ADS8344及其在電子式互感器高壓側數據處理系統中的

關(guān)鍵詞：ADS8344；電子式互感器；數據處理；TMS320LC545

互感器主要用于電力系統基本參數的測量，同時(shí)為電力系統的計量、保護與監控單元提供信號。隨著(zhù)電力系統輸電容量的增長(cháng)和電網(wǎng)電壓等級的提高，基于電磁式原理的傳統互感器漸漸不能滿(mǎn)足電力系統飛速發(fā)展的需要，呈現出一系列自身難以克服的缺陷。隨著(zhù)信息技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，數字信號處理技術(shù)已逐漸成為一門(mén)主流技術(shù)，并在許多領(lǐng)域得到廣泛應用。再加上光纖通信技術(shù)和傳感技術(shù)的日趨成熟完善，使得研制新型的電力互感器成為可能。本文介紹的電子式互感器是運用Ｒｏｇｏｗｓｋｉ線(xiàn)圈測量電流?利用電容分壓原理測量電壓，采用高速低耗Ａ／Ｄ芯片和ＤＳＰ處理器完成高壓側數據的實(shí)時(shí)處理，再經(jīng)Ｅ／Ｏ變換，以光纖作為信號傳輸媒質(zhì)，把高壓側轉換的脈沖信號傳輸到低壓側進(jìn)行測量保護的混合型電子式光電組合互感器。

１ 電子式互感器高壓側數據處理系統

電子式互感器高壓側數據處理系統主要由信號預處理、Ａ／Ｄ轉換、ＤＳＰ主控和Ｅ／Ｏ轉換四部分組成。信號預處理部分接收各種傳感頭測量的模擬信號并對其進(jìn)行一些預處理。比如：Ｒｏｇｏｗｓｋｉ線(xiàn)圈感應的電動(dòng)勢需經(jīng)一積分器變換成與一次電流同相位成正比的電壓信號；傳感頭測量的模擬信號必須經(jīng)過(guò)調壓，且要考慮一定的裕度，使其符合Ａ／Ｄ芯片模擬通道的允許輸入范圍。Ａ／Ｄ轉換部分主要是在ＤＳＰ主控芯片的控制下實(shí)時(shí)將模擬信號變換成數字信號。Ｅ／Ｏ轉換部分是將數字信號經(jīng)過(guò)調制變成光脈沖信號，然后由光纖傳輸到低壓側。

２ ＡＤＳ８３４４的主要特點(diǎn)

２．１ ＡＤＳ８３４４的結構特點(diǎn)

ＡＤＳ８３４４是一個(gè)高速、低功耗、１６位逐次逼近型ＡＤＣ，采用２．７Ｖ至５Ｖ單電源供電，最大采樣速率為１００ｋＨｚ，信噪比達８４ｄＢ?帶有串行接口，它包含８個(gè)單端模擬輸入通道（ＣＨ０～ＣＨ７）?也可合成為４個(gè)差分輸入。１００ｋＨｚ時(shí)的典型功耗為１０ｍＶ。參考電壓ＶＲＥＦ的范圍從５００ｍＶ到ＶＣＣ，相應的每個(gè)模擬通道的輸入從０Ｖ到ＶＲＥＦ。自帶采樣／保持功能，采用２０引腳ＱＳＤＰ封裝或２０引腳ＳＳＯＰ封裝，工作溫度范圍為－４０℃～＋８５℃。該芯片適合應用在電池供電系統（如個(gè)人數字助理、移動(dòng)通信）和測試裝置中。

ＡＤＳ８３４４主要由多路轉換開(kāi)關(guān)、采樣／保持器、參考電壓、Ａ／Ｄ轉換器、比較器、控制邏輯電路和逐次逼近寄存器（ＳＡＲ）等部分組成，其內部結構原理如圖１所示。

２．２ ＡＤＳ８３４４的引腳排列及說(shuō)明

ＡＤＳ８３４４的引腳排列如圖２所示，各引腳說(shuō)明如下：

ＣＨ０～ＣＨ７：模擬輸入通道的輸入端，８個(gè)單端模擬輸入通道可合用為雙端差分輸入，所有通道的輸入范圍從０Ｖ到＋ＶＲＥＦ，未用的輸入通道應接ＧＮＤ以避免噪聲輸入。

