采用虛擬軟件與數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)故障錄波器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　來源：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，作者：劉景鵬；王大志；李??；孫化龍

引言

故障錄波器是提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要自動裝置，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或振蕩時(shí)，能自動記錄故障點(diǎn)前后一定時(shí)間內(nèi)各種電氣量的變化。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的故障錄波器采用虛擬軟件與數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合的方法，其缺點(diǎn)是必須依靠計(jì)算機(jī)來進(jìn)行計(jì)算分析，設(shè)備移動不方便，而且數(shù)據(jù)采集卡的價(jià)格也比較高，使得產(chǎn)品應(yīng)用有一定的局限性。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的是一種基于DSP和A／D轉(zhuǎn)換器件相結(jié)合的故障錄波器，所用的A／D轉(zhuǎn)換器件不能同步轉(zhuǎn)換6路信號，所測結(jié)果之間有一定的延遲。針對以上缺點(diǎn)，現(xiàn)采用DSP和AD7656相結(jié)合的方法，通過外接LCD顯示波形和數(shù)據(jù)，使其可以作為手持設(shè)備使用，也可連接電腦通過LabWindows／CVI軟件在電腦上實(shí)時(shí)顯示，所用的AD7656具有的6路同步采樣特性克服了測量結(jié)果之間有延遲的缺點(diǎn)，提高了測量精度。

1 運(yùn)行原理及相關(guān)算法

綜合了此前所提出的各種性能指標(biāo)，故障錄波器采用硬件與軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，高速數(shù)據(jù)采集裝置以DSP-TMS320F28335為核心，利用TBC-LXH雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器和CHV-25P霍爾電壓傳感器對信號進(jìn)行采集，并采用高性能的AD7656完成對信號的A／D轉(zhuǎn)換，利用LCD進(jìn)行波形顯示并利用LabWindows／CVI軟件進(jìn)行控制。本裝置加LCD主要是考慮到可以在沒有電腦的情況下顯示電壓電流波形，方便操作。

此裝置由3部分組成：檢測部分、計(jì)算部分、上位機(jī)控制部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)運(yùn)行情況如下：首先電網(wǎng)的各項(xiàng)電壓電流通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，之后由檢測部分的電壓電流傳感器對電網(wǎng)三相電壓、電流等基本參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，所測的6路模擬量傳遞給AD7656；TMS320F28335控制AD7656將6路模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，DSP利用FFT算法對電壓電流的數(shù)字量進(jìn)行分析，提取出基波和各次諧波分量，并算出有功功率、無功功率和THD值，再傳遞給C8051F005單片機(jī)和終端計(jì)算機(jī)；外接于單片機(jī)的鍵盤控制LCD顯示波形，計(jì)算機(jī)利用LabWindows／CVI軟件進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的顯示、存儲和打印等。

本諧波分析方法采用快速傅立葉變換（FFT）。其在DSP的實(shí)現(xiàn)方法利用創(chuàng)建FFT的庫函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，具體的實(shí)現(xiàn)方法在軟件部分詳細(xì)介紹。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本裝置核心采用TMS320F28335和AD7656器件，采集來的信號經(jīng)過DSP運(yùn)算能通過RS-485串口與計(jì)算機(jī)通信。

2．1 TMS320F28335及外圍電路

2．1．1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

TMS320F28335的復(fù)位電路采用上電復(fù)位電路，由電源器件給出復(fù)位信號。一旦電源上電，系統(tǒng)便處于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)XRS為低電平時(shí)，DSP復(fù)位。為使DSP初始化正確，應(yīng)保證XRS為低電平并至少保持3個(gè)CLKOUT周期。同時(shí)，上電后，該系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要100～200 ms的穩(wěn)定期。所選的電源器件TPS73HD301一但加電，其輸出電壓緊隨輸入電壓，當(dāng)輸出電壓達(dá)到啟動RESET的最小電壓時(shí)（溫度為25℃時(shí)，其電壓為1．5 V），引腳RESET輸出低電平，并且至少保持200 ms，從而滿足復(fù)位要求。

