摘要：提出采樣系統(tǒng)的硬件采用AD73360型AD轉(zhuǎn)換器采集測(cè)量多路電壓和電流信號(hào)；使用TMS320F2812 DSP芯片實(shí)現(xiàn)高速同步采樣及電力參數(shù)在時(shí)域的計(jì)算；給出了AD73360和TMS320F2812的硬件接口電路。采樣系統(tǒng)軟件使用IQmath Library以實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算與定點(diǎn)程序代碼的無(wú)縫接口．簡(jiǎn)化了程序開(kāi)發(fā)，采用C語(yǔ)言編程．給出了主程序、多通道緩沖串行接口(McBSP)初始化過(guò)程等的流程圖。論述了采樣接收中斷、電力參數(shù)的時(shí)域計(jì)算、時(shí)域采樣數(shù)據(jù)處理等技術(shù)。通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的適用性和正確性。

0 引言

　　電力系統(tǒng)中經(jīng)常需要測(cè)量多路電壓及電流信號(hào)。當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)。必須采用同步技術(shù)才能保證采樣計(jì)算的。本文采用AD公司的AD73360（簡(jiǎn)稱73360）型AD轉(zhuǎn)換器及TI公司推出的2000系列DSP TMS320F2812（簡(jiǎn)稱F2812）很好地實(shí)現(xiàn)了高速同步采樣。并且實(shí)現(xiàn)了電力參數(shù)在時(shí)域的計(jì)算。73360使用6線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步串行接口與CPU接口。F2812支持6線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步串行接13，所以73360與DSP經(jīng)過(guò)極其簡(jiǎn)潔的連接后即可實(shí)現(xiàn)高速同步交流采樣。另外。由于單片73360具有6個(gè)同時(shí)采樣的模擬量輸入通道。所以特別適合于三相制電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)控類應(yīng)用系統(tǒng)。

 　 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般是在一塊印刷電路板上集成了模擬多路開(kāi)關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等器件，其原理框圖如圖1所示^[1]。這類系統(tǒng)雖然可以采集多路模擬信號(hào)，但其實(shí)只有一路A/D轉(zhuǎn)換器，為了能夠采集多路模擬信號(hào)，只能利用模擬多路開(kāi)關(guān)在多路模擬信號(hào)之間進(jìn)行切換。這樣做的好處是可以減少硬件成本和縮小板卡的尺寸，但是當(dāng)多個(gè)模擬信號(hào)巡回采樣時(shí)，各路信號(hào)之間必然存在采樣的時(shí)差。

　　本文利用AD73360、TMS320F2812設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包含6個(gè)以上可同時(shí)采樣的模擬通道，從而有效地減少了由于采樣時(shí)間不同而產(chǎn)生的相位誤差。

    本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡如圖2所示。A/D轉(zhuǎn)換器AD73360是一個(gè)包含6路模擬信號(hào)輸入通道的器件，每路通道均包含獨(dú)自的信號(hào)調(diào)理器、可編程放大器和16位的A/D轉(zhuǎn)換部分。這樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)多路模擬信號(hào)的同時(shí)采樣，以減小采樣的相位差。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)采用TMS320F2812，實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器AD73360的控制和讀取采樣數(shù)據(jù)，從而減少了邏輯控制電路。計(jì)算機(jī)接口電路采用RS232C和RS485標(biāo)準(zhǔn)串行口實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)之間的通信。

1.1 A/D轉(zhuǎn)換器AD73360

    　　73360是6通道模擬輸入的16位串行可編程A/D轉(zhuǎn)換器。由于采用Σ-△A/D轉(zhuǎn)換原理，具有良好的內(nèi)置抗混疊性能。所以對(duì)模擬前端濾波器的要求不高。用一階RC低通濾波器就能滿足要求。73360能保證6路模擬信號(hào)同時(shí)采樣。在變換過(guò)程巾延遲很小。并且無(wú)需CPU干預(yù)，從而有效地減少了由于采樣時(shí)間不同而產(chǎn)生的相位誤差。每個(gè)通道可以允許從直流到4 kHz的模擬信號(hào)通過(guò)。且能提供77 dB的信噪比。由于其采樣率和輸入信號(hào)增益都是可編程的。當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率為16.384 MHz時(shí)。采樣頻率可分別設(shè)置為64 kHz、32 kHz、16 kHz和8 kHz；增益可在O～38dB之間選擇。因而它既適合于大信號(hào)的應(yīng)用。也適合于小信號(hào)的應(yīng)用。73360還可以多片級(jí)聯(lián)使用，從而擴(kuò)充模擬輸入的通道數(shù)。多可級(jí)聯(lián)8片即48個(gè)通道。

