基于TMS320LF2407的饋線(xiàn)終端裝置設計

本系統采用先進(jìn)的DSP技術(shù)，以TI公司的TMS320LF2407為主控制器，完成饋線(xiàn)終端單元的研究與設計。TMS320LF2407采用3.3 V電壓供電，減少了控制器的功耗，40 MI/s的執行速度，32 K16位的片內程序Flash。2.5 K16位的程序/數據片內RAM,還具有PWM通道、捕獲單元、A/D轉換器、4級的流水線(xiàn)技術(shù)和專(zhuān)門(mén)的16位硬件乘法器，處理速度高。適用于處理大運算量的實(shí)時(shí)任務(wù)。TMS320LF2407內部集成了大量系統資源，降低了系統的設計成本。

2 系統硬件設計

系統硬件設計將FTU分為上、下兩層板。下層是信息采集和控制板，包括PT、CT、光電耦合器、控制繼電器、串口電平轉換器等組成的數據采集、數字信號控制和通信等模塊；上層是CPU板，包括DSP、鎖存器等組成的數據處理、開(kāi)關(guān)量輸入、輸出等模塊。這樣FTU結構具有層次化、模塊化，抗干擾性強并且方便系統調試。

2.1 系統的總體設計

系統主要分為模擬量數據采集和轉換模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、通信模塊、時(shí)鐘模塊、鍵盤(pán)顯示模塊、外擴存儲器模塊、電源模塊等。系統組成框圖如圖1所示。

2.2 模擬信號采集與轉換電路

模擬量輸入采用交流采樣技術(shù)。電網(wǎng)中的電網(wǎng)電壓和電流首先經(jīng)過(guò)現場(chǎng)一次大功率PT和CT變換成為0 V～100 V和0 A～5 A的交流電量，然后再經(jīng)過(guò)二次PT和CT變換成為0 V～5 V的電壓信號，再經(jīng)過(guò)濾波處理以消除高次諧波和噪聲信號再進(jìn)行功率放大，然后送人MD轉換器。模擬信號調理電路如圖2所示。

為了實(shí)現對電流、電壓以及二者之間相位關(guān)系的準確測量,采用了同步采樣技術(shù)。采用兩片MAX125完成模擬量輸入的同步采樣，從MAX125輸出的數據直接輸入到DSP進(jìn)行處理。MAX125是具有同步采樣功能的14位A/D轉換器，可以消除因非同時(shí)采樣引起的電流和電壓的相位差。兩片MAX125構成的采樣電路如圖3所示。

各相電壓的模擬量輸入連接到第一片MAX125的A組的前三個(gè)通道,各相電流的模擬量輸入連接到第二片MAX125的A組的前三個(gè)通道，剩余的通道上接MAXl25的輸出參考電壓+2.5 V，用于進(jìn)行A/D自檢。兩片MAXl25的轉換啟動(dòng)信號CONVST由TMS320LF2407的定時(shí)器3中斷實(shí)現，兩片MAX125的轉換完成信號INT通過(guò)與非門(mén)接到TMS320LF2407的XINT2。DSP在中斷程序中從MAXl25的RAM中讀取轉換結果，然后對結果進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。由于MAX125的數字信號為5 V電平，不能直接驅動(dòng)TMS320LF2407的3.3 V電平，因此要通過(guò)74LVC4245進(jìn)行電平轉換。

另外本系統擴展了兩片IS61LV6416 SRAM存儲器,由于TMS320LF2407是低壓器件，因此選用低電壓3.3 V供電的IS61LV6416，接線(xiàn)簡(jiǎn)單。一片用作數據存儲器，另一片用作調試階段的程序存儲器。因為在研發(fā)調試階段，一般把程序裝載到RAM中運行，這樣編程速度和效率都會(huì )得到提高。外部存儲選通采用74HC32，每個(gè)或門(mén)的兩個(gè)輸入端接
TMS320LF2407的STRB和RD、WE，如果兩者都為低電平,則讀寫(xiě)選通。在調試階段IS61LV6416的片選信號CE與TMS320LF2407的PS連接，調試結束后,CE接高電平。

