基于DSP的SVC高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

1、基于 DSP 的 SVC 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計程增艷 , 朱秀林 , 王 軍(中船重工七二二研究所 湖北 武漢 430079摘要 :數(shù)據(jù)采集處理是無功補償?shù)年P(guān)鍵步驟 。 介紹了一種基于 TMS320F28335的 SVC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) , 給出了該系統(tǒng) 的硬件電路 , 并介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn) 。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 , 操作方便 , 在 SVC 控制系統(tǒng)中運行正常 , 有著廣泛 的應(yīng)用前景 。關(guān)鍵詞 :DSP ; SVC ; 高速 ; 數(shù)據(jù)采集 中圖分類號 :TP31文獻標識碼 :A文章編號 :1674-6236(2011 19-0082-03Design of high speed dat

2、a acquisition system of SVC based on DSPCHENG Zeng -yan , ZHU Xiu -lin , WANG Jun(722Institute , China Shipbuilding Industry Corporation , Wuhan 430079, China Abstract:The acquisition system of SVC which impacts on device performance is the key step and key technology. The paper introduces the hardw

3、are circuit and the software implementation of the SVC acquisition system based on TMS320F28335. The system has simple structure , convenient operation ; it is running normally in SVC control system ; it has a wide application in the future.Key words:DSP ; SVC ; high speed ; data acquisition收稿日期 :20

4、11-05-18稿件編號 :201105081作者簡介 :程增艷 (1976, 女 , 湖北孝感人 , 碩士 , 工程師 。 研究方向 :控制理論與控制工程 。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展 , 變流裝置的應(yīng)用越來越普遍 , 這 些 裝 置的 運 行 , 會造 成 系 統(tǒng)功 率 因 數(shù)低 、 電 壓 波形 嚴 重 畸 變 等 問 題 , 直 接 影 響電 網(wǎng) 供 電質(zhì) 量 和 其它 用 電 設(shè) 備 的 運 行 安 全 。 靜止無功補償器 (SVC 可以就地提供動態(tài)無功補償 , 是解 決這些問題經(jīng)濟有效的辦法 。 數(shù)據(jù)采集處理是無功補償?shù)年P(guān) 鍵步驟 , 它需要采集電力系統(tǒng)中電壓 、 電流等物理量 , 由數(shù)據(jù)

5、 處理程序根據(jù)這些物理量計算出控制所需的信號 , 由控制算 法軟件計算出控制信號 , 并將 TSC 的投切指令輸出給 TSC 的 觸發(fā)執(zhí)行單元 , 所以 , SVC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上除了控制芯片和 足夠的存儲器外還要具備足夠的 A/D輸入 、 開關(guān)量輸出通道 等外圍電路 1。DSP 芯片以其簡單方便的外部接口連接 , 高速 、 精確 、 穩(wěn)定的 數(shù) 據(jù) 處理 功 能 , 集成 方 便 等特 點 , 越 來越 多 的 應(yīng)用 于 自 動控制 , 儀器儀表 , 通信等高科技領(lǐng)域 。 文中設(shè)計的基于 DSP 的 SVC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) , 具有采集時間快 、 轉(zhuǎn)換精度高 、 控制方 法簡單 、 硬件電路少

6、 、 運行安全可靠等特點 2。1DSP 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由隔離放大器電路 、 A/D模 擬 信 號采樣電路 、 CPLD 邏輯電路 、 DSP 處理器電路等組成 , 組成框圖 如圖 1所示 。電力 系 統(tǒng)實 時 的 三相 電 壓 、 電流 信 號 , 經(jīng) 過 電 流 和 電 壓 互 感器 電 路 后 , 通 過 隔 離放 大 器 隔離 送 到 放大 器 , 然 后 接 入 A/D模擬信號采樣電路中 。 此時 DSP 處理器發(fā)出控制信號 ,通過 CPLD 來控制 A/D轉(zhuǎn)換器進行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換 , 并在轉(zhuǎn)換結(jié)束 后 , 把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送到 DSP 中 。 DSP 會根據(jù)當(dāng)前的電壓

