0  引言
    前向通道是數(shù)據(jù)采集卡的關鍵部分，直接影響著數(shù)據(jù)采集卡的性能。它的合理設計能提供預期的采樣速度，提高模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度，簡化電路，增強電路抗干擾性能。它主要包括傳感器、信號調(diào)理系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換芯片。其中A/D轉(zhuǎn)換芯片是整個前向通道的核心。
    電力系統(tǒng)故障錄波裝置是一種廣泛用于電力系統(tǒng)的可在系統(tǒng)發(fā)生故障或擾動時對電網(wǎng)參數(shù)(三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率及頻率變化)進行精確記錄，并實現(xiàn)實時監(jiān)測與精確計算的裝置。它要求將故障數(shù)據(jù)采集過程按時間先后分為A、B、C、D、E五段，并且每一段對采樣率和采樣時間的要求都不同。為此我們選擇高精度浮點DSP芯片TMS320VC33作為數(shù)字處理器，并設計了以六通道輸入高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864為核心的前向通道，以實現(xiàn)采樣率和采樣時間的自動調(diào)整。

1  數(shù)據(jù)處理單元
    TMS320VC33是TI公司在TMS320 C31基礎上新近推出的TMS320C3X系列新一代浮點DSP芯片。其價格降低較多，性能卻大有上升，是目前性價比最高的浮點運算DSP芯片�？紤]到以下因素我們選擇它作為故障錄波裝置的數(shù)字信號處理器。
    1) 具有高速的浮點運算能力，其中TMS320VC－150型在13ns單周期指令執(zhí)行時間時為150MFLOPS和75MIPS；而TMS320VC33— 120型在17ns單周期指令執(zhí)行時間時為120MFLOPS和60MIPS。在很大程度上滿足了故障錄波裝置對信號處理速度的要求，保證了信號處理的實時性。
    2) 帶有32位的高性能CPU，可進行16/32位整數(shù)和32/40位的浮點操作�？蓪�故障錄波裝置所記錄的各項電網(wǎng)參數(shù)進行精確的計算與分析，提高了計算與分析結(jié)果的可靠性。
    3) 具有24位地址線，可尋址空間高達16M，提供了充足的地址空間供外擴數(shù)據(jù)和程序存儲器所用。合理安排數(shù)據(jù)存儲空間與程序存儲空間所占的份額，可以提供充足的地址空間。當系統(tǒng)連續(xù)發(fā)生大擾動時，應能無遺漏地記錄每次系統(tǒng)大擾動發(fā)生后的全過程數(shù)據(jù)，有利于全面而準確地監(jiān)測電網(wǎng)運行情況。
    4) 具有8/16/32位程序引導裝載功能�？梢苑奖愕貙⑼獠康穆�速EPROM或其它標準器件中的程序裝載到快速的片內(nèi)RAM或片外SRAM中來運行。省去了昂貴的快速EPROM，同時也減化了硬件設計、降低了成本。
    5) 改進了指令集，可支持兩個或三個操作數(shù)指令，增加了條件調(diào)用和條件返回指令，并能實現(xiàn)零開銷循環(huán)和單周期分支。這在簡化軟件設計的同時縮短了指令和程序的長度。符合故障錄波裝置對信號處理速度和數(shù)據(jù)存儲容量的要求。

2  AD轉(zhuǎn)換單元
    ADS7864是德州儀器公司最新推出的快速六通道全差分輸入的雙12位A/D轉(zhuǎn)換器。我們選取它作為采樣裝置的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。它有以下特點：
    1) 具有六路輸入通道。其六路通道被分為三對，分別對應電力系統(tǒng)中的三相。特別適用于電網(wǎng)監(jiān)測及電機控制。
    2) 可以以500KHz的采樣速率同時進行六通道信號采樣。故障錄波裝置要求能記錄因短路故障或系統(tǒng)誤操作引起的線路電流、電壓暫態(tài)過程，其采樣頻率不低于5KHz。ADS7864最大限度滿足了裝置對快速故障記錄的要求。
    3) 三個保持信號輸入端(HOLDA、HOLDB、HOLDC)用來選擇輸入的多路開關并啟動A/D轉(zhuǎn)換。用軟件控制保持信號的頻率，可實現(xiàn)采樣速率和采樣時間的自行調(diào)節(jié)。以滿足故障錄波裝置對五個時段的不同要求。
    4) 六通道全差分輸入。輸入信號在進入采樣保持電路之前經(jīng)過全差分電路運算，使其在500KHz采樣率情況下仍能提供高達80dB的共模抑制比，對于高噪聲環(huán)境下輸入噪聲的抑制起到了非常重要的作用。

3  數(shù)據(jù)采集卡前向通道的具體實現(xiàn)
    圖1給出了基于TMS320 VC33的數(shù)據(jù)采集卡的前向通道的實現(xiàn)框圖：

