基于DSP的繼電保護測試儀信號采集系統硬件設計

2.3 A／D轉換電路與DSP接口電路的設計

A／D轉換器是模／數轉換電路中的核心器件，在整個(gè)測量系統中占有重要地位。如果模／數轉換器的位數低時(shí)，將引起較大的測量誤差，本裝置選用德州儀器(TI)公司的A／D芯片ADS8515作模／數轉換器。ADS8515是采樣率為250 KSPS的16位并行A／D轉換器，輸入電壓范圍能達到±10 V。ADS8515屬于逐次逼近寄存器型(簡(jiǎn)稱(chēng)SAR型)A／D轉換器，這種結構的轉換器通過(guò)輸入的模擬信號與比較器逐次比較來(lái)輸出數字信號，是目前應用最多的轉換器類(lèi)型。SAR型A／D轉換器的功耗比較低，體積比較小，而且A／D內部通常具有采樣保持器，它可以維持采樣電壓直到轉換結束，且其轉換速率很快。ADS8515和DSP的接口電路如圖4所示。

由于TMS320F2812的I／O電壓是3.3 V電平，而ADC則是5 V電平，因此需要電平轉換芯片74LVC245來(lái)實(shí)現隔離功能。ADS8515的控制是通過(guò)對片選信號CS、啟動(dòng)信號R／C以及對狀態(tài)信號BUSY的查詢(xún)來(lái)實(shí)現的。BUSY，CS，R／C，分別接DSP的中斷信號引腳XINT1和通用I／O接口GPIOB0，GPIOB1。為了保證雙DSP的同步采樣，防止數據輸出時(shí)兩DSP數據的串擾，采用將另一個(gè)DSP的片選信號CS和啟動(dòng)信號R／C分別接DSP的通用I／O接口GPIOB2和GPIOB3的方法。這樣可以保證雙DSP同步采樣，并依次讀取兩個(gè)A／D中的數據。

2.4 同步信號獲取與識別電路設計

為了實(shí)現A／D轉換器的交流同步采樣，本方案的設計電路如圖5所示。方案選用多個(gè)OPA2277和比較器MAX998來(lái)組成信號的獲取與識別電路，從而克服了非整周期采樣帶來(lái)的頻率泄露誤差，實(shí)現嚴格的同步采樣和等間隔采樣。圖5中，K3C為繼電器，用作開(kāi)關(guān)使用，用來(lái)通斷選擇獲取的一路交流電壓信號和一路交流電流信號。OPA2277組成放大和濾波電路。二極管D2，D3的作用是保護比較器MAX998，防止電壓過(guò)大而擊穿MAX998。

2.5 DSP系統的設計

DSP系統主要由DSP芯片、電源電路、時(shí)鐘電路、仿真和測試電路組成。由于TMS320F2812的電源系統既有3.3 V的數字和模擬電源，又有1.8 V的數字電源，電源的安全和可靠是系統運行的根本保證，所以需要將常用的5 V電源轉換成3.3 V和1.8 V電源。本設計選用TI公司的TPS767D318作為電源芯片，該芯片是專(zhuān)門(mén)為DSP的應用而設計的，可以提供3.3 V和1.8 V兩路電壓輸出，其中每路輸出均可提供最大為1 A的電流。TPS767D318同時(shí)具有電壓監測功能。電源電路的設計如圖6所示。此外，DSP的每個(gè)電源和地引腳不能懸空，數字模擬地要分離設計。

由于本系統對時(shí)序的要求比較敏感，所以本系統的時(shí)鐘電路選用3.3 V工作電壓的外部有源晶振。該有源晶振相對無(wú)源晶振信號質(zhì)量更好，而且比較穩定，連接方式相對簡(jiǎn)單。通常的用法是：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接電壓。

在對DSP系統進(jìn)行硬件仿真時(shí)，可以通過(guò)JTAG邊界掃描接口對DSP內部的數據存儲器、程序存儲器和控制寄存器進(jìn)行在線(xiàn)監控，并能在TMS320F2812的開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS中把程序下載到DSP芯片進(jìn)行硬件仿真。JTAG接口的原理圖如圖7所示。

2.6通訊模塊設計

目前，數據采集系統多以ISA，EISA或PCI插卡的形式完成數據的傳輸，這些方式存在著(zhù)開(kāi)發(fā)調試比較困難、安裝麻煩以及通用性和可移植性差等缺點(diǎn)，而且PC機上的插槽數量、地址、終端資源有限，導致這種方式的可擴展性差。目前，廣泛應用的USB總線(xiàn)接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴展等優(yōu)點(diǎn)，已成為計算機接口的主流。本文選用專(zhuān)用的USB接口芯片來(lái)完成DSP與PC機的數據傳輸。USB 2.0芯片選用Philips公司的ISP1581。ISP1581與TMS320F2812的連接電路圖如圖8所示。ISP1581在上電時(shí)，通過(guò)BUS_CONF，MODE0，MODE1對接口進(jìn)行設置，本設計中BUS CONF通過(guò)電阻連接至高電平，ISP1581工作在通用處理器模式，AD[0～7]是8位地址總線(xiàn)，DATA[0～15]是獨立的數據總線(xiàn)。MODE0設為1，因此讀寫(xiě)選通信號為8051類(lèi)型。TMS320F2812的XCS0AND1作為ISP1581的片選信號。RREF引腳通過(guò)12 kΩ的精密電阻接地，提供精確的鏡像電流。RPU引腳通過(guò)1.5 kΩ電阻器上拉。

3結語(yǔ)

研制了一種基于DSP技術(shù)的繼電保護測試儀信號采集裝置，以便檢定繼電保護測試儀的性能指標是否滿(mǎn)足設計要求。文中重點(diǎn)介紹了數據采集裝置的整體架構、基于DSP的數據采集裝置的硬件組成和電路設計。該數據采集裝置可以精確采集繼電保護測試儀的各項數據，為繼電保護測試儀的檢定裝置奠定了技術(shù)基礎。