2.3 開(kāi)關(guān)量信號輸入輸出電路

遙信輸入的信號和遙控輸出的信號都是開(kāi)關(guān)量．開(kāi)關(guān)量作為信號源時(shí)本身干擾比較大。本系統采用光電隔離去除干擾，設計8路開(kāi)關(guān)量遙信輸入信號，主要對饋電線(xiàn)路柱上開(kāi)關(guān)的當前位置以及通信是否正常和儲能完成情況等重要狀態(tài)進(jìn)行采集，對饋電線(xiàn)路保護動(dòng)作情況進(jìn)行遙信。開(kāi)關(guān)量經(jīng)過(guò)光電隔離后,直接接到DSP的：I/O口。設計3路開(kāi)關(guān)量輸出控制信號，控制繼電器實(shí)現保護功能。

2.4 時(shí)鐘電路

由于整個(gè)系統需要定時(shí)采集數據，記錄超過(guò)門(mén)限值的時(shí)間，統計總的掉電時(shí)間，因此必須具有在線(xiàn)系統實(shí)時(shí)時(shí)鐘。本系統采用了實(shí)時(shí)時(shí)鐘集成電路模塊DS12887，DS12887具有秒、分鐘、小時(shí)、日、星期、月和年等信息，并具有閏年補償功能。DS12887內部帶有128字節的非易失性RAM和鋰電池，即使外部掉電也可以保證內部RAM內容不會(huì )丟失和內部時(shí)鐘工作正常[2]，這樣就保證了FTU在停電時(shí)還能繼續計時(shí)。因為T(mén)MS320LF2407的讀寫(xiě)時(shí)序與DS12887的讀寫(xiě)時(shí)序完全不同，所以把DS12887作為DSP的I/O地址上的存儲器外設，利用DSP的通用。I/O端口產(chǎn)生DS12887的片選、讀、寫(xiě)、使能信號。因為DS12887供電電壓是5 V，所以要在它和DSP之間加電壓轉換器74LVC4245。DSl2887與DSP接口電路如圖4所示。

2.5 電源電路

FTU電壓等級較多，CPU采用3.3 V電壓供電，而外圍器件大多采用5 V電壓供電。設計時(shí)要考慮到停電時(shí)如何工作，本設計采用了雙端電源切換電路．用蓄電池作為備用電源。正常工作時(shí)FTU電源由饋線(xiàn)變換提供，而故障情況時(shí)則由蓄電池供電[3]。配網(wǎng)高壓通過(guò)PT供給電源模塊220 V或100 V交流輸入，220 V/100 V交流電經(jīng)過(guò)變壓器、整流塊和三端穩壓器后轉換為24 V直流電,輸入到充電器為蓄電池充電。24 V直流電再經(jīng)過(guò)DC-DC變換，輸出5 V電壓供系統各模塊使用。另外通過(guò)AS1117器件將5 V TTL電平轉換為3.3 V電壓。作為DSP的供電電源。

2.6 鍵盤(pán)顯示

為了便于操作并具有友好的人機接口，還設計了鍵盤(pán)和液晶顯示,用于輸入各種參數以及顯示系統運行狀態(tài)等。采用MG-12232液晶顯示模塊配合鍵盤(pán)操作，顯示相關(guān)信息，如電參量數據的顯示、參數整定、故障信息顯示等。采用DSP的數字I/O口模擬時(shí)序的硬件接口方案。通過(guò)軟件控制DSP的I/O口實(shí)現與慢速外設的時(shí)序匹配，硬件電路簡(jiǎn)單。

2.7 通信接口

TMS320LF2407具有一個(gè)SCI模塊，可利用該模塊方便地實(shí)現CPU與RS232串口之間的通信[4]。采用MAX232作為驅動(dòng)器件進(jìn)行串行通信。由于TMS320LF2407采用+3.3 V電源電壓供電，所以TMS320LF2407與MAX232之間需要進(jìn)行電平轉換，采用4N35低速光耦隔離器件進(jìn)行光電隔離和電平轉換控制。RS232接口主要提供一個(gè)調試接口，調試人員只需將計算機與FTU相連,就可以通過(guò)計算機的COM口讀取數據或者設置工作參數。接口電路如圖5所示。

TMS320LF20407內部集成了CAN控制器模塊，可以方便地實(shí)現CAN總線(xiàn)通信翻，只需在DSP與CAN總線(xiàn)之間加上相應的驅動(dòng)器和適當的抗干擾電路即可。CAN總線(xiàn)的數據通信具有高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，在配電網(wǎng)通信中得到了越來(lái)越廣泛的使用。