1.1.1 AD73360同步串行通信接口SPORT概述

　　AD73360同步串行通信接口SPORT包含6條信號(hào)線，分別是串行數(shù)據(jù)輸出端SDO、數(shù)據(jù)輸出幀同步端SDOFS、串行數(shù)據(jù)輸入端SDI、數(shù)據(jù)輸入幀同步端SDIFS、同步時(shí)鐘SCLK和串行接口使能端SE。該接口有三種工作方式：編程、數(shù)據(jù)以及混合方式。AD73360以“時(shí)分多址”的模式輸入和輸出數(shù)據(jù)。其特點(diǎn)是每一個(gè)通道的輸出數(shù)據(jù)占用固定的時(shí)間片，即使該通道被關(guān)閉，該時(shí)間片也不會(huì)被其他通道占用，此時(shí)數(shù)據(jù)輸出端SDO處于三態(tài)。圖3顯示了六個(gè)通道全部打開(kāi)時(shí)數(shù)據(jù)輸出端SDO和數(shù)據(jù)輸出幀同步端SDOFS的時(shí)間波形，圖4則顯示了通道1、3、5打開(kāi)時(shí)的輸出時(shí)間波形。AD73360每次上電或復(fù)位以后，自動(dòng)進(jìn)入編程狀態(tài)，每一個(gè)采樣周期輸出一個(gè)數(shù)據(jù)輸出幀同步信號(hào)SDOFS，如圖5所示。這樣DSP可利用此幀同步脈沖給AD73360寫(xiě)入控制字。圖6為各管腳的信號(hào)時(shí)序圖^[2]。

1.1.2 AD73360控制寄存器

　　AD73360有8個(gè)控制寄存器，每個(gè)都是8位，如表1所示。其中前兩個(gè)控制寄存器CRA和CRB用來(lái)配置同步串行接口SPORT，可以設(shè)置數(shù)據(jù)率、主時(shí)鐘速率以及級(jí)聯(lián)芯片數(shù)目等參數(shù)。如果多個(gè)AD73360級(jí)聯(lián)，則其CRA和CRB的設(shè)置必須完全一致。其余6個(gè)寄存器用來(lái)控制各個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換器。

　　向這些控制寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，要遵循一定的格式?？刂谱值母袷饺绫?所示。其中各個(gè)部分的含義如下：
　　(1) :該位為高時(shí)，表明這是一個(gè)有效控制字。
　　(2) :讀寫(xiě)控制。
　　(3) 芯片地址：芯片級(jí)聯(lián)時(shí)用于確定接收數(shù)據(jù)的芯片。當(dāng)該地址為零時(shí)，表明當(dāng)前芯片接收該控制字；若不為零，則芯片將該數(shù)減一，并將控制字從SPORT發(fā)送給下一個(gè)芯片。
　　(4) 寄存器地址：選擇要寫(xiě)入數(shù)據(jù)的控制寄存器，見(jiàn)表1。
　　(5) 寄存器數(shù)據(jù)：寫(xiě)入或讀出的數(shù)據(jù)。

　　由于單片AD73360具有六個(gè)同時(shí)采樣的模擬量輸入通道，所以特別適合于三相制電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)控（三個(gè)相電壓和三個(gè)相電流同時(shí)采樣）以及電機(jī)控制等應(yīng)用系統(tǒng)。

1.2 數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812的多通道緩沖串口McBSP

　　McBSP能與多種串行接口器件直接通信，工作方式靈活，但同時(shí)也造成端口配置復(fù)雜。McBSP具有38個(gè)寄存器，由此可見(jiàn)其復(fù)雜程度。這些寄存器可分成四大類：數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器、多通道寄存器和FIFO寄存器。要使McBSP正確工作，必須配置好這些寄存器，這就需要對(duì)McBSP的工作機(jī)制有深刻的理解。表3列出了部分寄存器，大部分屬于數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器，是在非FIFO和非多通道方式下需要用到的寄存器^[4]。值得注意的是，PCR和MFFINT雖然分別屬于多通道和FIFO寄存器，但是在非FIFO和非多通道方式下依然要用到。

　　這些寄存器中每一位的詳細(xì)含義請(qǐng)參閱TMS320F2812技術(shù)手冊(cè)，其中一些重要參數(shù)將在下面提到。

　　在圖2所示的系統(tǒng)框圖中，A/D轉(zhuǎn)換器AD73360將模擬輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，TMS320F2812負(fù)責(zé)從AD73360讀取數(shù)字量并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果則通過(guò)RS232C和RS485標(biāo)準(zhǔn)串行口傳輸給上位機(jī)。在這個(gè)系統(tǒng)中，難點(diǎn)在于AD73360與TMS320F2812的接口設(shè)計(jì)。