7、 、 電流 數(shù)據(jù) 計 算 出系 統(tǒng) 有 功 、 無 功 情 況并 發(fā) 出 控制 命 令 , 調(diào) 節(jié) 系 統(tǒng) 無功 。 DSP 通過 CAN 總線 、 網(wǎng)口 、 串口與上位機或其它控制 系統(tǒng)設(shè)備進行通訊 。2系統(tǒng)設(shè)計2.1主要芯片電路簡介DSP 采用 TI 公司的 TMS320F28335, 它是 TMS320C28X系列的一個成員 , 與同系列 的 定點 DSP 相 比 , 該器 件 的 精度 高 , 性 能 好 , 外 設(shè) 集 成 度 高 , 數(shù) 據(jù) 以 及 程 序 存 儲 空 間 大 。TMS320F28335的供電方式采用內(nèi)核為 1.8V , 外部為 3.3V ,功耗較低 。 主頻達 1

8、50MHz (時鐘周期 6.67ns , 高性能的 32位CPU , 16位或者 32位的外部存儲器擴展接口 , 多達 256k l6位的 Flash 存儲器 , 多達 34k l6位的 SRAM 存 儲 器 , 1kxl6位 的 OTP ROOM , 8k 16的 Boot ROM ; 2通 道 CAN 模 塊 , 3電子設(shè)計工程Electronic Design Engineering第 19卷 Vol.19第 19期 No.192011年 10月 Oct. 2011圖 1基于 DSP 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖Fig. 1System block diagram for data acqui

9、sition based on DSP調(diào)理電路電壓互感器 、 電流互感器將一次側(cè)強電信號變換成所需 要的 弱 電 信號 , 用 互 感器 將 系 統(tǒng)的 電 壓 和電 流 變 化 為 幅 值 為 -12+12V 的電壓信號 , 經(jīng)過前端放大電路將其變?yōu)?03V 的 單 極性 電 壓 信號 , 然 后 送到 如 圖 2所示 的 調(diào) 理電 路 , 再 輸 入到 DSP 的 A/D采樣通道 , 同時起隔離和抗干擾作用 。 其特 點是具有較好的線性度和較小的角移 。 待測信號如果直接輸 入 A/D轉(zhuǎn) 換 器 或濾 波 器 可能 會 出 現(xiàn)負 載 不 匹配 或 高 頻串 擾 (A/D的采樣引起 的情況 ,

10、 影響測量精度和穩(wěn)定性 , 故在電路 中加一級緩沖 , 以改善接口狀況 。 信號的調(diào)理電路如圖 2所 示 。 本 采 集 系 統(tǒng) 設(shè) 計 有 采 集 18路 模 擬 信 號 , 用 到 18片ISO121和 18片 OP07。模 擬 /數(shù) 字 轉(zhuǎn) 換 電 路 由 3片 16位 高 精 度 AD 轉(zhuǎn) 換 器 組成 , 提供 18路模擬信號輸入 , 并且可以保證所有模擬輸入信 號被同步采樣 , 減小不同通道信號被采樣時造成的相位差 , 以提高三相不平衡度等參數(shù)測量的準確性 。 電路連接如圖 3所示 。 AD7656是一種 16位 6通道自同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器 , 使用 了 iCMOS 工業(yè)制造技術(shù) ,

11、具有性價比高 、 精度高 、 能耗低 、 轉(zhuǎn) 換速度快等優(yōu)點 , 尤其適合于電力系統(tǒng)中模擬量的測量 。DSP 的地址 、 控制信號經(jīng)過 CPLD 譯碼輸出 3片 AD7656的控制信號 CS 、 RD 、 RESET 。 此時 , 三相電流 、 電壓信號已經(jīng) 分別輸入到兩片 AD7656中 , 只要控制信號發(fā)出啟動 A/D轉(zhuǎn) 換的命令 , AD7656便開始進行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換 , 并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù) 送到 TMS320F28335GF 的 D0D15數(shù)據(jù)總線上 。 AD7656的 6個采樣通道的數(shù)據(jù)是通過 6次連續(xù)的總線讀取得到 , 而采樣 頻率卻只能統(tǒng)一設(shè)置成 250kHz , 為了得到 10k