3 系統軟件設計

軟件采用C語(yǔ)言編程，對實(shí)時(shí)性要求較高的部分采用匯編語(yǔ)言,提高運行速度。C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)速度快、可讀性、可移植性好，DSP匯編語(yǔ)言有適合FFT運算的反轉尋址、循環(huán)尋址等指令。

系統軟件完成的主要功能：6路電壓、電流模擬量采集。8路開(kāi)關(guān)量信號采集，3路開(kāi)關(guān)量輸出控制,系統初始化，故障判斷,串口通信等。

3.1 系統主程序流程

為了實(shí)現FTU的功能以及硬件要求。軟件設計主程序流程如圖6所示。

系統上電后首先初始化設置，依次對片內的外設(事件管理器EVA、EVB、I/O端口、SCI模塊、看門(mén)狗等)進(jìn)行初始化，從DS12887中讀取當前日歷時(shí)鐘數據。初始化完成后打開(kāi)中斷，在中斷中進(jìn)行MD數據采集，TMS320LF2407讀數據，然后進(jìn)行FIR濾波,再對DSP已經(jīng)采樣存入DSP的信號進(jìn)行運算，對各路信號進(jìn)行FFT運算，計算其幅度，并存入RAM。CPU對電流進(jìn)行判斷?？词欠癯^(guò)預定值，判斷是否發(fā)生故障，然后運用故障定位算法，迅速定位故障,根據上方發(fā)出的命令進(jìn)行分合閘操作。通過(guò)通信程序實(shí)現與主站的通信，主要包括數據上報、整定參數值下發(fā)等。

軟件采用模塊化設計，由主程序模塊、中斷服務(wù)程序模塊和功能子模塊三大部分組成。包括初始化模塊、數據存儲模塊、顯示模塊、通信模塊、參數修改模塊等。

主程序：

3.2 基本量計算

采用14位A/D交流采樣，每個(gè)周期進(jìn)行64點(diǎn)采樣，測量計算出電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率功率因數等。

根據采樣得到的電壓u(n)、電流i(N)，可以計算出電網(wǎng)的其他參數；功率的平均值(有功功率)、交流電壓有效值U、交流電流有效值，I、有功功率P、視在功率S、功率因數cosφ。計算公式如下：

電壓、電流有效值：

此外，由于采用了同步采樣技術(shù)，零序電流值可以由軟件求出。將每次采樣得到的三相電流數據求和即可。對于對稱(chēng)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，其值應該為零，但實(shí)際電網(wǎng)并不是完全對稱(chēng)的，因此要判斷單相接地故障，不能簡(jiǎn)單地將電流有效值和零相比較，應該根據實(shí)際電網(wǎng)運行設定一個(gè)整定值，這一整定值可以由FTU在正常情況下的零序電流有效值加一個(gè)裕量來(lái)得到。

3.3 頻率測量

交流采樣系統中，通常是一個(gè)周波采樣N點(diǎn)的電量值．然后對這些數據進(jìn)行處理。如果電網(wǎng)頻率恒定，則采樣間隔t=T/N(T為周期，N為采樣點(diǎn))，而電網(wǎng)的頻率一般都有一定的波動(dòng)，所以要不斷調整采樣間隔。

輸入信號先濾波，然后再由過(guò)零比較器LM339整形成方波信號后作為計數器的門(mén)控信號。計數器在此門(mén)控信號有效時(shí)間內對輸入脈沖的個(gè)數進(jìn)行累計。計數完成后，鎖存計數值并由TMS320-LF2407讀取,再由軟件將計數值乘以計數脈沖的周期,即可得到被測信號的周期。

4 結束語(yǔ)

本文針對配電自動(dòng)化系統中的饋線(xiàn)終端裝置，結合數字信號處理技術(shù)，研究并設計了基于TMS320LF2407的FTU，實(shí)現了DSP的外圍電路，模擬量、開(kāi)關(guān)量的采集電路，通信電路設計等。編寫(xiě)了FTU硬件電路的軟件程序，實(shí)現了故障定位、隔離和供電恢復等重要功能。