基于DSP和高速A／D的電力系統多通道同步采樣

摘要：介紹了一種以DSP芯片TMS320C6711D為處理核心，輔以高速A／D芯片ADS8364，實現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。