基于DSP的跟蹤頻率變化的交流有樣技術(shù)

關(guān)鍵詞：交流采樣 頻率變化 DSP TMS320F240

在交流采樣系統中，通常是一個(gè)周波采樣64點(diǎn)或128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)的頻率通常有一定的波動(dòng)，所以要不斷調整采樣間隔。

在單片機系統中，一般采用過(guò)零觸發(fā)電路和單片機的外部中斷來(lái)檢測電量周波的開(kāi)始和結束時(shí)間，再利用內部定時(shí)器計算出周期和采樣間隔，在采樣間隔定時(shí)中斷程序中啟動(dòng)一次采親。這種方案有兩個(gè)缺點(diǎn)：其一，電路實(shí)現復雜；其二，精度不高，因為要考慮中斷能否實(shí)時(shí)響應。過(guò)零觸發(fā)電路產(chǎn)生的中斷響應具有不確定性。

我們在使用TMS320F240 DSP開(kāi)發(fā)交流采樣系統時(shí)，巧妙地利用該款DSP的定時(shí)器、捕獲器和不中屏蔽中斷（NMI）實(shí)現了跟蹤頻率變化的交流采樣。

1 NMI中斷、定時(shí)器、捕獲器的簡(jiǎn)單分析

（1）NMI中斷

TMS320F24X系列有一個(gè)不可屏蔽中斷（NMI）引腳。當該引腳有跳變信號時(shí)（可編程為上升沿或下降沿觸發(fā)），立即進(jìn)入中斷程序，可以用于緊急事件的處理。本文中用于跟蹤被測電量的頻率。

（2）定時(shí)器介紹

TMS320F240有3個(gè)通用定時(shí)器，每個(gè)通用定時(shí)器有6種計數方式：①停止/保持模式，模式0；②單增計數模式，模式1；③連續增計數模式，模式2；④定向增/減計數模式，模式3；⑤單增/減計數模式，模式4；⑥連續增/減計數模式，模式5。

設fc是CPU的時(shí)鐘頻率，則定時(shí)時(shí)間t=脈沖個(gè)數/（fc/分頻系數），脈沖個(gè)數與定時(shí)周期寄存器的值或比較寄存器的值有關(guān)。工作過(guò)程是：①根據CPU的頻率、定時(shí)時(shí)間確定計數寄存器的初值TxNT、周期寄存器的初值TxPER、比較寄存器的初值TxCMP。②啟動(dòng)定時(shí)器計數。③計數到比較寄存器的值發(fā)生比較匹配中斷，同時(shí)使TxCMP引腳發(fā)生跳變。本文中利用T3CPU的跳變去啟動(dòng)一次A/D轉換。④計數到周期寄存器的值發(fā)生周期匹配中斷。

定時(shí)器一旦開(kāi)始工作就不受程序影響，準確性高，保證每隔固定間隔進(jìn)行采樣。

（3）捕獲器介紹

捕獲單元用于捕獲引腳上電平的變化并記錄發(fā)生的時(shí)間，記錄事件發(fā)生的時(shí)間以定時(shí)器的計數器作時(shí)基。當捕獲引腳發(fā)生跳變時(shí)，捕獲單元將該時(shí)刻時(shí)基的計數寄存器T2CNT的值裝入相應的FIFO隊列中。FIFO隊列可以裝入兩個(gè)值，第三個(gè)裝入時(shí)會(huì )將第一個(gè)值擠出。如果將捕獲器的跳變輸入信號和NMI輸入信號并聯(lián)（見(jiàn)圖2），則可以在NMI中斷程序中讀取跳變時(shí)的時(shí)基值（讀FIFOx寄存器）。例如：以T2作時(shí)基，引腳電平第一次上跳時(shí)，T2計數寄存器T2CNT的值為X1，第二次為X2，T2分頻系數為D，CPU頻率為fc,則變化時(shí)間間隔為

t=D/fc(X2-X1)

