基于DSP的繼電保護測試儀信號采集裝置硬件設(shè)計

1、基于 DSP 的繼電保護測試儀信號采集裝置硬件設(shè)計王 磊 1, 陳 瓊 1, 王博楠 2, 丁小偉 1(1. 南昌航空大學 江西 南昌 330063;2. 大慶油田第五采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所 黑龍江 大慶 163513摘 要 :繼電保護測試儀檢定技術(shù)是檢定繼電保護測試設(shè)備性能指標是否滿足要求的技術(shù) 。 詳細介紹基于 DSP 的繼電 保護測試儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)可以精確采集繼電保護測試儀的各項參數(shù)指標 , 采集數(shù)據(jù)準確可靠 , 為繼電保護測試儀 檢定裝置的研究提供了良好的基礎(chǔ) 。 重點描述該采集裝置的硬件組成和電路設(shè)計 , 并簡要分析各部分的功能及主要芯片的 工作方式 。關(guān)鍵詞 :DSP;

2、繼電保護 ; 數(shù)據(jù)采集 ;USB中圖分類號 :TP274 文獻標識碼 :A (Data Acquisition H ardw are Instrument B ased on DSP1EN 1Bonan 2,DIN G Xiaowei 1(1. ,China ;2. No. 5Factory ,Daqing Oil Field ,Daqing ,163513,China Abstract technology which is developed to check the performance index of specific relay protection testing Relay

3、protection testing instrument of data acquisition system based on DSP is introduced. The system can acquire for precise performance index of the relay protection testing instrument ,the acquisition data is highly accu 2rate and reliable ,it is an excellent foundation of relay protection test calibra

4、ting equipment. Hardware composition and circuit design about system and various parts of f unctions and working way of mainly chips are described and analysed.K eywords :DSP;relay protection ;data acquisition ;USB 收稿日期 :2009206209 隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展 , 目前國內(nèi)使用的繼電保 護測試儀種類繁多 , 但是由于繼電保護測試儀自身的性 能直接影響著對繼電保護裝置的評價

5、 , 因此測試儀的工 作性能和穩(wěn)定性尤為重要 1。雖然 DL/T62421997繼 電保護微機型試驗裝置技術(shù)條件 對繼電保護試驗裝置 提出了明確的要求 , 規(guī)定了定期檢驗周期和檢驗項 目 2, 但因為沒有相關(guān)的檢測規(guī)程或規(guī)范 , 也沒有現(xiàn)成 的檢測裝置 , 這為繼電保護測試儀的驗收和周檢帶來了 一定的困難 3。 因此 , 需要這樣一種數(shù)據(jù)采集裝置來精 確采集繼電保護測試儀的各項數(shù)據(jù) , 以便上位機對數(shù)據(jù) 進行分析 , 從而對繼電保護測試儀進行檢定 。 1 系統(tǒng)方案設(shè)計本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集裝置專門用于繼電保護測試 儀器各項數(shù)據(jù)的采集 。 設(shè)計選用 DSP 作為數(shù)據(jù)采集裝 置的核心控制器 。 系統(tǒng)硬

6、件總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示 。系 統(tǒng)由電壓 、 電流采樣電路 , 信號放大 , 低通濾波 , 同步信 號的獲取與識別 , 直流取樣 , 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及通訊模 塊電路等組成 。本方 案 中 , 數(shù) 據(jù) 選 擇 器 選 用 AD 公 司 生 產(chǎn) 的 AD7502芯片 。 AD7502芯片為雙四選一數(shù)據(jù)選擇器 ,因此需要兩片 A/D 轉(zhuǎn)換器進行循環(huán)采樣 。模 /數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用的是 TI 公司推出的 16位并行高速轉(zhuǎn)換器 ADS85154。 主控制芯片選用 TI 公司的數(shù)字信號處 理器 TMS320F28125。 TMS320F2812是 32位定點高 速數(shù)字處理器 , 最高工作頻率 150M Hz

