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文檔簡介
1、基于DSP的跟蹤頻率變化的交流有樣技術(shù) 摘要:在電力系統(tǒng)交流采樣系統(tǒng)中,經(jīng)常要測量電網(wǎng)頻率,再根據(jù)頻率/周期的變化調(diào)整采樣周期。本文在簡單分析TMS320F240片內(nèi)定時器、捕獲器的使用原理后,提出一種全新的跟蹤頻率變化的交流采樣技術(shù)。 關(guān)鍵詞:交流采樣 頻率變化 DSP TMS320F240
2、0; 在交流采樣系統(tǒng)中,通常是一個周波采樣64點或128點的電量值,然后對這些數(shù)據(jù)進行處理。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),而電網(wǎng)的頻率通常有一定的波動,所以要不斷調(diào)整采樣間隔。 在單片機系統(tǒng)中,一般采用過零觸發(fā)電路和單片機的外部中斷來檢測電量周波的開始和結(jié)束時間,再利用內(nèi)部定時器計算出周期和采樣間隔,在采樣間隔定時中斷程序中啟動一次采親。這種方案有兩個缺點:其一,電路實現(xiàn)復(fù)雜;其二,精度不高,因為要考慮中斷能否實時響應(yīng)。過零觸發(fā)電路產(chǎn)生的中斷響應(yīng)具有不確定性。
3、;我們在使用TMS320F240 DSP開發(fā)交流采樣系統(tǒng)時,巧妙地利用該款DSP的定時器、捕獲器和不中屏蔽中斷(NMI)實現(xiàn)了跟蹤頻率變化的交流采樣。 1 NMI中斷、定時器、捕獲器的簡單分析 (1)NMI中斷 TMS320F24X系列有一個不可屏蔽中斷(NMI)引腳。當(dāng)該引腳有跳變信號時(可編程為上升沿或下降沿觸發(fā)),立即進入中斷程序,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)定時器介紹
4、160; TMS320F240有3個通用定時器,每個通用定時器有6種計數(shù)方式:停止/保持模式,模式0;單增計數(shù)模式,模式1;連續(xù)增計數(shù)模式,模式2;定向增/減計數(shù)模式,模式3;單增/減計數(shù)模式,模式4;連續(xù)增/減計數(shù)模式,模式5。 設(shè)fc是CPU的時鐘頻率,則定時時間t=脈沖個數(shù)/(fc/分頻系數(shù)),脈沖個數(shù)與定時周期寄存器的值或比較寄存器的值有關(guān)。工作過程是:根據(jù)CPU的頻率、定時時間確定計數(shù)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。啟動定時器計數(shù)。計數(shù)到比較寄存器的值發(fā)生比較
5、匹配中斷,同時使TxCMP引腳發(fā)生跳變。本文中利用T3CPU的跳變?nèi)右淮蜛/D轉(zhuǎn)換。計數(shù)到周期寄存器的值發(fā)生周期匹配中斷。 定時器一旦開始工作就不受程序影響,準(zhǔn)確性高,保證每隔固定間隔進行采樣。 (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)生的時間,記錄事件發(fā)生的時間以定時器的計數(shù)器作時基。當(dāng)捕獲引腳發(fā)生跳變時,捕獲單元將該時刻時基的計數(shù)寄存器T2CNT的值裝入相應(yīng)的FIFO隊列中。FIFO隊列可以裝入兩個值,第三個裝入時會將第一個值擠出。
6、如果將捕獲器的跳變輸入信號和NMI輸入信號并聯(lián)(見圖2),則可以在NMI中斷程序中讀取跳變時的時基值(讀FIFOx寄存器)。例如:以T2作時基,引腳電平第一次上跳時,T2計數(shù)寄存器T2CNT的值為X1,第二次為X2,T2分頻系數(shù)為D,CPU頻率為fc,則變化時間間隔為 t=D/fc×(X2-X1) 2 設(shè)計思想 過零觸發(fā)電路的輸出接TMS320F240外部不可屏蔽中斷引腳NMI,確保了中斷的實時響應(yīng);同時,過零觸發(fā)電路的輸出還接到捕獲器1的輸入端C
7、AP1,T2定時器作捕獲器的時基,捕獲器可以捕獲兩個脈沖間隔的時間(用T2計數(shù)器的變化量表示),這樣可以計算出周波的周期/頻率。 用一個定時器T3完成定時觸發(fā)采樣,每隔一個采樣周期T3定時器的比較匹配輸出端T3CMP輸出一個下降沿脈沖去啟動ADC進行一次A/D轉(zhuǎn)換,所以T3CMP的啟動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(dǎo)。 (1)頻率和周期 捕獲器用T2作時基,CAP1端每出現(xiàn)一個上升