2 設計思想

過(guò)零觸發(fā)電路的輸出接TMS320F240外部不可屏蔽中斷引腳NMI，確保了中斷的實(shí)時(shí)響應；同時(shí)，過(guò)零觸發(fā)電路的輸出還接到捕獲器1的輸入端CAP1，T2定時(shí)器作捕獲器的時(shí)基，捕獲器可以捕獲兩個(gè)脈沖間隔的時(shí)間（用T2計數器的變化量表示），這樣可以計算出周波的周期/頻率。

用一個(gè)定時(shí)器T3完成定時(shí)觸發(fā)采樣，每隔一個(gè)采樣周期T3定時(shí)器的比較匹配輸出端T3CMP輸出一個(gè)下降沿脈沖去啟動(dòng)ADC進(jìn)行一次A/D轉換，所以T3CMP的啟動(dòng)信號的間隔具有確定性。

下面對頻率/周期和采樣間隔的計算作出推導。

（1）頻率和周期

捕獲器用T2作時(shí)基，CAP1端每出現一個(gè)上升沿脈沖表示一個(gè)周波開(kāi)始，同時(shí)立刻進(jìn)入NMI中斷程序，在中斷程序中讀取FIFO1寄存器的值賦給T3的周期寄存器。要注意的是：FIFO1總是初始化為0，所以FIFO1的值是在剛過(guò)去的周波內T2計數器的增加值；而T2的分頻系數為128，假設DSP的工作頻率為20MHz，這樣就可以計算出上一個(gè)周波的周期T和頻率f：

T=(1/20) μs128（FIFO1）=

（128/20）10 -6（FIFO1）s

f=1/T=(2010 6)/[128(FIFO1)]=156250/(FIFO1)Hz

（2）跟蹤頻率變化的采樣間隔

如果T2工作在定時(shí)/計數狀態(tài)下，給T2的周期寄存器T2PER賦初值為FIFO1寄存器的值，則T2的周期中斷時(shí)間即是上一個(gè)周波的周期；而在NMI中斷程序中將FIFO1寄存器的值賦給T3的周期寄存器T3PER.注意：T2的分頻系數為128，T3的分頻系數為1，所以T3的周期中斷時(shí)間是一個(gè)周期的電量的1/128；而采樣周期用T3作時(shí)基，T3的周期中斷即是采樣中斷。從而實(shí)現了一個(gè)周期的128點(diǎn)采樣，即實(shí)現了跟蹤頻率變化的交流采樣，當然，有一個(gè)周波的滯后。

每個(gè)周期會(huì )產(chǎn)生一次NMI（不可屏蔽中斷），在NMI中斷程序中將T2CNT的增加值（在FIFO寄存器）讀出來(lái)賦給T3的周期寄存器。因為T(mén)2的分頻系數為128，這樣T3的周期中斷時(shí)間即為一個(gè)周期的1/128，實(shí)現了一個(gè)周期采樣128點(diǎn)的目的。

3 硬件設計

（1）互感器電路及設計注意事項

利用互感器電網(wǎng)的二次高壓和電流交換成0～5V或-5～+5V的電壓送入A/D轉換器，具體電路如圖1所示。

圖1中，電壓互感器的原邊100V，副邊輸出2mA電流經(jīng)OP07轉換成-3.5～+3.5V的電壓量（注意：幅值范圍為-5～+5V）。電流互感器的原邊輸入5A的電流，副邊輸出2mA的電流經(jīng)運放轉換成-3.5～+3.5V的電壓量。

D11、D12，D21、D22為運放輸入限幅保護電路；C11、R14，C21、R23為互感器相移補償電路。因采樣時(shí)只要保證一個(gè)周波采樣N點(diǎn)，什么時(shí)候開(kāi)始并不重要，所可以省去相移補償電路。

