基于DSP的多通道同步DAS及其應用

王世聞，吳捷，林炯康，馬藝瑋　　摘要：鑒于dsp在結構和技術性能上的特點，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)的設計方法。該系統(tǒng)采用鎖相環(huán)（pll）實時頻率跟蹤實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采樣，采用專門的a/d芯片實現(xiàn)多通道的同步，采用專門的開關電容濾波器提高采樣系統(tǒng)的性能。通過初步的試驗，驗證了系統(tǒng)的性能，為進一步的研究奠定了基礎。
　　關鍵詞：dsp,多通道,鎖相環(huán)
0前言　　近年來，集成電路技術和制造工藝的突飛猛進，高速數(shù)字信號處理(dsp)技術的發(fā)展及其制造成本的降低，使數(shù)字信號處理技術在電力系統(tǒng)的各個研究領域得到了廣泛的應用。依據(jù)目前我國電力系統(tǒng)的供電現(xiàn)狀，如何提高和保證電能質量已經是擺在我們面前的一項重大問題。通過對電能質量進行在線實時監(jiān)測和分析，可以為改善電能質量和制定有關電能質量治理措施提供必要的依據(jù)，也為后續(xù)確定電能質量治理裝置的相關技術參數(shù)提供重要的依據(jù)，正是這些迫切的需要使得電能質量在線監(jiān)測成為必然。用戶對電能質量的要求也使得我們不得不在實時性、測量精度、運算速度、處理能力以及自動化、網絡化方面做些努力?！　”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)的設計思路，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了16-bit精度的a/d轉換芯片、32位定點dsp芯片進行數(shù)據(jù)的處理，另外還采用了專門的抗混疊濾波芯片，能夠靈活地設置和選擇濾波特性，以便能進行比較精確的諧波測量。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有成本低、精度高、實時性好、處理能力強等優(yōu)點，且能實現(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)中進行電量監(jiān)測。1系統(tǒng)的基本結構1.1 系統(tǒng)框圖　　本系統(tǒng)包括以下六個部分：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，其負責控制a/d芯片的采樣轉換以及對a/d轉換結果的處理，其中包括一些實現(xiàn)諧波測量和電壓波動、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的芯片ads8364，其提供的六個通道正好滿足三相電壓、三相電流控制的測量。fig1. block diagram of sample system1.2 原理介紹　　來自三相電壓電流傳感器的低電壓信號（共6路），經由輸入限幅單元后先進行信號的濾波處理，然后由專門的采樣芯片ads8364進行a/d轉換，同時，將限幅單元輸出信號經一定處理后引至鎖相環(huán)模塊（pll）以便進行頻率跟蹤，此頻率倍頻后將提供給ads8364作為采樣點的控制信號，a/d轉換的數(shù)據(jù)送到dsp進行運算處理。1.3 a/d轉換芯片ads8364以及tms320f2812 dsp的特點及性能　　ads8364是ti公司生產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：　　1）提供6個輸入通道，且各通道獨立工作，配置6個獨立的16-bit adc，可以實現(xiàn)對六個通道的同步采樣。全部通道均采用差分輸入方式，共模抑制比高（50khz時達到80db）。　　2）4μs的單通道通過時間，最大250khz的轉換速度，完全滿足電力系統(tǒng)中進行電量監(jiān)測的采樣速度要求?！　?）450mw超低功耗，5v工作電源，數(shù)字信號接口采取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?！　ms320f2812是ti公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點dsp芯片，其特點如下：　　1）采用多總線哈佛結構，有6級深度流水線。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tms320f2812帶有存儲擴展總線，可外擴大于1m×16位程序和數(shù)據(jù)存儲器?！　?）豐富的片上外設，其中包括：2×8路12位adc（最快80ns轉換時間）、2路sci、1路spi、1路mcbsp、1路ecan，兩個事件管理模塊（eva、evb），分別包括6路pwm輸出、2路qep、3路cap輸入、2個16位定時器（txpwm/txcmp）。另外，該器件還有3個獨立的32位cpu定時器，以及多達56個獨立編程的gpio引腳。2系統(tǒng)的硬件設計2.1 輸入限幅單元　　為了使得a/d芯片安全工作，出于保護器件的需要，通常要對輸入信號進行限幅，其詳細電路可參考相關資料。2.2 抗混疊濾波　　奈奎斯特定理指出：時間連續(xù)信號轉換成離散信號時，需要在一個周期內的采樣次數(shù)多于2次。如果采樣次數(shù)不夠，將無法恢復丟失的信息。以200khz采樣率對190khz信號進行采樣的情況，所得信號是一個完好的正弦波，但頻率是錯誤的。頻率的改變正是由于混疊現(xiàn)象導致的。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)的信號均將映像到fs/2區(qū)域內。實際應用中一般考慮采樣頻率為原始信號頻率的3～4倍?！　∮纱丝梢?，帶外雜散高頻成分引起