基于TMS320F206的電網(wǎng)數據處理板設計
加入技術(shù)交流群
關(guān)鍵詞：TMS320F206；MAX125；16C552
１ 引言
隨著(zhù)電力系統新型負荷及非線(xiàn)性負荷的大量增加，電力系統的電壓和電流波形會(huì )發(fā)生嚴重畸變，從而給電力系統帶來(lái)很大的“電網(wǎng)污染”。特別是用戶(hù)內部短路以及開(kāi)關(guān)操作、變壓器或電容器組投切時(shí)的短時(shí)中斷均會(huì )引起暫態(tài)、瞬時(shí)過(guò)電壓以及電壓凹陷、凸起或短時(shí)供電中斷等電能質(zhì)量擾動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)電網(wǎng)系統中的諧波成份也越來(lái)越復雜，嚴重的電力“污染”對某些行業(yè)（如醫院的精密儀器、微計算機系統以及智能電子、工業(yè)過(guò)程控制中的微處理器等）構成了巨大的威脅，甚至造成“瀑布”式的連鎖反映，從而引發(fā)電網(wǎng)崩潰的事件。所以，電力系統中電網(wǎng)數據的精確采集、故障判斷、數據處理已成為電網(wǎng)正確運行的焦點(diǎn)。
現有的電網(wǎng)質(zhì)量分析板受器件和分析方法的限制，大多對系統中的暫態(tài)、短時(shí)擾動(dòng)信息難以快速、準確地捕捉。隨著(zhù)高速數字信號處理?ＤＳＰ?技術(shù)的發(fā)展及其制造成本的降低，ＤＳＰ技術(shù)在電力系統的各個(gè)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應用。表１是ＤＳＰ方式與傳統芯片處理方式的能力對比，從中可以看出ＤＳＰ用作處理器的優(yōu)勢。
表1 DSP與傳統芯片處理能力對比表
| CPU系統 | 采樣通道數 | DFT計算時(shí)間 | 采樣時(shí)間/（μs） | 采樣結果精度（%） |
| TMS320F206晶振：10MHz | 40 | 整型30點(diǎn)28μs | 24 | 0.2 |
| 80C196晶振：12MHz | 16 | 整型12點(diǎn)1500μs | 160 | 0.5 |
| 80C51晶振：12MHz | 8 | 整型12點(diǎn)1500μs | 60 | 0.5 |
基于ＤＳＰ處理板的主體設計思想是采用ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６構成數字處理系統，并以下位機為主體實(shí)現實(shí)時(shí)采樣、數據處理、分析和短時(shí)儲存，然后與上位機進(jìn)行數據通訊，以及利用遠程計算機進(jìn)行展示和數據庫存儲管理等。具體操作如下：
（１）用處理板測量并計算三相電流、電壓的有效值、有功功率、無(wú)功功率以及功率因數；對４０Ｈｚ～２ＭＨｚ頻率輸入信號進(jìn)行測頻采樣；
（２）對數據進(jìn)行處理，分析查錯，給出報警類(lèi)別，并給出開(kāi)關(guān)量輸出信號以便進(jìn)行開(kāi)合閘操作；
圖2
（４）通過(guò)１６Ｃ５５２芯片ＵＡＲＴ擴展２個(gè)ＲＳ－２３２和一個(gè)ＲＳ－４８５接口以便與上位機進(jìn)行數據交換，同時(shí)擴展一并行口以與打印機相連；
（５）用看門(mén)狗進(jìn)行刷新、復位并實(shí)時(shí)檢測系統；
該處理板的主控芯片選用定點(diǎn)ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６。系統的硬件功能框圖如圖１所示。
該電網(wǎng)采樣數據處理板的功能是在數字信號處理芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的控制下完成的。數據采樣模塊采用的３片高速１４位Ａ／Ｄ芯片ＭＡＸ１２５在工作時(shí)外接與１６Ｃ５５２公用的１６ＭＨｚ時(shí)鐘，因其并行接口數據訪(fǎng)問(wèn)和總線(xiàn)釋放的時(shí)間特性與ＤＳＰ的特性兼容，因此，其轉換結果可由ＤＳＰ不加等待狀態(tài)而直接讀取。３片ＭＡＸ１２５在此用１２路進(jìn)行同步采樣?不用的通道為防干擾應接地。電壓、電流等模擬量通過(guò)變壓器轉換成－５Ｖ～＋５Ｖ的電壓，并在濾波后接入ＭＡＸ１２５，轉換開(kāi)始信號由ＤＳＰ的引腳ＴＯＵＴ提供給３片ＭＡＸ１２５的ＣＯＮＶＳＴ引腳，并在上升沿啟動(dòng)采樣，片內的時(shí)序發(fā)生器可控制指定的通道以使其按順序進(jìn)行轉換，并將結果存儲在片內１４Ｂｉｔ４的ＲＡＭ中，轉換結束后，每片ＭＡＸ１２５的ＩＮＴ引腳變低?３片通過(guò)ＣＰＬＤ或門(mén)輸出給ＤＳＰ。讀取結果時(shí)，執行連續讀操作，第一次讀到的是第一通道的數據，第二次讀的是第二通道的數據，依此類(lèi)推。