7、 , 該芯片采用改 進的哈佛結(jié)構(gòu) , 片內(nèi)有六條獨立并行的數(shù)據(jù)和地址總 線 , 極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力 ,32位的累加 器 、 16位的硬件乘法器和輸入 、 輸出數(shù)據(jù)移位寄存器相 結(jié) 合 , 能 快 速 地 完 成 復(fù) 雜 的 數(shù) 值 運 算 。因 此 TMS320F2812的計算速度非常高 , 可以滿足系統(tǒng)的在 線實時性要求。圖 1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖39在與上位機通訊時 , 綜合各種因素 , 本方案選用 U SB 總線技術(shù)實現(xiàn) 。 U SB 接口芯片選用 Philip s 公司的 ISP15816。 ISP1581是 Philip s 公司推出的一款高 性價比的 U SB 2.

8、0接口芯片 , 它完全遵循 U SB 2. 0規(guī) 范 , 支持 7個 IN 端點 ,7個 OU T 端點和一個固定控制 IN/OU T 端點 。 ISP1581支持 U SB 2. 0的自檢工作模 式和 U SB 1. 1的返回工作模式 , 可以在高速或全速條 件下正常 運行 。 ISP1581內(nèi)部 集成有 串行 接口引 擎 (SIE 、 PIE 、 8K B 的 FIFO 存儲器 、 數(shù)據(jù)收發(fā)器 、 PLL 的 12M Hz 晶 體 振 蕩 器 和 313V 的 電 壓 調(diào) 整 器 。 ISP1581與外部微控制器的通信主要通過一個高速通 用并行接口來實現(xiàn) 。 它與微控制器的連接有兩種模式

9、:斷開總線模式和通用處理器工作模式 。在斷開總線模 式下 , AD 7:0為多路復(fù)用的 8位地址 /, DA TA15:0為單獨的 DMA 工作 模 式 下 , AD 0的 線 , DA TA15:0為 16。此時 , DMA 將多路復(fù)用到 DA TA :0控制器的數(shù)據(jù)總線上 。 本 裝置在硬件設(shè)計中將電路設(shè)計成通用處理器模式 。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2. 1 電壓 、 電流采樣電路設(shè)計 本系統(tǒng)采集三相電壓 、 三相電流以及中性線的兩路 電壓和電流信號 。 電壓和電流的采樣電路類似 , 電壓采 用電 壓 互 感 器 , 電 流 采 用 電 流 互 感 器 , 通 過 運 放 OPA2277組成電壓

10、和電流采樣電路 7。 電壓采集電路 如圖 2所示 。圖 2中 , T 1為電壓互感器 。電壓互感器 出來的 信號 通過 OPA2277處 理后送 入數(shù) 據(jù)選擇 器 AD7502的 S1輸入引腳 。 其他 7路電壓和電流信號分 別送入 AD7502的另外 7個輸入引腳。 圖 2 電壓采集電路2. 2 程控濾波電路設(shè)計系統(tǒng)中選用數(shù)據(jù)選擇器 AD7502作為四路電壓和 四路電流信號的模擬開關(guān) 。濾波電路選用 OPA2277來實現(xiàn) , 電路原理圖如圖 3所示 。其中 , AD7502的 A0,A1接 DSP 通用 I/O 口的 GPIOB4, GPIOB5口 , EN 引腳接高電平 。 GPIOB4,

11、 GPIOB5輸出不同值來控制 AD7502不同通道的接通 , 從而將 8路信號依次送 入兩片 A/D 轉(zhuǎn)換器。圖 32. /, 在整。 如果模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù), 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(shù) 轉(zhuǎn) 換 器 。 ADS8515是采樣率為 250KSPS 的 16位并行 A/D 轉(zhuǎn) 換器 , 輸入電壓范圍能達到 ±10V 。 ADS8515屬于逐 次逼近寄存器型 (簡稱 SA R 型 A/D 轉(zhuǎn)換器 , 這種結(jié)構(gòu) 的轉(zhuǎn)換器通過輸入的模擬信號與比較器逐次比較來輸 出數(shù)字信號 , 是目前應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)換器類型 。