12、Hz 的采樣數(shù) 據(jù)需要對已采集得到的數(shù)據(jù)做降采樣處理 。 采用 CPU 降采樣 數(shù)據(jù)效率非常低 , 會嚴重影響系統(tǒng)效率 , TMS320F28335GF 提 供 的 DMA 控 制器 使 用 靈活 可 以 實現(xiàn) 降 采 樣數(shù) 據(jù) 的 功能 , 所 以本系統(tǒng)采用 DMA 的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)降采樣 。 而由于數(shù)據(jù)量 龐大 , 將 AD 采集數(shù)據(jù)存放在 SDRAM 中 , 而處理時再將數(shù)據(jù)搬 運 到 內(nèi) 部 RAM 中 , 搬 運 時 仍 然 使 用 DMA 操 作 。 另 外 ,AD7656的參考電壓電路 AD780的輸入端接入 5V 電壓同時對地并聯(lián)兩個濾波電容 , 用來濾除 5V 電源中的干擾電瓶

13、信 號 , 通過 OUT 引 腳 輸出 2.5V 的 參 考電 壓 , 并 將該 電 平 連 接 到 AD7656的 VREF 腳 3。TMS320F28335有 3個異步串口 , 本系統(tǒng)只用了兩個串口 , 選用 MAX3378驅(qū)動芯片進行 電平 轉(zhuǎn) 換 。 MAX3378功耗 低 , 集成度高 , 可用 3.3V 電源 供 電 , 是 一 款 在 UART 通 信 中 使用最多的接口芯片之一 。 TMS320F28335的 SCI 有如下特 點 :波特率可調(diào) , 最 高 可達 64k ; 數(shù) 據(jù) 格式 由 一 位起 始 位 , 816位的數(shù)據(jù)長度 , 可選的奇偶校驗位和 一 至兩 位 停 止

14、位 組成 ; 有 4個錯誤檢測標志和兩種多處理器模式即空閑線和地 址 位 ; 可 以 工 作在 半 雙 工或 者 全 雙工 模 式 ; 具有 雙 緩 沖 接 收 和發(fā)送功 能 , 支持 發(fā) 送 中斷 使 能 和接 收 中 斷使 能 , 支 持 NRZ 格式 ; SCI 還具有自動波特率檢測的硬件邏輯和 16級深度的FIFO 功能 , 能夠減少空頭服務(wù) , 加快數(shù)據(jù)傳輸速度 。 串口電路如圖 4所示 。CAN 總線是一種串行通信協(xié)議 , 具有較高的通信速率和較強的抗干擾能力 , 可以作為現(xiàn)場總線應(yīng)用于電磁噪聲較大 的場合 , CAN 總線模塊帶有 23個完全可配置郵箱 , 具有定時 郵遞功能 ,

15、 能夠?qū)崿F(xiàn)靈活穩(wěn)定的串行通信接口 。 雙電源供電 系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境電磁噪聲大 , 選用 CAN 總線通信是一種很好 的解決方案 。 本系統(tǒng)選用 SN65HVD235為 CAN 總線的電平轉(zhuǎn) 換器件 , 實現(xiàn)不同電平節(jié)點的完全兼容 。 電路如圖 5所示 。2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計在硬件系統(tǒng)搭建完成的基礎(chǔ)上 , 系統(tǒng)的功能實現(xiàn)由軟件系統(tǒng)來完成 。 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由兩部分組成 :其一是 邏輯控制部分 ; 其二是數(shù)據(jù)采集與處理部分 。 邏輯控制部分 是 運 行 在 CPLD 上 的 程 序 , 采 用 VHDL 語 言 編 寫 ; 數(shù) 據(jù) 采 集 與處理部分是運行在 DSP 上的程序 , 總體上采用匯編和

