基于TMS28335的智能電網(wǎng)快速采樣系統(tǒng)設(shè)計

李寧峰

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210003)

隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的逐步實施，對電網(wǎng)內(nèi)各種智能設(shè)備的通信速率、數(shù)據(jù)處理規(guī)模、動作預(yù)判速度等指標都提出了愈來愈高的要求。一個高速、同步的交流信號采集系統(tǒng)，可以為各種智能裝置提供高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源，供智能設(shè)備進行信號處理與分析，是建設(shè)堅強智能電網(wǎng)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。本設(shè)計采用了TI的TMS320F28335作為DSP數(shù)據(jù)處理平臺，選擇ADI的AD7656-1作為AD轉(zhuǎn)換器件，結(jié)合高精度、寬線性范圍的交流信號前端處理環(huán)節(jié)，以及現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)等多功能通信接口模塊，構(gòu)成了一套性能穩(wěn)定、響應(yīng)快、精度高的交流量采樣系統(tǒng)。為智能電網(wǎng)運行控制、系統(tǒng)及設(shè)備保護、電量計量提供了快速、準確、全面的數(shù)據(jù)支持。

1 交流量快速采樣系統(tǒng)的基本構(gòu)成

本系統(tǒng)承接一次側(cè)互感器變換來的交流量或弱模量，采用高導(dǎo)磁互感器，可在0～40倍額定值的采樣范圍內(nèi)保證采樣的線性度，并且能有效抑制信號中直流分量對互感器飽和的影響，保證測量的準確性。因電網(wǎng)中交流信號包含的噪聲十分豐富，為減小其對采樣精度的影響，通常應(yīng)加入一個低通濾波和運放跟隨的信號調(diào)理環(huán)節(jié)，對采樣波形進行優(yōu)化。然后將所有通道同時接入AD7656-1進行AD轉(zhuǎn)換，輸出信號供DSP處理器進行多路信號處理。最后將處理好的數(shù)字化交流信號量通過多功能通信接口傳輸給相應(yīng)的設(shè)備或后臺系統(tǒng)。采樣系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 多路交流量采樣系統(tǒng)組成框圖

2 互感器的選擇

信號互感器處于交流量采集系統(tǒng)的前端，是將電力系統(tǒng)中一次互感器的電流電壓量接入、變換后供系統(tǒng)采樣的重要環(huán)節(jié)。如信號互感器選擇不當(dāng)，會導(dǎo)致采樣信號波形畸變、削頂、非周期暫態(tài)飽和等問題，嚴重影響采樣數(shù)據(jù)質(zhì)量。通常電磁式互感器的性能與體積成正比關(guān)系，即體積越大，性能也越優(yōu)越。考慮采集裝置的安裝體積，本系統(tǒng)選用經(jīng)特種熱處理的硅鋼帶制成的互感器磁芯，采用這種磁芯的互感器具有體積小，導(dǎo)磁高、抗直流分量等特點，很適合在電力系統(tǒng)采樣應(yīng)用。經(jīng)單體測試，該互感器在40倍額定值的范圍內(nèi)，線性優(yōu)良，誤差小于千分之一，完全滿足采樣系統(tǒng)對前端互感器的性能要求[1]。

3 交流量調(diào)整環(huán)節(jié)

為使信號互感器輸出的電平能和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656-1的輸入要求匹配，需要對互感器的輸出信號進行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，本系統(tǒng)的調(diào)整電路如圖2所示。該電路前端采用低通濾波網(wǎng)絡(luò)，濾去交流信號里大于10 kHz的高次諧波，以減少因高頻信號混疊現(xiàn)象對采樣計算誤差的影響。低通濾波后，采用運放對信號幅值進行調(diào)整，以滿足AD轉(zhuǎn)換芯片對輸入電平的要求[2，3]。

4 AD7656-1和TMS320F28335

本設(shè)計采用AD7656-1作為系統(tǒng)的核心AD轉(zhuǎn)換器件，AD7656-1是AD7656的升級產(chǎn)品，在保證性能不變的同時，它的外圍電路設(shè)計簡潔性方面有了很大提高。以下詳細介紹基于TMS28335平臺的AD7656-1接口設(shè)計過程。

