摘要：介紹了一種以DSP" title="DSP">DSP芯片TMS320C6711D" title="TMS320C6711D">TMS320C6711D為處理核心，輔以高速A／D芯片ADS8364，實現電力系統" title="電力系統">電力系統多通道同步采樣分析的系統結構，著重介紹系統的硬件設計，通過測試及使用表明，該設計使用方便、實時性好、抗干擾性強、測量精度高、性價比優，可在電力系統中廣泛使用。
關鍵詞：DSP；交流同步采樣；電能質量
基本電量的采集作為電力系統實時控制、監測、調度自動化的前提環節，毫無疑問具有重要的作用。如何準確快速地采集電力系統中的各個模擬量并加以分析，以達到實時報警甚至預防事故發生的目的，是電力系統研究中的熱點。
文章描述的采樣分析系統選用美國TI公司的TMS320C6711D作為主要的計算核心器件，該芯片具有900 MHz FLOPS高速浮點運算能力和類似RISC的指令集，采用VeloeiTI先進VLIW結構內核：8個獨立的功能單元，6個ALU，2個乘法器，浮點支持IEEE標準單精度和雙精度浮點運算，可以每周期執行8條32 bit指令，帶有32個32 bit通用寄存器。
A／D轉換電路的核心是芯片ADS8364，ADS8364是一種高速、低功耗、6通道同步采樣轉換器件，它是16位高速并行接口的模數轉換芯片。每片ADS8364由3個轉換速率為250 ks·s-1的ADC構成，每個ADC有2個模擬輸人通道，每個通道都帶有采樣保持器，3個ADC可組成3對模擬輸入，可對其中的輸入信號同時采樣保持。另外，引腳內部還帶有2．5 V電壓接口，可用以提供基準電壓。由于6個通道可以同時采樣，因而適用于需同時采集多種信號的應用場合。
當ADS8364采用5 MHz的外部時鐘來控制轉換時，它的取樣率是250 kHz，同時對應4μs的最大吞吐率，即采樣和轉換共需花費20個時鐘周期。因此，為了得到最大的輸出數據率，讀取數據可以在下一個轉換期間進行。
1 基于DSP和高速A／D的系統設計
整個系統可分為三相同步鎖相電路、A／D轉換電路、DSP核心部分電路以及HPI總線連接等4大部分組成。實現數據采集以及各種核心算法，并可以通過高速數據總線(HPI)將計算所得的數據實時傳遞。原理圖如圖1所示。
1．1 三相同步鎖相電路
同步電路主要完成頻率跟蹤的功能，該電路可以保證在一個工頻周期內為A／D提供256點的采樣信號，從而實現同步鎖相的功能。
如圖2所示，通過電壓互感器得到的電壓信號經過隔直濾波電路，然后進入過零比較器，得到一個與輸入信號同頻率的TTL電平的方波信號后，再經過整形電路，得到一個上升沿陡峭、波形規則并且頻率與輸入電壓信號相同的CMOS電平方波，進入選相電路。
選相電路能自動選擇有電壓的相別，并根據選中相別的電壓產生過零信號提供給后續的PLL電路，以實現256倍的鎖相倍頻采樣。在頻率變化的情況下，電路也能保證每周波256點的采樣。選相電路以A相電壓作為最優先考慮的相別，當A相有電壓時將A相過零信號作為同步信號，閉鎖B、C相；A相掉電后，以B相過零信號作為同步信號，閉鎖C相；A、B相同時掉電，以C相過零信號作為同步信號。在相間進行同步信號切換時，由于電路參數以及線路本身的延時，會出現一段閉鎖的空白，這時將產生一個中斷信號通知DSP，由DSP提供這個空白時間的同步采樣信號。當三相電壓全部失去后，則由DSP自主產生同步采樣信號，以50 Hz工頻進行256點采樣，如圖2所示。
1．2 A／D模數轉換電路