ＣＯＭ：模擬輸入的參考地，單端輸入通道的零地位點(diǎn)，直接接地或接地電位參考點(diǎn)。

ＳＨＤＮ：掉電控制位，當為低時(shí)，芯片切換到低功耗掉電模式。

＋ＶＣＣ：電源輸入端，范圍為＋２．７Ｖ～＋５Ｖ。

ＤＯＵＴ：串行數據輸出端，在ＤＣＬＫ的下降沿時(shí)數據輸出，當ＣＳ為高時(shí)，輸出為高阻態(tài)。

ＤＩＮ：串行數據輸入端，當ＣＳ為低時(shí)，數據在ＤＣＬＫ的上升沿被鎖存。

ＤＣＬＫ：外部時(shí)鐘輸入端，該外部時(shí)鐘決定了芯片的轉換率（ｆＤＣＬＫ＝２４ｆＳＡＭＰＬＥ）。

ＣＳ：片選端，為低電平時(shí)，選中該芯片。

ＧＮＤ：參考地。

ＶＲＥＦ：參考電源輸入端。

ＢＵＳＹ：模數轉換狀態(tài)輸出引腳。當進(jìn)行模數轉換時(shí)，該引腳輸出低電平，當ＢＵＳＹ端產(chǎn)生一下降沿時(shí)，表示模數轉換結束，數據輸出有效。

２．３ ＡＤＳ８３４４的工作特點(diǎn)

ＡＤＳ８３４４的控制寄存器是一個(gè)８位只寫(xiě)寄存器，數據從ＤＩＮ引腳輸入，當微機讀取完上次轉換結果時(shí)，下一個(gè)轉換通道的控制字節就寫(xiě)到了ＤＩＮ引腳，需要８個(gè)ＤＣＬＫ時(shí)鐘才能將完整的控制信息寫(xiě)到控制寄存器?？刂萍拇嫫鞲魑还δ苷f(shuō)明如下：

Ｓ：控制字節的開(kāi)始位，為高時(shí)才表示輸入的字節有效。

Ａ２～Ａ０：模擬輸入通道選擇位。

ＳＧＬ／ＤＩＦ：模擬通道輸入方式選擇位。當為高時(shí)，為單端輸入；為低時(shí)，為雙端差分輸入。

ＰＤ１～ＰＤ０：功率管理選擇位。

（１）模擬通道的輸入方式

ＡＤＳ８３４４的８個(gè)模擬輸入通道可以設置成單端輸入或差分輸入。單端輸入時(shí)，各個(gè)模擬通道均輸入＋ＩＮ信號，而從ＣＯＭ引腳接入－ＩＮ信號。雙端差分輸入時(shí)，通道ＣＨＯ和ＣＨ４、ＣＨ１和ＣＨ５、ＣＨ２和ＣＨ６、ＣＨ３和ＣＨ７組合成差分輸入。當芯片進(jìn)入保持階段時(shí)，＋ＩＮ和－ＩＮ的差分輸入信號送到內部的電容器陣列上。－ＩＮ輸入的電壓范圍為－０．２Ｖ～＋１．２５Ｖ，＋ＩＮ輸入電壓范圍為－０．２Ｖ到＋ＶＣＣ＋０．２Ｖ。例如：若參考基準電壓為１．２５Ｖ， 而ＣＯＭ引腳接地，則單端輸入通道的電壓范圍為０Ｖ～＋１．２５Ｖ；若基準輸入電壓為３．３Ｖ，而ＣＯＭ引腳接＋０．５Ｖ，則單端輸入通道的輸入電壓范圍為＋０．５Ｖ ～＋３．８Ｖ。

（２）功率管理方式

ＡＤＳ８３４４提供了靈活的功率管理模式，允許用戶(hù)在給定的通過(guò)率下獲得最佳的功率性能，可以通過(guò)對控制寄存器功率位ＰＤ０和ＰＤ１的編程設置來(lái)進(jìn)行芯片的功耗管理。ＰＤ０＝０，ＰＤ１＝０時(shí)為自動(dòng)關(guān)斷模式。在這種模式下，ＡＤＳ８３４４在每次轉換結束時(shí)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，當下一次轉換開(kāi)始時(shí)，芯片立即全部上電，不需要額外的延時(shí)，并且第一次轉換是有效的；ＰＤ０＝０，ＰＤ１＝１時(shí)為內部時(shí)鐘模式；ＰＤ０＝１，ＰＤ１＝０時(shí)為預留模式；ＰＤ０＝１，ＰＤ１＝１時(shí)為完全功率模式，這種模式下的芯片總是上電的。

（３）時(shí)鐘方式

ＡＤＳ８３４４可以由內部時(shí)鐘執行逐次轉換，也可以由外部時(shí)鐘來(lái)執行，而在這兩種模式下，都是由外部時(shí)鐘來(lái)控制芯片數據的輸入／輸出。如果用戶(hù)想更換芯片的時(shí)鐘模式，則在芯片轉換到新的模式之前需要一個(gè)額外的轉換周期，因為ＰＤ０和ＰＤ１功率管理選擇位必須在時(shí)鐘模式轉換前被提前寫(xiě)入到ＡＤＳ８３４４的控制寄存器。

