高速AD轉(zhuǎn)換器ADS8364在電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)電網(wǎng)的逐步發(fā)展，如何保證優(yōu)良的電能質(zhì)量成為一項(xiàng)重要的工作。電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)參數(shù)的變化，故可為改善電網(wǎng)電能質(zhì)量提供實(shí)際依據(jù)。傳統(tǒng)的監(jiān)控裝置對(duì)目前一些高頻的復(fù)雜暫態(tài)量的采集與處理還相對(duì)困難，所以研制一種高速的、處理能力強(qiáng)大的監(jiān)控系統(tǒng)有著重要的意義。為此，本文以TMS320F2812型DSP為控制核心設(shè)計(jì)了一種電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。TMS320F2812是TI公司生產(chǎn)的32位定點(diǎn)DSP，它采用1.8 V的內(nèi)核電壓，具有3.3 V的外圍接口電壓，最高頻率150 MHz，片內(nèi)有18K字的RAM。由于在通常情況下，采集系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換器件的性能決定著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。所以本設(shè)計(jì)選用TI公司的ADS8364作為AD轉(zhuǎn)換模塊。ADS8364的最高頻率為5 MHz，對(duì)應(yīng)采樣頻率250kHz，可以滿足本采集系統(tǒng)的要求。

1 ADS8364的主要特性

ADS8364是一種高速、低功耗、6通道同步采樣轉(zhuǎn)換器件，它是16位高速并行接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。每片ADS8364由3個(gè)轉(zhuǎn)換速率為250 ksps的ADC構(gòu)成，每個(gè)ADC有2個(gè)模擬輸入通道，每個(gè)通道都帶有采樣保持器，3個(gè)ADC可組成3對(duì)模擬輸入，可對(duì)其中的輸人信號(hào)同時(shí)采樣保持。另外，引腳內(nèi)部還帶有2.5 V電壓接口，可用以提供基準(zhǔn)電壓。由于6個(gè)通道可以同時(shí)采樣，因而很適合用于需同時(shí)采集多種信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合。圖1所示是ADS8364的管腳排列圖。

ADS8364的6個(gè)模擬輸入通道可分為三組，分別為A、B和C組。每組都有一個(gè)保持信號(hào)(分別為HOLDA、EF和HOLDC)，以用于啟動(dòng)各組的A／D轉(zhuǎn)換。6個(gè)通道可以進(jìn)行同步并行采樣和轉(zhuǎn)換。當(dāng)ADS8364的HOLDX保持20 ns的低電平后，開始轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入輸出寄存器后，引腳EF的輸出將保持半個(gè)時(shí)鐘周期的低電平，以提示數(shù)據(jù)分析處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)換結(jié)果的接收，處理器通過置RD和CS為低電平可使數(shù)據(jù)通過并行輸出總線讀出。圖2所示為ADS8364的工作時(shí)序。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠，并具有足夠的抗干擾能力。裝置的信號(hào)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換由AD模塊和DSP來完成。待測(cè)線路上的信號(hào)先分別經(jīng)過變壓和信號(hào)調(diào)理，以使其變?yōu)檫m合采樣的信號(hào)，再進(jìn)入采樣模塊。采樣模塊要對(duì)高速交變模擬信號(hào)進(jìn)行采集，因此，本設(shè)計(jì)選用TI公司的高精度ADS8364為AD轉(zhuǎn)換芯片，并以TMS320F2812型DSP為控制核心，被測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理和同步采樣后再進(jìn)人數(shù)據(jù)處理單元。其采樣原理如圖3所示。

模擬通道輸入采用差分輸入方式來減少共模干擾，并采用電壓基準(zhǔn)芯片AD780來提供2.5 V的電壓基準(zhǔn)。其電路圖如圖4所示。

由于電力系統(tǒng)中的電壓電流信號(hào)一般不能直接送到A／D器件的輸入端進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而要先經(jīng)過降壓和信號(hào)調(diào)理等預(yù)處理。因此，本設(shè)計(jì)采用SCT254FK精密電流互感器來將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。其額定輸入電流為5 A，額定輸出電流為2.5 mA。信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。圖中，調(diào)整反饋電阻R1和R2的值可得到所需要的電壓輸出。電容C2及可調(diào)電阻R3是用來補(bǔ)償相移的。電容C3和C4是400～1000 pF的小電容，主要用以去耦和濾波。兩個(gè)反接的二極管D1和D2用以保護(hù)運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器視精度要求而定，本文使用精度和穩(wěn)定性都比較好的OP07。

AD的啟動(dòng)信號(hào)由DSP的時(shí)鐘輸出通過CPLD給出，同時(shí)，CPLD還將譯碼AD的片內(nèi)寄存器地址，以將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果直接映射到DSP的內(nèi)存空間。AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)經(jīng)過CPLD與DSP的外部中斷引腳相連，可用于通知DSP讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。

本設(shè)計(jì)中，ADS8364采用的是4 MHz時(shí)鐘。每通道的轉(zhuǎn)換速率最大可達(dá)200 ksps。將AD的地址線接到TMS320F2812的地址線，可在A0接數(shù)字地，而A2和A1接VCC時(shí)，使ADS8364進(jìn)入周期模式。在這個(gè)模式中，轉(zhuǎn)換器可自動(dòng)對(duì)六個(gè)通道進(jìn)行采樣，并可將數(shù)據(jù)以A0、A1、B0、B1、C0、C1的順序?qū)?yīng)傳送到輸出端。ADS8364與DSP的接口電路如圖6所示。

3 采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序分為兩個(gè)部分：一是系統(tǒng)初始化模塊，二是控制模塊。其中初始化模塊只在系統(tǒng)上電時(shí)執(zhí)行一次，主要是對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)寄存器的設(shè)置、中斷標(biāo)志和允許的設(shè)置、看門狗的設(shè)置、定時(shí)器初始化、捕獲單元初始化、液晶顯示初始化、I／O口的設(shè)置和初始化、E2PROM初始化等。系統(tǒng)初始化程序流程圖如圖7所示。初始設(shè)置完成并得到開機(jī)信號(hào)后，系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)。當(dāng)有中斷事件發(fā)生時(shí)，則進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序去完成測(cè)控功能。

控制系統(tǒng)的主要指令都可在定時(shí)器中完成。圖8所示是其定時(shí)器周期中斷服務(wù)程序流程圖。若定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值與定時(shí)器周期寄存器的值相等，則產(chǎn)生周期中斷請(qǐng)求。中斷被響應(yīng)后，系統(tǒng)將進(jìn)入中斷服務(wù)程序。當(dāng)其確認(rèn)中斷源正確后，首先啟動(dòng)外部A／D轉(zhuǎn)換器，以采集相應(yīng)的電能質(zhì)量信號(hào)，再對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與比較，最后開總中斷并返回。

4 結(jié)束語

本文介紹了高速AD轉(zhuǎn)換器ADS8364在以TMS320F2812型DSP為控制核心的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。ADS8364速度快，精度高，配合DSP強(qiáng)大的運(yùn)算功能可構(gòu)建性能優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，基于此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)控裝置，其工作十分穩(wěn)定可靠。