　　AD73360具有一個(gè)同步串行通信接口SPORT與上位機(jī)通信，該接口可以很好地兼容現(xiàn)在大多數(shù)的DSP。本文利用TMS320F2812的多通道緩沖串口McBSP與AD73360進(jìn)行通信。

　　根據(jù)對(duì)AD73360的同步串行通信接口SPORT的分析可知，在首次上電和復(fù)位后AD73360便進(jìn)入編程狀態(tài)，自動(dòng)產(chǎn)生輸出幀同步信號(hào)，該信號(hào)不受外部器件的影響。所以在AD73360與TMS320F2812的通信接口中，AD73360應(yīng)為主設(shè)備，TMS320F2812應(yīng)為從設(shè)備。主從關(guān)系確定以后，才可以確定信號(hào)線的連接方式和程序設(shè)計(jì)。
　　兩者之間的信號(hào)線連接方式如圖7所示，AD73360的輸出幀同步端SDOFS不僅連接到DSP的兩個(gè)幀同步端MFSRA和MFSXA，而且還連接到自己的輸入幀同步端SDIFS。其同步時(shí)鐘SCLK端也同時(shí)連到DSP的兩個(gè)時(shí)鐘端MCLKXA和MCLKRA。另外，DSP的兩個(gè)通用I/O端口GPIOA0、GPIOA1則連接到AD73360的復(fù)位端和串行接口使能端SE，實(shí)現(xiàn)對(duì)AD73360的控制。

2.1.2 DSP的McBSP配置

　　DSP程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在TI公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS2.0下調(diào)試通過(guò)。程序流程如圖8所示，主要包括DSP端口（GPIO和McBSP）初始化、AD73360初始化（復(fù)位和輸出控制命令）、等待接收A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等步驟。

　　初始化AD73360的流程如圖9所示。TMS320F2812與AD73360接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的部分是AD73360的初始化。由于AD73360是主設(shè)備，TMS320F2812是從設(shè)備，所以幀同步信號(hào)由AD73360發(fā)出。TMS320F2812需要在每個(gè)幀同步信號(hào)到來(lái)之前準(zhǔn)備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)，要做到這一點(diǎn)，首先，在AD73360開(kāi)始工作前將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送寄存器DXR1中；然后，將AD_SE置為高電平，AD73360的SPORT開(kāi)始工作。當(dāng)幀同步信號(hào)到來(lái)后，DSP將數(shù)據(jù)發(fā)送給AD，同時(shí)接收數(shù)據(jù)。隨后及時(shí)將下一個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送寄存器DXR1中。這樣在每一個(gè)幀同步信號(hào)到來(lái)時(shí)，DXR1中都有正確的數(shù)據(jù)以供發(fā)送。

　　如果想要增加模擬通道的數(shù)目，可以將多片AD73360級(jí)聯(lián)起來(lái)。如圖10所示，兩片AD73360級(jí)聯(lián)起來(lái)可以獲得12個(gè)模擬通道。AD73360片1的SDI接DSP的MDXA，SDO、SDOFS分別接片2的SDI、SDIFS。AD73360片2的SDO接DSP的MDRA、SDOFS則接片1的SDIFS和DSP的MFSXA、MFSRA。數(shù)據(jù)的流程可以歸納為：(1)流出DSP方向：DSP→AD73360片1→AD73360片2；(2)流入DSP方向：AD73360片1→AD73360片2→DSP。

　　采樣數(shù)據(jù)的輸出時(shí)序如圖11所示，兩片AD73360交替輸出。

　　DSP程序的設(shè)計(jì)中，初始化GPIO和McBSP部分均與上文單片AD的情況比較類似，但是初始化AD73360部分不盡相同，如圖12所示。

　　兩片AD級(jí)聯(lián)時(shí)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于控制字的輸出必須交替進(jìn)行，即先輸出AD73360片2的一個(gè)控制字，再輸出片1的一個(gè)控制字，順序不可顛倒，直到所有的控制字發(fā)送完。根據(jù)DSP輸出數(shù)據(jù)的流程，其發(fā)出的控制字先到片1。片1接到片2的控制字時(shí)，驗(yàn)證該控制字的芯片地址位不為0，將該地址位減1，在下一個(gè)幀同步信號(hào)到來(lái)時(shí)發(fā)給片2，而此時(shí)片1也接收到了自己的控制字。CRB和CRA控制AD芯片的工作模式和啟動(dòng)，必須配置成一樣，并且同時(shí)到達(dá)各自的AD芯片。若不同時(shí)到達(dá)，則片1和片2不能同時(shí)啟動(dòng)工作，接口設(shè)計(jì)失敗。