性,其與TMS320VC33連結(jié)如圖9所示。

此設(shè)計(jì)利用PAGE1*作為片選信號(hào)，即從VC33的引導(dǎo)2（400000h～7FFFFFh）引導(dǎo)閃存，是因?yàn)門MS320VC33把這部分地址正好映射到外部存儲(chǔ)器.VC33的讀為高電平,而AM29LV800B的輸出使能OE#有效為低電平,所以在R和OE#之間必須加上個(gè)非門.W#可和WE#直接相連,存儲(chǔ)器的復(fù)位引腳直接與VC33的復(fù)位引腳相連,使系VC33復(fù)位時(shí),閃存器件也復(fù)位,為讀寫(xiě)作好準(zhǔn)備.用XF0作為檢測(cè)RY/BY的狀態(tài)位,由于采用字的格式,所以直接把BYTE接高電平。

此外，電路還包括以MAX706 設(shè)計(jì)的復(fù)位電路、看門狗電路、顯示器、鍵盤(pán)電路等。，實(shí)現(xiàn)電壓，電流，功率，電網(wǎng)頻率，電網(wǎng)功率因數(shù)的測(cè)量。用戶通過(guò)鍵盤(pán)可以方便地進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)各種功能；通過(guò)顯示器可以及時(shí)看到測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)擴(kuò)展存儲(chǔ)器可以保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)異步串行通信口可以方便的同其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息傳遞和數(shù)據(jù)的交換共同完成各種功能。用該設(shè)計(jì)的工頻電量測(cè)試儀在實(shí)際應(yīng)用中，性能穩(wěn)定，效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1] TMS320C3x User`s Guide Texas Instruments 1998

[2] 支長(zhǎng)義 雷天友 蔡麗麗. 浮點(diǎn)DSP原理及應(yīng)用 電子科技大學(xué)出版社 2003

[3] MCS-51/96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用 北京航空學(xué)院出版社 孫涵芳 徐愛(ài)卿編著

[4] AD公司 ADC器件數(shù)據(jù)清單

[5] 電能計(jì)量基礎(chǔ) 中國(guó)計(jì)量出版社張有順等編著