基于DSP的繼電保護測試儀信號采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，目前國內(nèi)使用的繼電保護測試儀種類繁多，但是由于繼電保護測試儀自身的性能直接影響著對繼電保護裝置的評價，因此測試儀的工作性能和穩(wěn)定性尤為重要。雖然DL／T624-1997《繼電保護微機型試驗裝置技術(shù)條件》對繼電保護試驗裝置提出了明確的要求，規(guī)定了定期檢驗周期和檢驗項目，但因為沒有相關(guān)的檢測規(guī)程或規(guī)范，也沒有現(xiàn)成的檢測裝置，這為繼電保護測試儀的驗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測試儀的各項數(shù)據(jù)，以便上位機對數(shù)據(jù)進行分析，從而對繼電保護測試儀進行檢定。

1系統(tǒng)方案設(shè)計

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集裝置專門用于繼電保護測試儀器各項數(shù)據(jù)的采集。設(shè)計選用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，信號放大，低通濾波，同步信號的獲取與識別，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)字信號處理器TMS320F2812。TMS320F2812是32位定點高速數(shù)字處理器，最高工作頻率150 MHz，該芯片采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有六條獨立并行的數(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)值運算。因此TMS320F2812的計算速度非常高，可以滿足系統(tǒng)的在線實時性要求。

在與上位機通訊時，綜合各種因素，本方案選用USB總線技術(shù)實現(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比的USB 2.0接口芯片，它完全遵循USB 2.0規(guī)范，支持7個IN端點，7個OUT端點和一個固定控制IN／OUT端點。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行。ISP1581內(nèi)部集成有串行接口引擎(SIE)、PIE、8 KB的FIFO存儲器、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高速通用并行接口來實現(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]為單獨的8位地址線，DATA[15：0]為16位控制器數(shù)據(jù)總線。此時，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)計中將電路設(shè)計成通用處理器模式。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電壓、電流采樣電路設(shè)計

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。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路電壓和電流信號分別送入AD7502的另外7個輸入引腳。

2.2程控濾波電路設(shè)計

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的模擬開關(guān)。濾波電路選用OPA2277來實現(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路信號依次送人兩片A／D轉(zhuǎn)換器。