2．1．2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

向DSP提供時(shí)鐘一般有2種方法：一種是利用DSP內(nèi)部所提供的晶體振蕩器電路，即在DSP的X1和X2引腳之間連接-晶體來啟動內(nèi)部振蕩器；另一種方法是將外部時(shí)鐘源直接輸入X2／CLKIN引腳，X1懸空，采用已封裝晶體振蕩器。鑒于從資源利用和電路設(shè)計(jì)的簡單性考慮，該最小應(yīng)用系統(tǒng)的時(shí)鐘電路采用TMS320F28335內(nèi)部晶體振蕩器，具體電路如圖2所示。外部晶振的工作頻率為30 MHz，TMS320F28335內(nèi)部具有一個(gè)可編程的鎖相環(huán)，用戶可根據(jù)所需系統(tǒng)時(shí)鐘頻率對其編程設(shè)置。

2．1．3 供電電路設(shè)計(jì)

DSP的供電要求為其內(nèi)核和I／O分別進(jìn)行供電，現(xiàn)采用電源器件TPS73HD301為DSP供電，內(nèi)核供電電壓為1．9 V，I／O口供電電壓為3．3 V。

2．2 AD7656及外圍電路

AD7656的電源設(shè)計(jì)中，AVcc和DVcc是AD7656的模擬電壓輸入端和數(shù)字電壓輸入端。AD7656作為6通道獨(dú)立的同步采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，在轉(zhuǎn)換過程中需要足夠的電能量，所以AVcc的去耦在設(shè)計(jì)中就顯得十分重要。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，可以單獨(dú)提供+15 V（或+12 V）電壓給Vdd和Vss電源輸入端，同時(shí)提供+5V給AVcc模擬電壓端。通過濾波器（小電阻或磁珠）把AVcc連接到DVcc。然后再通過濾波器供給系統(tǒng)+5 V電源。AD7656的

RANGE接地，輸入電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的4倍。H／S引腳和SER／PAR都接地，用以開啟硬件控制轉(zhuǎn)換輸入模式，由CONVSTA／B／C引腳控制采樣。其中的REFCAP_A、REFCAP_B和REFCAP_C全部接地，用以控制輸入全部成對轉(zhuǎn)換。

2．3 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

2．3．1 AD7656與檢測部分的連接

檢測部分的傳感器采用TBC～LxH雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器和CHV-25P霍爾電壓傳感器。電流傳感器的額定測量范圍為O～150 A，反應(yīng)時(shí)間小于20μs，溫度漂移?。浑妷簜鞲衅鳒y量范圍為0～500 v，反應(yīng)時(shí)間小于10μs，線性度好。因?yàn)檩斎氲碾妷弘娏鞔嬖诟叽沃C波和噪聲信號，所以需要一個(gè)前置的濾波裝置進(jìn)行抗混疊濾波，而且為了滿足AD7656的16位精度的要求，前端要選用高精度并且可以處理10 V雙極信號的運(yùn)算放大器作信號處理和濾波。此運(yùn)算放大器選用AD8022，如圖3所示。INl為初始模擬信號的輸入端，經(jīng)過AD8022之后傳遞給AD7656，其中三相電壓電流都與此連接方式相同。

2．3．2 DSP與AD7656的

AD7656與DSP的連接如圖4所示。DSP的ADCINA和ADCINB復(fù)用為I／O口，與AD7656的D0～D15數(shù)據(jù)口相連，用于數(shù)據(jù)的傳輸。DSP的GPIOB59與AD7656的BUSY相連，用來檢測AD7656是否處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)。DSP的GPIOB60與AD7656的CONVST相連，GPIOB62與AD7656的片選端口相連，用以控制AD7656的啟動與停止。GPIOB61與AD7656的讀寫端口相連，用來控制讀取AD7656轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。GPIOB63與AD7656的RST端口相連用來控制AD7656的復(fù)位。ISSl61LV6416是片外隨機(jī)存儲器。

2．3．3 DSP與單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的連接

DSP的SCIB與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信。因?yàn)椋篟S-232的抗干擾能力較弱，所以選擇RS-485作為通信串口，再通過轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為與計(jì)算機(jī)適合的電平。DSP的SCIC串口與F005單片機(jī)PO．0和PO．1口相連。其傳輸?shù)牟ㄌ芈试O(shè)置為9600 b／s。