模擬變換、信號調理及A／D轉換構成整個A／D模數轉換電路，此電路是整個采樣系統的基礎，它實現了電壓互感器、電流互感器二次側的信號隔離、變換適合于A／D采樣的模擬輸入信號，如圖2所示。A／D轉換器則將經過調理的模擬信號轉換成DSP能夠識別的對應的二進制數字信息。
互感器信號采用差分輸入方式，這種輸入方式抗干擾能力很強。其連接的原理圖如圖3所示。當±Vin輸入最大為-2．5～2．5 V的交流信號，Vref使用+2．5 V的基準時，使得調理輸出±Vout范圍在0～5 V，該電路參數可以正好滿足所選A／D芯片ADS8364的輸入要求。
A／D轉換結束后產生一個中斷信號EOC通知DSP讀取數據，DSP通過地址選擇相應A／D芯片及相關通道后，將16位數據讀回。DSP以A／D轉換器采集轉換后的三相電壓、三相電流實時數據作為計算基礎。
1．3 DSP核心部分電路
DSP及其外圍接口電路是整個系統的核心，它由32位浮點DSP、振蕩器+鎖相倍頻器、電壓監測及看門狗電路、片外SDRAM、片外Flash、片外鐵電存儲器等電路組成。如圖4所示，電路實現了整個系統的上電復位、看門狗、電壓檢測以及擴展管理芯片對系統復位的功能。
外部的25 MHz振蕩器通過倍頻芯片和二進制計數器分別對DSP和AD轉換器提供同步的150 MHz和3．125 MHz工作時鐘。
DSP在上電復位以后，首先通過EDMA方式自動加載Flash前1 kB的Bootload程序，在該Bootload程序里寫入后續加載程序的入口地址，即可實現應用程序的自動加載工作。之后對SDRAM進行自檢，以避免SDRAM單元出錯造成工作不正常或數據出錯，同時SDRAM也是DSP存儲A／D采樣數據、進行數據運算輸出的中間及最終結果、通信等數據緩存的場所。
FRAM可以實現在失電下保存數據，并且讀寫次數超過1012次，可以實現無延時寫入。該FRAM通過DSP的McBSP接口相連，存儲ADC每個模擬通道的DC偏移、精度修正的數據以及運行時的接線方式等參數。
DSP處理完成的數據，通過其內部集成的主機接口(HPI)與上位機進行數據交互，主機可以通過DMA或EDMA方式隨機或整塊地訪問共享RAM7。
2 采樣系統的軟件設計
系統的軟件設計基于TMS320C6711D芯片指令集，充分利用其高速，支持浮點運算，流水線操作等特點，采用C語言和匯編語言混合編程，遵循模塊化、自頂向下、逐步細化的編程思想。程序使用模塊化設計，主要包括采集模塊、主循環模塊和HPI交互協議模塊3大模塊，流程框圖分別如圖5～圖7。
主循環模塊中首先對DSP的CPU和外設進行初始化和自檢，DSP在系統初始化以后一直輸出軟件同步信號，由CPLD來判斷選擇ADC的采樣信號為硬件輸出的同步采樣信號還是DSP輸出的采樣信號；并將自檢結果存放在HPI交互協議模塊的自檢結果區供擴展MCU讀取。
在中斷服務子程序中，DSP將ADC轉換后所得數據讀入所分配的數據緩沖區，待總采集時間到后，以數據就緒標志通知主循環模塊可以提取數據用于計算。主循環模塊對數據進行處理，再調用各計算子程序，計算電力系統基本量以及電能質量其他各項指標，并將計算結果存放在緩沖區內，當一個主循環完成后再將結果搬運至HPI的數據交互區供擴展MCU進行讀取。程序框圖如圖5～圖7所示。
3 結束語
本系統已經通過各種功能測試，并在國內某知名電表公司的電能質量監測儀產品上成功使用，精確檢測電壓電流有效值、功率、2～50次電壓電流諧波的有效值、相位、電壓波動與閃變、三相不平衡等各項電能質量參數，基本精度達到0．2級，諧波監測精度達到A級。該設計方案使用方便、實時性好、抗干擾能力強、測量精度高、性價比優，可在電力系統中廣泛應用。