4.1 AD7656-1簡介

圖2 交流量調(diào)整環(huán)節(jié)原理圖

AD7656-1是ADI公司最新推出的適合快速同步采樣的AD轉(zhuǎn)換芯片，該芯片為高集成度、6通道、16bit逐次逼近 (SAR)型ADC，它具有最大4LSBS INL和每通道達250 kb/s的采樣率，并且在片內(nèi)包含一個2.5 V內(nèi)部基準電壓源和基準緩沖器，應(yīng)用十分方便。該器件僅有典型值160 mW的功耗，比最接近的同類雙極性輸入ADC的功耗降低了60%，使得裝置在節(jié)能的同時，可靠性得到很大提高。AD7656-1包含一個低噪聲、寬帶采樣保持放大器（T／H），以便處理輸入頻率高達 8 MHz的信號。該芯片具有高速并行和串行接口，可根據(jù)需要與微處理器（MCU）或數(shù)字信號處理器（DSP）對接，完成采樣數(shù)據(jù)的傳輸。AD7656-1在串行接口方式下，還能提供一個菊花鏈的連接方式，以便把多個AD7656-1連接到一個處理器串行接口上，達到擴展采樣通道的作用。

4.2 TMS320F28335簡介

TMS320F28335數(shù)字信號處理器是TI公司推出的一款浮點DSP控制器。相比以往的DSP，該器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)及程序存儲空間大等特點。它采用176引腳的LQFP四邊形封裝，內(nèi)核1.8 V供電，外設(shè)3.3 V供電，因而功耗大大降低。32位CPU以及單精度浮點運算單元FPU的應(yīng)用，提高了運算的精度。存儲器采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，指令周期僅為6.67 ns，主頻可達150 MHz，運算速度提高很大。片上有 256 kB×16的 Flash存儲器、34 k B×l6的SARAM 存儲器、1 kB×16 OTPROM 和 8 kB×l6的Boot ROM等豐富的存儲單元，能靈活滿足各種編程應(yīng)用。時鐘控制系統(tǒng)具有片內(nèi)振蕩器、看門狗模塊，支持動態(tài)PLL調(diào)節(jié)，內(nèi)部可編程鎖相環(huán)，通過軟件設(shè)置相應(yīng)寄存器的值，可改變CPU的輸入時鐘頻率。有18個PWM輸出口，包含6個高分辨率脈寬調(diào)制模塊（HRPWM）、6個事件捕獲輸入和2個通道的正交調(diào)制模塊（QEP）。3個32位的定時器，定時器0和定時器1用做一般的定時器，定時器0接到PIE模塊，定時器1接到中斷INTl3；定時器2用于DSP／BIOS的片上實時系統(tǒng)，連接到中斷INTl4，如果系統(tǒng)不使用DSP／BIOS，定時器2亦可用做一般定時器。

TMS320F28335具有高度集成的外設(shè)引腳，包括2通道CAN模塊、3通道SCI模塊、2個McBSP（多通道緩沖串行接口）模塊、1個SPI模塊、1個I2C串行總線接口模塊以及88個可編程的復(fù)用GPIO信號輸出輸入引腳，為各類應(yīng)用提供了豐富的信號資源。

TMS320F28335還內(nèi)置了一個12位A／D轉(zhuǎn)換器，但根據(jù)該片內(nèi)AD的指標及應(yīng)用經(jīng)驗，該AD轉(zhuǎn)換器可滿足綜合誤差不小于千分之三的系統(tǒng)應(yīng)用要求，因本采樣裝置要求的系統(tǒng)綜合誤差不大于千分之二，所以設(shè)計中沒有采用F28335的片內(nèi)AD，而選用精度更高的AD7656-1作為本采樣系統(tǒng)的高速AD轉(zhuǎn)換器件。

