基于DSP的繼電保護(hù)測(cè)試儀信號(hào)采集裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，目前國內(nèi)使用的繼電保護(hù)測(cè)試儀種類繁多，但是由于繼電保護(hù)測(cè)試儀自身的性能直接影響著對(duì)繼電保護(hù)裝置的評(píng)價(jià)，因此測(cè)試儀的工作性能和穩(wěn)定性尤為重要。雖然DL／T624-1997《繼電保護(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置技術(shù)條件》對(duì)繼電保護(hù)試驗(yàn)裝置提出了明確的要求，規(guī)定了定期檢驗(yàn)周期和檢驗(yàn)項(xiàng)目，但因?yàn)闆]有相關(guān)的檢測(cè)規(guī)程或規(guī)范，也沒有現(xiàn)成的檢測(cè)裝置，這為繼電保護(hù)測(cè)試儀的驗(yàn)收和周檢帶來了一定的困難。因此，需要這樣一種數(shù)據(jù)采集裝置來精確采集繼電保護(hù)測(cè)試儀的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以便上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行檢定。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集裝置專門用于繼電保護(hù)測(cè)試儀器各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集。設(shè)計(jì)選用DSP作為數(shù)據(jù)采集裝置的核心控制器。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由電壓、電流采樣電路，信號(hào)放大，低通濾波，同步信號(hào)的獲取與識(shí)別，直流取樣，模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及通訊模塊電路等組成。

本方案中，數(shù)據(jù)選擇器選用AD公司生產(chǎn)的AD7502芯片。AD7502芯片為雙四選一數(shù)據(jù)選擇器，因此需要兩片A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行循環(huán)采樣。模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用的是TI公司推出的16位并行高速轉(zhuǎn)換器ADS8515。主控制芯片選用TI 公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812。TMS320F2812是32位定點(diǎn)高速數(shù)字處理器，最高工作頻率150 MHz，該芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有六條獨(dú)立并行的數(shù)據(jù)和地址總線，極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力，32位的累加器、16位的硬件乘法器和輸入、輸出數(shù)據(jù)移位寄存器相結(jié)合，能快速地完成復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算。因此TMS320F2812的計(jì)算速度非常高，可以滿足系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)性要求。

在與上位機(jī)通訊時(shí)，綜合各種因素，本方案選用USB總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)。USB接口芯片選用Philips公司的ISP1581。ISP1581是Philips 公司推出的一款高性價(jià)比的USB 2.0接口芯片，它完全遵循USB 2.0規(guī)范，支持7個(gè)IN端點(diǎn)，7個(gè)OUT端點(diǎn)和一個(gè)固定控制IN／OUT端點(diǎn)。ISP1581支持USB 2.0的自檢工作模式和USB 1.1的返回工作模式，可以在高速或全速條件下正常運(yùn)行。ISP1581內(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE)、PIE、8 KB的FIFO存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)收發(fā)器、PLL的12 MHz晶體振蕩器和3.3 V的電壓調(diào)整器。ISP1581與外部微控制器的通信主要通過一個(gè)高速通用并行接口來實(shí)現(xiàn)。它與微控制器的連接有兩種模式：斷開總線模式和通用處理器工作模式。在斷開總線模式下，AD[7：0]為多路復(fù)用的8位地址／數(shù)據(jù)總線，DATA[15：0]為單獨(dú)的DMA數(shù)據(jù)總線；在通用處理器工作模式下，AD[7：0]為單獨(dú)的8位地址線，DATA[15：0]為16位控制器數(shù)據(jù)總線。此時(shí)，DMA將多路復(fù)用到DATA[15：0]控制器的數(shù)據(jù)總線上。本裝置在硬件設(shè)計(jì)中將電路設(shè)計(jì)成通用處理器模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電壓、電流采樣電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采集三相電壓、三相電流以及中性線的兩路電壓和電流信號(hào)。電壓和電流的采樣電路類似，電壓采用電壓互感器，電流采用電流互感器，通過運(yùn)放 OPA2277組成電壓和電流采樣電路。電壓采集電路如圖2所示。圖2中，T1為電壓互感器。電壓互感器出來的信號(hào)通過OPA2277處理后送入數(shù)據(jù)選擇器AD7502的S1輸入引腳。其他7路電壓和電流信號(hào)分別送入AD7502的另外7個(gè)輸入引腳。

2.2程控濾波電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中選用數(shù)據(jù)選擇器AD7502作為四路電壓和四路電流信號(hào)的模擬開關(guān)。濾波電路選用OPA2277來實(shí)現(xiàn)，電路原理圖如圖3所示。其中，AD7502的A0，A1接DSP通用I／O口的 GPIOB4，GPIOB5口，EN引腳接高電平。GPIOB4，GPIOB5輸出不同值來控制AD7502不同通道的接通，從而將8路信號(hào)依次送人兩片 A／D轉(zhuǎn)換器。

2.3 A／D轉(zhuǎn)換電路與DSP接口電路的設(shè)計(jì)

A／D轉(zhuǎn)換器是模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的核心器件，在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中占有重要地位。如果模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)低時(shí)，將引起較大的測(cè)量誤差，本裝置選用德州儀器(TI)公司的A／D 芯片ADS8515作模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS8515是采樣率為250 KSPS的16位并行A／D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍能達(dá)到±10 V。ADS8515屬于逐次逼近寄存器型(簡稱SAR型)A／D轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器通過輸入的模擬信號(hào)與比較器逐次比較來輸出數(shù)字信號(hào)，是目前應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)換器類型。SAR型A／D轉(zhuǎn)換器的功耗比較低，體積比較小，而且A／D內(nèi)部通常具有采樣保持器，它可以維持采樣電壓直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，且其轉(zhuǎn)換速率很快。ADS8515和DSP的接口電路如圖4所示。

由于TMS320F2812的I／O電壓是3.3 V電平，而ADC則是5 V電平，因此需要電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC245來實(shí)現(xiàn)隔離功能。ADS8515的控制是通過對(duì)片選信號(hào)CS、啟動(dòng)信號(hào)R／C以及對(duì)狀態(tài)信號(hào)BUSY的查詢來實(shí)現(xiàn)的。BUSY，CS，R／C，分別接DSP的中斷信號(hào)引腳XINT1和通用I／O接口GPIOB0，GPIOB1。為了保證雙DSP的同步采樣，防止數(shù)據(jù)輸出時(shí)兩DSP數(shù)據(jù)的串?dāng)_，采用將另一個(gè)DSP的片選信號(hào)CS和啟動(dòng)信號(hào)R／C分別接DSP的通用I／O接口GPIOB2和GPIOB3的方法。這樣可以保證雙DSP同步采樣，并依次讀取兩個(gè)A／D中的數(shù)據(jù)。