１６Ｃ５５２是ＴＩ?ＴＬｌ６Ｃ５５２?、ＥＸＡＲ?ＳＴ１６Ｃ５５２? 、ＶＬＳＩ?ＶＬ１６Ｃ５５２?等公司生產(chǎn)的異步通信芯片。在采樣處理板中?１６Ｃ５５２可作為ＲＳ２３２、ＲＳ４８５串口和打印機并口的擴展芯片，并通過(guò)ＭＡＸ２３２驅動(dòng)芯片來(lái)和ＭＡＸ１４８６驅動(dòng)芯片與上位機進(jìn)行通訊。圖２為ＵＡＲＴ擴展的電路圖。
圖4
在硬件電路設計中，ｌ６Ｃ５５２的片內寄存器選擇線(xiàn)Ａ０～Ａ２以及讀寫(xiě)信號均由ＤＳＰ直接控制。串、并行通道的片選線(xiàn)ＣＳＡ、ＣＳＢ和ＣＳＰ則由ＣＰＬＤ直接控制，可根據需要選擇串行通信方式還是并行通信方式。為防止干擾，系統加入了光電隔離器，由于ＲＳ２３２電平與ＣＭＯＳ電平不同，因此ＲＳ２３２驅動(dòng)器與ＣＭＯＳ電平連接時(shí)必須經(jīng)過(guò)電平轉換，ＭＡＸ２３２就是完成這一功能的。另外，用ＭＡＸｌ４８６來(lái)實(shí)現與ＲＳ４８５的通訊，該驅動(dòng)芯片的ＯＥ、Ｈ／Ｆ可決定電路是工作在半雙工還是全雙工狀態(tài)，并可由ＣＰＬＤ來(lái)控制選擇。ｌ６Ｃ５５２的并口可直接連接到ＰＣ機的并口上而無(wú)須電平轉換。通訊時(shí)，通過(guò)中斷ＩＮＴ１～ＩＮＴ３可向ＣＰＬＤ邏輯塊發(fā)生申請，并由ＤＳＰ響應。
該系統能測量４０Ｈｚ～２ＭＨ的信號頻率。測量工頻時(shí)，電網(wǎng)信號經(jīng)變壓器降壓后，再經(jīng)過(guò)濾波器和比較器送給ＣＰＬＤ進(jìn)行計數測量。８ＭＨｚ（ＣＬＫ）晶振脈沖輸入可以使用單獨的有源晶振，也可以用ＣＰＬＤ對已有的１６ＭＨｚ晶振分頻得到。
選用完成系統電源監控的看門(mén)狗復位芯片ＭＡＸ１２３２，可設置為自動(dòng)刷新和手動(dòng)復位結合方式。當電壓檢測器監控到Ｖｃｃ低于所選擇的容限時(shí)，系統將輸出并保持復位電平；以使ＤＳＰ能在一定時(shí)間內觸發(fā)ＳＴ端來(lái)刷新看門(mén)狗。如果ＳＴ在２５０ｍｓ間隔內未觸發(fā)，ＭＡＸ１２３２自動(dòng)發(fā)出信號來(lái)復位系統。
３ 基于ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的軟件流程
該數據采集處理板通過(guò)ＴＭＳ３２０Ｆ２０６內部定時(shí)器中斷來(lái)啟動(dòng)Ａ／Ｄ轉換，中斷周期被設置為每周波采樣６４點(diǎn)，即約３１２．５ｎｓ觸發(fā)一次中斷。ＭＡＸ１２５的１２路Ａ／Ｄ轉換完成后，電路將觸發(fā)中斷信號ＩＮＴ０給ＤＳＰ。實(shí)時(shí)數據由ＤＳＰ通過(guò)連續讀脈沖將數據存到內、外部擴展ＲＡＭ或通過(guò)通訊擴展芯片傳給上位機。當數據采樣達到６４個(gè)點(diǎn)后，開(kāi)始執行ＦＦＴ單元。通常將ＦＦＴ算法程序塊存到ＤＳＰ內部存儲單元Ｂ０中，該單元是一個(gè)６４點(diǎn)同址基２ 時(shí)間抽取的ＦＦＴ模塊。通過(guò)ＤＳＰ算法可實(shí)現對各項電能質(zhì)量指標及其它電參數的計算與分析，同時(shí)進(jìn)行數據處理（包括諧波分析和不平衡度分析），也就是在采樣點(diǎn)采樣后實(shí)時(shí)檢測信號的峰值、有效值等信息，以判斷過(guò)壓、欠壓、振蕩等電能質(zhì)量問(wèn)題。最后將實(shí)時(shí)波形或分析譜結果傳送到ＰＣ上位機或其它網(wǎng)絡(luò )上。系統的每個(gè)采樣周期的時(shí)間分配見(jiàn)圖４ 所示。其軟件主程序和中斷處理程序流程圖分別見(jiàn)圖５、圖６ 所示。
４ 結束語(yǔ)
我國對電網(wǎng)質(zhì)量研究起步較晚，目前使用的電網(wǎng)質(zhì)量檢測設備與發(fā)達國家還有一定距離，因此，電網(wǎng)污染問(wèn)題仍然有待于進(jìn)一步解決，傳統的采樣裝置有待于進(jìn)一步優(yōu)化提高，本文設計的電力采樣處理板采用ＤＳＰ芯片構成數字處理系統，以下位機為主體實(shí)現實(shí)時(shí)采樣、數據處理、分析和短時(shí)儲存，同時(shí)與上位機進(jìn)行數據通訊并利用遠程計算機展示和存儲管理數據庫。實(shí)驗證明：利用該設備可提高系統的運算速度和精度?而且性?xún)r(jià)比很高。
評論