4.3 接口硬件電路設(shè)計

該接口采用并行數(shù)據(jù)處理、并行接口擴展的設(shè)計方式，電路如圖3所示。

圖3 AD7656-1與F28335接口硬件電路圖

ADIN1-6接入來自運放環(huán)節(jié)的六路輸入模擬信號，ADD0-15是與F28335接口的16位數(shù)據(jù)總線。ADBUSY信號為高電平時，表明模數(shù)轉(zhuǎn)換正在進行，不響應(yīng)外部讀寫，當(dāng)F28335檢測到ADBUSY信號為低電平時，表明模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，即可進行讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果或其他相關(guān)操作。ADCS#為片選信號，當(dāng)F28335對AD7656-1進行讀寫尋址操作時，該信號變低，圖3中用該信號同時開放AD7656-1的“讀”信號，有利于簡化軟硬件設(shè)計。片上的CSTA，CSTB，CSTC分別是交流通道V1和V2、V3和V4、V5和V6轉(zhuǎn)換開始的啟動信號，本系統(tǒng)要求各路模擬信號同步采樣。因此，必須將CSTA，CSTB，CSTC一同接至ADSH，由F28335輸出的ADSH信號來啟動AD7656-1全部模數(shù)同步轉(zhuǎn)換過程，AD7656-1的優(yōu)勢在于轉(zhuǎn)換過程只需要一次啟動，各路轉(zhuǎn)換會自動完成。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADBUSY信號變低，F(xiàn)28335即可依次從AD7656-1讀入各路轉(zhuǎn)換結(jié)果，軟件編程非常方便，非常適合電力系統(tǒng)采樣應(yīng)用。

設(shè)計中采樣通道數(shù)量為32路，一片AD7656-1只能提供6路通道，因此，需進行采樣通道擴展。這里采用并行擴展方式，方法是用ADSH信號同步接入 6片 AD7656-1的 CSTA，CSTB，CSTC 端口，統(tǒng)一啟動系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換過程，然后逐路監(jiān)視各片的ADBUSY信號，當(dāng)ADBUSY信號變低電平，轉(zhuǎn)換全部完成后，即可通過切換各片AD7656-1的片選信號ADCS來讀出全部模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，從而達到系統(tǒng)采樣通道并行擴展目的，擴展原理如圖4所示。

圖4 模數(shù)采樣通道并行擴展原理圖

系統(tǒng)設(shè)計中采用了AD7656-1內(nèi)部的參考電壓，RANGE信號接低電平，使得AD7656-1的模擬輸入電壓范圍可達±10 V，大大提高了輸入范圍。W/B和S/P信號同時接低電平，用以制定AD7656-1的轉(zhuǎn)換結(jié)果采用16位并行方式輸出。

4.4 接口驅(qū)動程序設(shè)計

AD7656-1的大部分轉(zhuǎn)換時序和流程由硬件實現(xiàn)，不但加快了轉(zhuǎn)換速度，也使接口軟件的設(shè)計簡化了很多。硬件配置后，只需啟動一次轉(zhuǎn)換，待轉(zhuǎn)換完成后，逐片逐路讀出各通道的16位轉(zhuǎn)換結(jié)果即可。接口驅(qū)動程序如下：

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，最大可滿足32路交流通道的實時采樣，基本功能模塊有：

（1）實時計算交流電壓、電流、頻率、功率、諧波有效值；

（2）分時計算各路有功、無功功率；

（3）完善的記錄功能，包括斷相、過壓、失壓、失流、逆相序、越限等；

（4）歷史數(shù)據(jù)重現(xiàn)功能，可保留最多至一周的歷史數(shù)據(jù)；

（5）通信接口配置功能，輸出數(shù)據(jù)格式可配置成RS232，CAN，SPI，以太網(wǎng)等接口方式。

各模塊及時刷新數(shù)據(jù)，分時共享輸出接口，保證采樣的及時和快速。軟件模塊架構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

圖5 軟件模塊架構(gòu)設(shè)計圖

6 結(jié)束語

本文的交流快速采樣系統(tǒng)采用了新型AD轉(zhuǎn)換器件，與性能優(yōu)越的TMS28335平臺相互配合，前端交流量調(diào)理單元也進行了高精度優(yōu)化。經(jīng)過嚴格測試和現(xiàn)場實際運行，該系統(tǒng)的實際采樣精度達到0.1級，完全滿足智能電網(wǎng)的0.2級交流量測量要求，同時還具有多種電量格式輸出功能?；谠摬蓸酉到y(tǒng)的裝置可作為高精度數(shù)據(jù)采集單元，廣泛用于數(shù)字化智能電站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

[1]楊寶龍，鄢興俊.AD7656的串行設(shè)計[J].船電技術(shù)，2009（11）：48-51.

[2]余恒潔.數(shù)字化變電站中電能計量裝置的應(yīng)用[J].云南電力技術(shù)，2008，36（5）：64-65.

[3]章堅民，蔣仕挺，金乃正，等.基于IEC 61850標準的數(shù)字化變電站電能量采集終端的建模與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34（11）：67-71.