基于DSP的繼電保護(hù)測(cè)試儀信號(hào)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.3 A／D轉(zhuǎn)換電路與DSP接口電路的設(shè)計(jì)

A／D轉(zhuǎn)換器是模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的核心器件，在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中占有重要地位。如果模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)低時(shí)，將引起較大的測(cè)量誤差，本裝置選用德州儀器(TI)公司的A／D芯片ADS8515作模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS8515是采樣率為250 KSPS的16位并行A／D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍能達(dá)到±10 V。ADS8515屬于逐次逼近寄存器型(簡(jiǎn)稱(chēng)SAR型)A／D轉(zhuǎn)換器，這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器通過(guò)輸入的模擬信號(hào)與比較器逐次比較來(lái)輸出數(shù)字信號(hào)，是目前應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)換器類(lèi)型。SAR型A／D轉(zhuǎn)換器的功耗比較低，體積比較小，而且A／D內(nèi)部通常具有采樣保持器，它可以維持采樣電壓直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，且其轉(zhuǎn)換速率很快。ADS8515和DSP的接口電路如圖4所示。

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(lái)實(shí)現(xiàn)隔離功能。ADS8515的控制是通過(guò)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(xún)來(lái)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)。

2.4 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(lái)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(lái)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。圖5中，K3C為繼電器，用作開(kāi)關(guān)使用，用來(lái)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(guò)大而擊穿MAX998。

2.5 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(zhuān)門(mén)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最大為1 A的電流。TPS767D318同時(shí)具有電壓監(jiān)測(cè)功能。電源電路的設(shè)計(jì)如圖6所示。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(wú)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(guò)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(xiàn)監(jiān)控，并能在TMS320F2812的開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS中把程序下載到DSP芯片進(jìn)行硬件仿真。JTAG接口的原理圖如圖7所示。

2.6通訊模塊設(shè)計(jì)

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(kāi)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(xiàn)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。本文選用專(zhuān)用的USB接口芯片來(lái)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的連接電路圖如圖8所示。ISP1581在上電時(shí)，通過(guò)BUS_CONF，MODE0，MODE1對(duì)接口進(jìn)行設(shè)置，本設(shè)計(jì)中BUS CONF通過(guò)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(xiàn)，DATA[0～15]是獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線(xiàn)。MODE0設(shè)為1，因此讀寫(xiě)選通信號(hào)為8051類(lèi)型。TMS320F2812的XCS0AND1作為ISP1581的片選信號(hào)。RREF引腳通過(guò)12 kΩ的精密電阻接地，提供精確的鏡像電流。RPU引腳通過(guò)1.5 kΩ電阻器上拉。

3結(jié)語(yǔ)

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(mǎn)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)采集裝置可以精確采集繼電保護(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)。