8、沿脈沖表示一個周波開始,同時立刻進入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的值是在剛過去的周波內(nèi)T2計數(shù)器的增加值;而T2的分頻系數(shù)為128,假設(shè)DSP的工作頻率為20MHz,這樣就可以計算出上一個周波的周期T和頻率f: T=(1/20) s×128×(FIFO1)= (128/20)×10 -6×(FIFO1)s f=1/T=(2
9、0×10 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/計數(shù)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的周期中斷時間即是上一個周波的周期;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(shù)為128,T3的分頻系數(shù)為1,所以T3的周期中斷時間是一個周期的電量的1/128;而采樣周期用T3作時基,T3的周期中斷即是采樣中斷。從而實現(xiàn)了一個周期的12
10、8點采樣,即實現(xiàn)了跟蹤頻率變化的交流采樣,當(dāng)然,有一個周波的滯后。 每個周期會產(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)讀出來賦給T3的周期寄存器。因為T2的分頻系數(shù)為128,這樣T3的周期中斷時間即為一個周期的1/128,實現(xiàn)了一個周期采樣128點的目的。3 硬件設(shè)計 (1)互感器電路及設(shè)計注意事項 利用互感器電網(wǎng)的二次高壓和電流交換成05V或-5+5V的電壓送入A/D轉(zhuǎn)換器,具體電路如圖1所示。
11、 圖1中,電壓互感器的原邊100V,副邊輸出2mA電流經(jīng)OP07轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。因采樣時只要保證一個周波采樣N點,什么時候開始并不重要,所可以省去相移補償電路。 R11,R12、R13,R21、R22的值可以通過以上給出的電流
12、、電壓值計算出來:R11=100V/2mA,R12+R13=R21+R22=3.5V/2mA。運放的輸出端可以接一電容進行濾波。 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)過零觸發(fā)電路 具體電路如圖2所示。U1A構(gòu)成的電壓跟隨器的作用如上所述,它的正端輸入來自互感器電路的輸出。U2A構(gòu)成一個過零比較電路,D2穩(wěn)壓二極管使比較器的輸出為05V,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入DSP的捕獲器輸入端CAP1和不可屏蔽中
13、斷端NMI。 (3)A/D轉(zhuǎn)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的定時比較器輸出端T3CMP接MAX125的啟動轉(zhuǎn)換器CONVST;MAX125轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生中斷,通過INT腳接DSP的XINT1腳向DSP申請中斷,DSP在中斷程序中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。DSP對MAX125的操作是通過端口訪問完成的,MAX125的片選端CS4接譯碼器的一個輸出端,譯碼器的輸入和使能端由DSP的地址線和I/O信號LS控制。
14、0;每隔一個采樣周期(T/N)T3CMP端輸出一個下降沿脈沖,啟動MAX125進行一次A/D轉(zhuǎn)換。采樣間隔會根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化自動調(diào)整。 4 軟件設(shè)計 下面給出幾個程序函數(shù)。具體數(shù)據(jù)處理的函數(shù)因系統(tǒng)功能不同而異,限于篇幅這里不作討論。 (1)定時器、捕獲器初始化程序: void init_TimerCapturet() *T2CNT=0; /*計數(shù)寄存器初始化*/ *T3CNT=0; *T3CMP=1000;&
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