2．3．4 DSP與外擴(kuò)存儲器的連接

擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器選用了超捷（SST）公司的SST25VF040。SST25VF040是公司的SPI接口的串行閃存，它是一塊低功耗Flash，存儲容量為4 MB，工作在2．7～3．6 V的電壓下，因此可以直接和DSP相連。其連接圖如圖5所示。DSP的SPIA口的接收和發(fā)送端與其SI和SO口相連，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。GIPIO26和GIPl027分別用來對存儲器的片選和讀寫進(jìn)行控制。

2．3．5 C8051F005與LOD和鍵盤的連接

為了使故障錄波器能夠方便移動使用，采用了新華龍公司F005單片機(jī)外接LCD和鍵盤來控制的方法，可以脫離電腦通過外接鍵盤來控制故障錄波器的運(yùn)行。F005的P1．O～P1．7外接鍵盤的8個(gè)鍵位K1～K8，其可以控制6種波形的顯示，設(shè)置故障記錄的上下限值等。LCD采用240128 E型號的液晶，F(xiàn)005的P2．O～P2．7接LCD的DBO～DB7用于數(shù)據(jù)的傳輸，P3．O和P3．1接LCD的讀寫口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括LabWindows／CVI軟件程序和DSP控制A／D轉(zhuǎn)換程序，以及利用FFT變換提取出基波分量和各次諧波分量的程序。

3．1 整體流程

下面以流程圖方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的說明。如圖6所示，通過控制界面串口的設(shè)置完成串口設(shè)置，設(shè)置成功系統(tǒng)開始運(yùn)行。

如圖7所示，界面上有故障自動記錄時(shí)間選擇按鈕，如果設(shè)置2s，則存儲故障前后共4s的波形。通過波形選擇按鈕可選擇要顯示的波形，選擇A相電流，則可顯示出其波形和各次諧波數(shù)據(jù)等（如果未接計(jì)算機(jī)，可以依靠外接鍵盤來設(shè)置其相關(guān)值）。DSP開始運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，傳感器開始檢測電壓電流，檢測到的模擬信號由A／D轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號，由DSP進(jìn)行FFT運(yùn)算分析出各次諧波分量，并計(jì)算出THD值。所計(jì)算出的基波最大值與所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)大于或小于設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警裝置。之后所測數(shù)據(jù)由串口傳送到計(jì)算機(jī)的控制界面和單片機(jī)，控制界面顯示出所測波形和數(shù)據(jù)，可保存故障波形和數(shù)據(jù)。單片機(jī)控制LCD進(jìn)行顯示，圖7中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為A相電流波形，顯示出A相電流的基波和各次諧波值，并算出THD值等。

3．2 LabWindows／CVI部分程序

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先配置串口，向串口發(fā)送要顯示的某相電流或電壓，DSP會根據(jù)指令要求傳輸給計(jì)算機(jī)。軟件界面會顯示波形和其有效值，并可根據(jù)情況進(jìn)行存儲打印等。下面部分函數(shù)：

3．3 實(shí)現(xiàn)FFT變換和計(jì)算THD值等

DSP能夠進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，其定標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)值的精確計(jì)算。定標(biāo)簡單來說就是把一個(gè)小數(shù)換算成整數(shù)，然后進(jìn)行運(yùn)算，這樣使得運(yùn)算誤差變小。例如，一個(gè)小數(shù)為1．123 456 789，后面還可以有好幾位小數(shù)。如果直接計(jì)算的話，運(yùn)算中會舍去小數(shù)點(diǎn)后的部分?jǐn)?shù)值，使得誤差變大。如果利用定標(biāo)運(yùn)算，可以把1．123 456 789變?yōu)檎麛?shù)1．123 456 789×225（選擇Q25定標(biāo)）后進(jìn)行運(yùn)算，這樣使得計(jì)算的結(jié)果誤差比原來小。這是DSP運(yùn)算的一大優(yōu)點(diǎn)，而且其運(yùn)算速度快，利用FFT運(yùn)算時(shí)，采樣諧波頻率可以達(dá)到31次之多。

DSP初始化程序：

可以通過控制界面發(fā)送要顯示的某相電壓或電流的指令信號，也可以通過鍵盤來發(fā)送要顯示的信號波形。DSP通過判斷接收中斷標(biāo)志位和指令信號，來觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換，中斷指令如下：