R11，R12、R13，R21、R22的值可以通過(guò)以上給出的電流、電壓值計算出來(lái)：R11=100V/2mA，R12+R13=R21+R22=3.5V/2mA。運放的輸出端可以接一電容進(jìn)行濾波。

運放的輸出可以再接一級電壓跟隨器（如圖2的U1A）起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。

（2）過(guò)零觸發(fā)電路

具體電路如圖2所示。U1A構成的電壓跟隨器的作用如上所述，它的正端輸入來(lái)自互感器電路的輸出。U2A構成一個(gè)過(guò)零比較電路，D2穩壓二極管使比較器的輸出為0～5V，將模擬信號轉換成數字信號送入DSP的捕獲器輸入端CAP1和不可屏蔽中斷端NMI。

（3）A/D轉換器和DSP的接口電路

電路原理如圖3所示。ADC芯片采樣14位的MAX125。TMS320F240的定時(shí)比較器輸出端T3CMP接MAX125的啟動(dòng)轉換器CONVST；MAX125轉換結束產(chǎn)生中斷，通過(guò)INT腳接DSP的XINT1腳向DSP申請中斷，DSP在中斷程序中讀取轉換結果。DSP對MAX125的操作是通過(guò)端口訪(fǎng)問(wèn)完成的，MAX125的片選端CS4接譯碼器的一個(gè)輸出端，譯碼器的輸入和使能端由DSP的地址線(xiàn)和I/O信號LS控制。

每隔一個(gè)采樣周期（T/N）T3CMP端輸出一個(gè)下降沿脈沖，啟動(dòng)MAX125進(jìn)行一次A/D轉換。采樣間隔會(huì )根據電網(wǎng)頻率的變化自動(dòng)調整。

4 軟件設計

下面給出幾個(gè)程序函數。具體數據處理的函數因系統功能不同而異，限于篇幅這里不作討論。

（1）定時(shí)器、捕獲器初始化程序：

void init_TimerCapturet()

{*T2CNT=0; /*計數寄存器初始化*/

*T3CNT=0；

*T3CMP=1000；

*T2PER=30000；

T3PER=4000； /T2PER、T3PER會(huì )在NMI中斷程序中根據電量頻率的變化作出相應的調整*/

*CAPCON=0XBC55； /*設置捕獲器*/

*GPTCON=0X186A;

*T2CON=0X17CA； /*方式2，分頻系數為128*/

*T3CON=0X10CA； /*方式2，分頻系數為1*/

*NMI_CR=0X64； /*設置不可屏蔽中斷*/

}

（2）ADC轉換結束中斷響應程序

void c_int1()

{int i;/*其余為全局或靜態(tài)變量*/

/*程序中讀取ADC的轉換結果*/

if(AChanel= =1) /*讀A組3路的轉換結果*/

{ outport(0x01,0x03);/*輸出MAX125的控制字*/

inport(0x01,ADC_Data[0]);

inport(0x01,ADC_Data[1]);

inport(0x01,ADC_Data[2]);

AChanel=0；

}

else

{/*如上讀取B組3路的轉換結果*/

}

/*將14位的結果轉換為16位的（初碼存放）*/

for(i=1;i6;i++)

ADC_Data[i]=ADC_Data[i]2/4;

}

(3)不可屏蔽中斷的中斷程序

void c_int7() {

asm("SETC INTM");/*禁止中斷*/

*T2CNT=0;/*作捕獲器的時(shí)在，一個(gè)周波開(kāi)始時(shí)其值為0*/

*T3PER=*FIFO1;/*T3的計數周期是一個(gè)周波周期的1/128*/

asm("CLRC INTM")；/*使能中斷*/

}

本文充分利用了TM320F240的片內資源，巧妙地實(shí)現了動(dòng)態(tài)跟蹤頻率變化的交流采樣，希望對使用該系列DSP進(jìn)行測控領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的技術(shù)人員有所啟發(fā)。