12、 SAR 型 A/D 轉(zhuǎn)換器的功耗比較低 , 體積比較小 , 而且 A/D 內(nèi) 部通常具有采樣保持器 , 它可以維持采樣電壓直到轉(zhuǎn)換 結(jié)束 , 且其轉(zhuǎn)換速率很快 。 ADS8515和 DSP 的接口電 路如圖 4所示。圖 4 A/D 轉(zhuǎn)換器和 DSP 的接口電路由于 TMS320F2812的 I/O 電壓是 3. 3V 電平 , 而ADC 則 是 5V 電 平 , 因 此 需 要 電 平 轉(zhuǎn) 換 芯 片 74L VC245來實現(xiàn)隔離功能 8。 ADS8515的控制是通 過對片選信 號 CS 、 啟 動信 號 R/C 以及 對狀 態(tài) 信 號BU S Y 的查詢來實現(xiàn)的 。 BU S Y ,CS

13、,R/C , 分別接 DSP的中斷信號引腳 XIN T1和通用 I/O 接口 GPIOB0, GPIOB1。 為了保證雙 DSP 的同步采樣 , 防止數(shù)據(jù)輸出 時兩 DSP 數(shù)據(jù)的串擾 , 采用將另一個 DSP 的片選信號 CS 和啟動信號 R/C 分別接 DSP 的通用 I/O 接口 GPI 2OB2和 GPIOB3的方法 。 這樣可以保證雙 DSP 同步采樣 , 并依次讀取兩個 A/D 中的數(shù)據(jù) 。 2. 4 同步信號獲取與識別電路設(shè)計為了實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換器的交流同步采樣 , 本方案的49設(shè)計電路如圖 5所示 。方案選用多個 O PA2277和比 較器 MAX998來組成信號的獲取與識別

14、電路 , 從而克 服了非整周期采樣帶來的頻率泄露誤差 , 實現(xiàn)嚴格的同 步采樣和等間隔采樣 。圖 5中 , K3C 為繼電器 , 用作開關(guān)使用 , 用來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 D 2,D 3的作用是保護比較器 MAX998, 防止電壓過 大而擊穿 MAX998 。 2. 5 DSP DSP 系統(tǒng)主要由 芯片 、 電源電路 、 時鐘電路 、仿真和測試電路組成 。由于 TMS320F2812的電源系統(tǒng)既有 3. 3V 的數(shù)字和模擬電源 , 又有 1. 8V 的數(shù)字電 源 , 電源的安全和可靠是系統(tǒng)運行的根本保證 , 所以

15、需 要將常用的 5V 電源轉(zhuǎn)換成 3. 3V 和 1. 8V 電源 。 本 設(shè)計選用 TI 公司的 TPS767D318作為電源芯片 , 該芯 片是專門為 DSP 的應(yīng)用而設(shè)計的 , 可以提供 3. 3V 和 1. 8V 兩路電壓輸出 , 其中每路輸出均可提供最大為 1A 的電流 。 TPS767D318同時具有電壓監(jiān)測功能 。電源電路的設(shè)計如圖 6所示 。此外 ,DSP 的每個電源和地引腳不能懸空 , 數(shù)字模擬地要分離設(shè)計 。圖 6 DSP 的電源電路由于本系統(tǒng)對時序的要求比較敏感 , 所以本系統(tǒng)的時鐘電路選用 3. 3V 工作電壓的外部有源晶振 。該有 源晶振相對無源晶振信號質(zhì)量更好 ,

16、而且比較穩(wěn)定 , 連 接方式相對簡單 。 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(tǒng)進行硬件仿真時 , 可以通過 J TA G 邊界掃描接口對 DSP 內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器 、 程序存儲器 和控制寄存器進行在線監(jiān)控 , 并能在 TMS320F2812的 開發(fā)環(huán)境 CCS 中把程序下載到 DSP 芯片進行硬件仿 真 。 J TA G 接口的原理圖如圖 7所示 。圖 7 J TA G 電路模塊設(shè)計2. 6 通訊模塊設(shè)計目前 , 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多以 ISA , EISA 或 PCI 插卡的形式完成數(shù)據(jù)的傳輸 , 這些方式存在著開發(fā)調(diào)試比較 困難 、 安裝麻