在外部時(shí)鐘模式下，外部輸入時(shí)鐘不僅控制了數據輸入／輸出芯片，而且也決定了Ａ／Ｄ芯片的轉換速率。在內部時(shí)鐘模式下，ＡＤＳ８３４４芯片自行產(chǎn)生時(shí)鐘信號，這樣所連接的微機就不需產(chǎn)生ＳＡＲ的轉換時(shí)鐘，轉換結果可以方便地輸出到微機。

３ ＡＤＳ８３４４的典型應用

本文介紹的電子式互感器高壓側數據采集系統采用ＴＭＳ ３２０ＬＣ５４５作為主控芯片，選用ＡＤＳ８３４４芯片實(shí)現對傳感頭輸出的各路模擬信號的實(shí)時(shí)采集和模數變換。高壓側數據處理系統的主要工作流程是：接收傳感頭輸出的模擬信號并進(jìn)行預處理，然后送到Ａ／Ｄ芯片轉換成數字信號，最后經(jīng)過(guò)Ｅ／Ｏ變換成光信號輸出到光纖傳輸系統。

ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５是１６位定點(diǎn)低功耗的數字處理器，工作電壓為＋３．３Ｖ，片內ＲＡＭ為６ｋＢ，片外ＲＯＭ為４８ｋＢ，內含一個(gè)標準串行口和一個(gè)緩沖串行口。兩者的接口設計如圖３所示。ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的串行端口用內部的ＣＬＫＸ?串行時(shí)鐘?和ＦＳＸ（幀同步時(shí)鐘）配置為突發(fā)模式下工作，串行口寄存器ＳＰＣ設置如下：ＦＯ＝０，串行口發(fā)送和接收數據都是１６位；ＦＳＭ＝１，串行口工作在字符組方式，每發(fā)送／接收一個(gè)字都要求一個(gè)幀同步脈沖ＦＳＸ／ＦＳＲ；ＭＣＭ＝０，ＣＬＫＸ采用外部時(shí)鐘，該外部時(shí)鐘由低壓側通過(guò)光纖送上來(lái)，可確保高、低壓側時(shí)鐘一致；ＴＸＭ＝１，將ＦＳＸ設置成輸出，每次發(fā)送數據時(shí)由片內產(chǎn)生一個(gè)幀同步脈沖輸出。ＡＤＳ８３４４的ＣＳ接ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的ＦＳＸ和ＦＳＲ，使數據輸入和輸出的幀脈沖信號均由ＤＳＰ產(chǎn)生；ＡＤＳ８３４４的ＤＣＬＫ接ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的ＣＬＫＸ和ＣＬＫＲ，從而使數據輸入和輸出的同步時(shí)鐘均來(lái)自ＤＳＰ；ＡＤＳ８３４４的ＢＵＳＹ接ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的ＢＩＯ，當ＢＵＳＹ產(chǎn)生下降沿信號時(shí)，則通知ＤＳＰ可以開(kāi)始接收轉換結果了。

圖4

ＡＤＳ８３４４的串行接口時(shí)序如圖４所示。當ＣＳ為低時(shí)，ＡＤＳ８３４４ 通過(guò)ＤＩＮ引腳接收由ＤＳＰ芯片ＤＸ引腳發(fā)送過(guò)來(lái)的串行數據，并寫(xiě)入Ａ／Ｄ芯片的控制寄存器，這需要８個(gè)ＤＣＬＫ時(shí)鐘，前４個(gè)時(shí)鐘周期用于接收控制字節的開(kāi)始位和通道選擇位，當接收接下來(lái)的４個(gè)控制位時(shí)芯片同時(shí)對所選通道采樣，采樣完成后進(jìn)行模數轉換，當 ＢＵＳＹ產(chǎn)生一下降沿信號后ＤＳＰ開(kāi)始接收由ＤＯＵＴ輸出的轉換結果，１６位串行數據需要１６個(gè)ＤＣＬＫ時(shí)鐘，在接收串行數據的ＬＳＢ位時(shí)，下一個(gè)通道的控制字開(kāi)始輸入到Ａ／Ｄ芯片。這樣，ＡＤＳ８３４４完成一次完整的數據采樣保持、轉換和輸出共需要２５個(gè)ＤＣＬＫ時(shí)鐘。

４ 結論

電子式互感器具有傳統電磁式互感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢，在電力系統電壓、電流測量保護中有著(zhù)廣闊的發(fā)展潛力。ＡＤＳ８３４４所具有的高精度、低功耗、多通道特性使之很適合應用在電子式互感器高壓側來(lái)完成數據的實(shí)時(shí)采集和轉換。