基于DSP的多通道同步DAS及其應(yīng)用

王世聞，吳捷，林炯康，馬藝瑋　　摘要：鑒于dsp在結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能上的特點(diǎn)，本文提出了一種基于dsp的多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)采用鎖相環(huán)（pll）實(shí)時(shí)頻率跟蹤實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采樣，采用專門的a/d芯片實(shí)現(xiàn)多通道的同步，采用專門的開關(guān)電容濾波器提高采樣系統(tǒng)的性能。通過(guò)初步的試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能，為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　關(guān)鍵詞：dsp,多通道,鎖相環(huán)
0前言　　近年來(lái)，集成電路技術(shù)和制造工藝的突飛猛進(jìn)，高速數(shù)字信號(hào)處理(dsp)技術(shù)的發(fā)展及其制造成本的降低，使數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在電力系統(tǒng)的各個(gè)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。依據(jù)目前我國(guó)電力系統(tǒng)的供電現(xiàn)狀，如何提高和保證電能質(zhì)量已經(jīng)是擺在我們面前的一項(xiàng)重大問(wèn)題。通過(guò)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，可以為改善電能質(zhì)量和制定有關(guān)電能質(zhì)量治理措施提供必要的依據(jù)，也為后續(xù)確定電能質(zhì)量治理裝置的相關(guān)技術(shù)參數(shù)提供重要的依據(jù)，正是這些迫切的需要使得電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)成為必然。用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也使得我們不得不在實(shí)時(shí)性、測(cè)量精度、運(yùn)算速度、處理能力以及自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化方面做些努力?！　”疚慕榻B了一種基于tms320f2812 dsp的多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了16-bit精度的a/d轉(zhuǎn)換芯片、32位定點(diǎn)dsp芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，另外還采用了專門的抗混疊濾波芯片，能夠靈活地設(shè)置和選擇濾波特性，以便能進(jìn)行比較精確的諧波測(cè)量。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有成本低、精度高、實(shí)時(shí)性好、處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且能實(shí)現(xiàn)基于鎖相環(huán)頻率跟蹤的多通道同步采樣，完全適合電力系統(tǒng)中進(jìn)行電量監(jiān)測(cè)。1系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1.1 系統(tǒng)框圖　　本系統(tǒng)包括以下六個(gè)部分：三相電壓、電流傳感器部分，輸入限幅單元，同步方波變換及鎖相環(huán)倍頻單元，濾波單元，a/d轉(zhuǎn)換單元以及中央cpu單元．　　該系統(tǒng)的cpu采用ti公司最新推出的tms320f2812 dsp芯片，其負(fù)責(zé)控制a/d芯片的采樣轉(zhuǎn)換以及對(duì)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果的處理，其中包括一些實(shí)現(xiàn)諧波測(cè)量和電壓波動(dòng)、閃變等的專門的軟件算法。a/d芯片采用ti公司為電力系統(tǒng)三相電壓控制專門生產(chǎn)的芯片ads8364，其提供的六個(gè)通道正好滿足三相電壓、三相電流控制的測(cè)量。fig1. block diagram of sample system1.2 原理介紹　　來(lái)自三相電壓電流傳感器的低電壓信號(hào)（共6路），經(jīng)由輸入限幅單元后先進(jìn)行信號(hào)的濾波處理，然后由專門的采樣芯片ads8364進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，同時(shí)，將限幅單元輸出信號(hào)經(jīng)一定處理后引至鎖相環(huán)模塊（pll）以便進(jìn)行頻率跟蹤，此頻率倍頻后將提供給ads8364作為采樣點(diǎn)的控制信號(hào)，a/d轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送到dsp進(jìn)行運(yùn)算處理。1.3 a/d轉(zhuǎn)換芯片ads8364以及tms320f2812 dsp的特點(diǎn)及性能　　ads8364是ti公司生產(chǎn)的一款特別適合于三相電壓控制的a/d芯片，其具有以下特點(diǎn)：　　1）提供6個(gè)輸入通道，且各通道獨(dú)立工作，配置6個(gè)獨(dú)立的16-bit adc，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)六個(gè)通道的同步采樣。全部通道均采用差分輸入方式，共模抑制比高（50khz時(shí)達(dá)到80db）?！　?）4μs的單通道通過(guò)時(shí)間，最大250khz的轉(zhuǎn)換速度，完全滿足電力系統(tǒng)中進(jìn)行電量監(jiān)測(cè)的采樣速度要求。　　3）450mw超低功耗，5v工作電源，數(shù)字信號(hào)接口采取5v、3.3v兩種電平模式，可以很方便地連接到ttl或cmos電平控制。　　tms320f2812是ti公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)dsp芯片，其特點(diǎn)如下：　　1）采用多總線哈佛結(jié)構(gòu)，有6級(jí)深度流水線。該芯片最高可在150mhz主頻下工作，并帶有18k×16位等待周期片上sram和128k×16位片上flash。同時(shí)tms320f2812帶有存儲(chǔ)擴(kuò)展總線，可外擴(kuò)大于1m×16位程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器?！　?）豐富的片上外設(shè)，其中包括：2×8路12位adc（最快80ns轉(zhuǎn)換時(shí)間）、2路sci、1路spi、1路mcbsp、1路ecan，兩個(gè)事件管理模塊（eva、evb），分別包括6路pwm輸出、2路qep、3路cap輸入、2個(gè)16位定時(shí)器（txpwm/txcmp）。另外，該器件還有3個(gè)獨(dú)立的32位cpu定時(shí)器，以及多達(dá)56個(gè)獨(dú)立編程的gpio引腳。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1 輸入限幅單元　　為了使得a/d芯片安全工作，出于保護(hù)器件的需要，通常要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限幅，其詳細(xì)電路可參考相關(guān)資料。2.2 抗混疊濾波　　奈奎斯特定理指出：時(shí)間連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)時(shí)，需要在一個(gè)周期內(nèi)的采樣次數(shù)多于2次。如果采樣次數(shù)不夠，將無(wú)法恢復(fù)丟失的信息。以200khz采樣率對(duì)190khz信號(hào)進(jìn)行采樣的情況，所得信號(hào)是一個(gè)完好的正弦波，但頻率是錯(cuò)誤的。頻率的改變正是由于混疊現(xiàn)象導(dǎo)致的。圖3給出了混疊現(xiàn)象在頻域的表現(xiàn)形式，所有頻率f高于fs/2(fs為采樣頻率)的信號(hào)均將映像到fs/2區(qū)域內(nèi)。實(shí)際應(yīng)用中一般考慮采樣頻率為原始信號(hào)頻率的3～4倍?！　∮纱丝梢?jiàn)，帶外雜散高頻成分引起