17、煩以及通用性和可移植性差等缺點 , 而且 PC 機上的插槽數(shù)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(yīng)用的 U SB 總線接口具 有安裝方便 、 高帶寬 、 易于擴展等優(yōu)點 , 已成為計算機接 口的主流 。 本文選用專用的 U SB 接口芯片來完成 DSP與 PC 機的數(shù)據(jù)傳輸 9。 U SB 2. 0芯片選用 Philip s 公 司的 ISP1581。 ISP1581與 TMS320F2812的連接電路 圖如圖 8所示 。 ISP1581在上電時 , 通過 BU S_CONF , MODE0,MOD E1對接口進行設(shè)置 , 本設(shè)計中 BU S_CON

18、F 通過電阻連接至高電平 ,ISP1581工作在通用處理器模式 ,AD07是 8位地址總線 ,DA TA01559現(xiàn)代電子技術(shù) 2010年第 1期總第 312期 通信與信息技術(shù)是獨立的數(shù)據(jù)總線 。 MOD E0設(shè)為 1, 因此讀寫選通信 號為 8051類型 。 TMS320F2812的 XCS0AND1作為ISP1581的片選信號 。 RREF 引腳通過 12k 的精密 電阻 接 地 , 提 供 精 確 的 鏡 像 電 流 。 RPU 引 腳 通 過 1. 5k 電阻器上拉 10 。圖 8 ISP1581與 DSP 的 USB 接口電路3 結(jié) 語采集裝置 , 以便檢定繼電保護測試儀的性能指標是

19、否滿 足設(shè)計要求 。 文中重點介紹了數(shù)據(jù)采集裝置的整體架 構(gòu) 、 基于 DSP 的數(shù)據(jù)采集裝置的硬件組成和電路設(shè)計 。該數(shù)據(jù)采集裝置可以精確采集繼電保護測試儀的各項 數(shù)據(jù) , 為繼電保護測試儀的檢定裝置奠定了技術(shù)基礎(chǔ) 。參 考 文 獻1金明 , 蘭勇 , 袁博強 . 微機型繼電保護測試裝置的功能與現(xiàn)狀 J.繼電器 ,2001,29(3 :124,46.2DL/T62421997. 繼電保護微機型試驗裝置技術(shù)條件 S.3袁瑞銘 , 趙景京 , 丁恒春 , 等 . 微機型繼電保護測試儀檢測技術(shù)研究 J.華北電力技術(shù) ,2007(6 :30232.4Texas Instruments 公司 . AD

20、S8515數(shù)據(jù)手冊 Z.2007. 5蘇奎峰 , 呂強 , 耿慶峰 . 原理與開發(fā) M .北京 :6. 2000., , . 電力系統(tǒng)交流電參量檢測系統(tǒng)的研:自然科學版 ,2008(4 :45248.邵玉槐 , 謝鵬海 , 張德志 . 基于 TMS320F2812DSP 的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計 J.電測與儀表 ,2009(2 :48251.9蕭 世 文 . USB 2. 0硬 件 設(shè) 計 M .北 京 :清 華 大 學 出 版社 ,2004.10張 建 鵬 , 解 國 明 , 李 剛 . 基 于 ISP1581型 接 口 電 路 的USB 2. 0接口電路設(shè)計 J.國外電子元器件 , 2005(9 :7210.作者簡介 王 磊 男 ,1984年出生 , 碩士研究生 。 研究方向為數(shù)字信號處理 。陳 瓊 男 ,1966年出生 , 副教授 。 長期從事電量檢測與無線通信的科研與教學工作 。 王博楠 男 ,1985年出生 , 大慶油田第五采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所工程師 。(上接第 92頁 (2 測量頻率低的信號時 , 可適當調(diào)整程序 , 延長 門限時間 , 減少原理上 ±1的相對誤差 。(3 測量頻率較高的信號時 , 可先對信號進行分 頻 , 再進行測量 。 6 結(jié) 語基于單片機設(shè)計