16、 C 混 合編寫 , 即主程序 和 算 法方 面 用 C 語言 編 寫 , 運行 速 度 要求 高的接口程序代碼采用匯編語言 。本系 統(tǒng) 采 用 了 一 片 Xilinx 公 司 的 XC95144對 外 部 芯 片和器件的控制 。 重點是 A/D轉(zhuǎn)換芯片的控制 、 兩片 SDRAM 的圖 5CAN 總線通信接口電路 Fig. 5CAN interface circuit 圖 2調(diào)理電路Fig. 2Conditioning circuit圖 3 A/D轉(zhuǎn)換電路 Fig. 3A/Dcircuit圖 4串口電路Fig. 4Serial interface circuit 電子設(shè)計工程 2011年第

17、 19期5ANALOG. AD7656Data Sheet EB/OL.(2005 .http:/www. .6ANALOG. AD7724Data Sheet EB/OL.(2005 .http:/www.7朱金奇 .TCR+FC型 SVC 原理及應(yīng)用 J.電氣傳動自動化 , 2007 (3 :57-58.ZHU Jin -qi .The basic principle and application of FCR+FC type SVCJ.Electric Drive Automation , 2007(3:57-58.讀 寫 、 I/O擴 展 電 路 的 使 能 和 地 址 譯 碼 。

18、它 完 全 符 合 IEEE 1149.1JTAG 邊 界 掃 描 標 準 , 具 有 3.3V ISP 的 功 能 , 可 通 過 JTAG 接口實現(xiàn)在線編程 。本系統(tǒng) CPLD 程序的開發(fā)是在集成開發(fā)環(huán)境 ISE10.1下 采用 VHDL 語言編寫和調(diào)試 , 最后通過 JTAG 接口將程序下 載到 CPLD 器件中 。主控制器 TMS320F28335最先運行的程序是系統(tǒng)的初始 化程 序 , 主要 包 括 :初始 化 系 統(tǒng)控 制 , 包 括初 始 化 看門 狗 , 系 統(tǒng)時 鐘 的 初始 化 , 片 內(nèi)外 設(shè) 時 鐘的 初 始 化 ; 控 制 器 內(nèi)存 初 始 化 ; 清除所有的中斷 ,

19、 初始 化 PIE 向 量表 , 禁 止 DSP 中斷 等 ; 初始化 ADC 模塊 , 主要包括 :AD 啟動 、 AD 時鐘頻率的選擇 、 采樣模式的選擇 、 采樣通道的設(shè)定以及 AD 中斷程序的設(shè)定 等 ; 初始化事件管理器 , 包括捕獲單元的設(shè)定 , 通用定時器的 設(shè)定 , 中斷程序的設(shè)定 ; 初始化外部接口寄存器 2。ADC 模塊的采樣采用軟件觸發(fā)方式 , 在 DSP 定 時 器中 斷 中 啟動 采 樣 , 采用 同 步 方式 采 樣 6個通 道 , 并 采用 每 次 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 束 中斷 的 方 式來 紀 錄 采樣 結(jié) 果 , 并用 軟 件 啟 動 下 一 次 ADC 中斷 。3結(jié)

20、束語目前本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)安裝在現(xiàn)場操作機柜中 , 實踐 證明 , 該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各個通道高速數(shù)據(jù)流能夠正確采集 、 存儲 , 并與上位機進行通訊 , 運行穩(wěn)定 , 完全滿足 SVC 設(shè)備高 速 、 高精度數(shù)據(jù)采集的要求 。 參考文獻 :1王兆安 , 劉進軍 . 電 力電 子 裝 置諧 波 抑 制及 無 功 補償 技 術(shù) 的進展 J.電力電子技術(shù) , 1997(1:100-104.WANG Zhao -an , LIU Jin -jun. Advances of harmonic suppression and reactive power compensation technique for power electronic equipment J.Power Electronics Synopsis , 1997(1:100-104.4TMS320x2833x.2823x System Control and Interrupts Reference Guide EB/OL.(2007-07-21 2011-01-15.http:/www.ti. com/lit/ug/sprufb0d/sprufb0d.pdf.7雷曉瑜 , 曹廣忠 .TMS320F28335及其最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 J.