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繼電保護(hù)測(cè)試儀信號(hào)采集裝置硬件設(shè)計(jì)
日期：2010-12-02瀏覽：1067次
隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)使用的繼電保護(hù)測(cè)試儀種類繁多，但是由于繼電保護(hù)測(cè)試儀自身的性能直接影響著對(duì)繼電保護(hù)裝置，因此測(cè)試儀的工作性能和穩(wěn)定性尤為重要。
雖然DL/T*-1997《繼電保護(hù)微機(jī)型試驗(yàn)裝置技術(shù)條件》對(duì)繼電保護(hù)試驗(yàn)裝置提出了明確的要求，規(guī)定了定期檢驗(yàn)周期和檢驗(yàn)項(xiàng)目，但因?yàn)闆]有相關(guān)的檢測(cè)規(guī)程或規(guī)范，也沒有現(xiàn)成的檢測(cè)裝置，這為繼電保護(hù)測(cè)試儀的驗(yàn)收和周檢帶來了一定的困難。
因此，需要這樣一種數(shù)據(jù)采集裝置來采集繼電保護(hù)測(cè)試儀的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以便上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對(duì)繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行檢定。
系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集裝置專門用于繼電保護(hù)測(cè)試儀器各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集。設(shè)計(jì)選用DSP作為數(shù)據(jù)采集裝置的核心控制器。系統(tǒng)由電壓、電流采樣電路，信號(hào)放大，低通濾波，同步信號(hào)的獲取與識(shí)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(jìn)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ADS8515。主控制芯片選用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812。
TMS320F2812是32位定點(diǎn)高速數(shù)字處理器，zui高工作頻率150 MHz，該芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有六條獨(dú)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(yùn)算。因此TMS320F2812的計(jì)算速度非常高，可以滿足系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)性要求。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(hào)。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(yùn)放OPA2277組成電壓和電流采樣電路。T1為電壓互感器。電壓互感器出來的信號(hào)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(hào)分別送入AD7502的另外7個(gè)輸入引腳。
程控濾波電路設(shè)計(jì)
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(hào)的模擬開關(guān)。濾波電路選用OPA2277來實(shí)現(xiàn)。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，GPIOB5輸出不同值來控制AD7502不同通道的接通，從而將8路信號(hào)依次送人兩片A/D轉(zhuǎn)換器。
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(zhuǎn)換芯片74LVC245來實(shí)現(xiàn)隔離功能。ADS8515的控制是通過對(duì)片選信號(hào)CS、啟動(dòng)信號(hào)R/C以及對(duì)狀態(tài)信號(hào)BUSY的查詢來實(shí)現(xiàn)的。BUSY，CS，R/C，分別接DSP的中斷信號(hào)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(shù)據(jù)輸出時(shí)兩DSP數(shù)據(jù)的串?dāng)_，采用將另一個(gè)DSP的片選信號(hào)CS和啟動(dòng)信號(hào)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(shù)據(jù)。
同步信號(hào)獲取與識(shí)別電路設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的交流同步采樣，本方案的設(shè)計(jì)電路如圖5所示。方案選用多個(gè)OPA2277和比較器MAX998來組成信號(hào)的獲取與識(shí)別電路，從而克服了非整周期采樣帶來的頻率泄露誤差，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣和等間隔采樣，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(hào)和一路交流電流信號(hào)。OPA2277組成放大和濾波電路。二極管D2，D3的作用是保護(hù)比較器MAX998，防止電壓過大而擊穿MAX998。
DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
DSP系統(tǒng)主要由DSP芯片、電源電路、時(shí)鐘電路、仿真和測(cè)試電路組成。由于TMS320F2812的電源系統(tǒng)既有3.3 V的數(shù)字和模擬電源，又有1.8 V的數(shù)字電源，電源的安全和可靠是系統(tǒng)運(yùn)行的根本保證，所以需要將常用的5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.8 V電源。本設(shè)計(jì)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(jì)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zui大為1 A的電流。TPS767D318同時(shí)具有電壓監(jiān)測(cè)功能。此外，DSP的每個(gè)電源和地引腳不能懸空，數(shù)字模擬地要分離設(shè)計(jì)。
由于本系統(tǒng)對(duì)時(shí)序的要求比較敏感，所以本系統(tǒng)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(duì)無源晶振信號(hào)質(zhì)量更好，而且比較穩(wěn)定，連接方式相對(duì)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(duì)DSP系統(tǒng)進(jìn)行硬件仿真時(shí)，可以通過JTAG邊界掃描接口對(duì)DSP內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器和控制寄存器進(jìn)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(jìn)行硬件仿真。
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、安裝麻煩以及通用性和可移植性差等缺點(diǎn)，而且PC機(jī)上的插槽數(shù)量、地址、終端資源有限，導(dǎo)致這種方式的可擴(kuò)展性差。目前，廣泛應(yīng)用的USB總線接口具有安裝方便、高帶寬、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已成為計(jì)算機(jī)接口的主流。本文選用的USB接口芯片來完成DSP與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。
USB 2.0芯片選用PHILIPS公司的ISP1581。ISP1581與TMS320F2812的連接電路。ISP1581在上電時(shí)，通過BUS_CONF，MODE0，MODE1對(duì)接口進(jìn)行設(shè)置，本設(shè)計(jì)中BUS CONF通過電阻連接至高電平，ISP1581工作在通用處理器模式，AD[0～7]是8位地址總線，DATA[0～15]是獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線。MODE0設(shè)為1，因此讀寫選通信號(hào)為8051類型。TMS320F2812的XCS0AND1作為ISP1581的片選信號(hào)。RREF引腳通過12 kΩ的精密電阻接地，提供的鏡像電流。RPU引腳通過1.5 kΩ電阻器上拉。
研制了一種基于DSP技術(shù)的繼電保護(hù)測(cè)試儀信號(hào)采集裝置，以便檢定繼電保護(hù)測(cè)試儀的性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。文中重點(diǎn)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(jì)。該數(shù)據(jù)采集裝置可以采集繼電保護(hù)測(cè)試儀的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，為繼電保護(hù)測(cè)試儀的檢定裝置奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