3.1 抗混迭濾波器
    在電力系統(tǒng)微機繼電保護中最常用的是基波及2－5次諧波，根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為了防止頻域混疊，采樣頻率必須高于其最高頻率的2倍，在工程實際中通常取3－5倍，因此在采樣卡前向通道中要加入抗混疊濾波單元。經(jīng)過此濾波單元后，模擬量中的高頻分量被濾去，可直接進入AD轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

3.2  ADS7864與TMS320 VC33的具體連線
    采用兩片ADS7864可對兩回線上的電網(wǎng)參數(shù)進行采樣轉(zhuǎn)換，每一片ADS7864對應一回線上的三相電壓、電流信號。合理地對硬件電路進行設計可將兩片ADS7864當作一個整體使用。圖2為ADS7864與TMS320VC33之間的連線。

    1) 由于TMS320VC33的數(shù)據(jù)線寬度為32位，而ADS7864數(shù)據(jù)線寬度為16位，可以將兩片ADS7864的數(shù)據(jù)線分別接在TMS320 VC33數(shù)據(jù)線的低16位和高16位上。然后利用軟件將讀入的數(shù)據(jù)進行分離，并按兩回線分別進行存儲和計算。
    2) TMS320VC33數(shù)據(jù)線的高幾位和片外地址選通信號STRB經(jīng)控制邏輯的作用產(chǎn)生ADS7864的片選信號。兩片ADS7864的片選端接在一起，與該片選信號相連，可同時選中兩者。
    3) 兩片ADS7864的讀信號輸入端接在一起，與TMS320VC33的讀/寫信號相連，可同時讀取兩片ADS7864的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
    4) 兩片ADS7864的保持信號輸入端接在一起，與TMS320VC33的定時信號輸出端TCLK0相連。這樣可實現(xiàn)12路信號的同時采樣，并可通過軟件修改TMS320VC33中定時器0的定時周期寄存器的值，以改變ADS7864的采樣頻率，實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的動態(tài)記錄。
    5) 兩片ADS7864的忙狀態(tài)輸出信號BUSY經(jīng)過控制邏輯和TMS320VC33的中斷信號輸入端INT0相連。通知TMS320VC33數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)換完畢，可對其進行中斷處理。 
    6) 兩片ADS7864的讀地址選擇端(A0、A1、A2)均接為循環(huán)讀數(shù)工作模式，即：A0接低電平，A1、A2接高電平。這樣六通道轉(zhuǎn)換結(jié)果按照A0→A1→B0→B1→C0→C1的次序循環(huán)讀取。
    設計ADS8764與TMS320VC33的硬件連線圖時兩者的時序配合至關重要，只有各芯片在時序上協(xié)調(diào)一致才能保證故障錄波裝置正常工作。圖3給出ADS7864在循環(huán)讀數(shù)工作模式下的時序圖。

    將所有的HOLDX置低可使相應通道的輸入數(shù)據(jù)迅速進入保持狀態(tài)。由于兩片ADS7864的保持信號輸入端接在一起，所以同一時鐘周期內(nèi)12個通道數(shù)據(jù)同時被保持，它們將按照通道A—>通道B—>通道C的次序進行轉(zhuǎn)換。HOLDX下降沿必須在時鐘信號下降沿之前至少10ns出現(xiàn)，并保持至少 20ns的低電平狀態(tài)。如果它一直置低，則該通道的AD轉(zhuǎn)換將不會進行。HOLDX恢復高電平之后必須保持至少15ns才開始下一次保持。下一次轉(zhuǎn)換必須在前一次轉(zhuǎn)換完畢后有所延遲，延遲時間至少為175ns。
    通常狀態(tài)下數(shù)據(jù)輸出端處于三態(tài)。轉(zhuǎn)換開始之后12.5個時鐘周期轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進入輸出寄存器。如果一次讀操作在轉(zhuǎn)換開始后12.5個時鐘周期開始，RD和CS 信號必須置低至少50ns才能讀取輸出寄存器中的數(shù)據(jù)。另外RD和CS必須同時置低至少30ns才能使能輸出。連續(xù)讀取時兩次DR信號有效必須間隔至少 30ns。
3.3  數(shù)據(jù)采集自適應的實現(xiàn)
    故障錄波中的故障數(shù)據(jù)采集過程按時間先后分為A、B、C、D、E五個部分，每個部分對應不同的采樣率和采樣時間，因此可以依靠DSP對ADS7864芯片的控制自動調(diào)整采樣率，實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的自適應采樣。工作方法有兩種，均用 TMS320VC33自帶的定時器進行控制。方法一：對定時器的定時周期寄存器賦以固定的值，則在TCLK引腳發(fā)出一定頻率的脈沖。利用此脈沖控制 ADS7864進行采樣，ADS7864即以固定采樣率采集數(shù)據(jù)�？刂艱SP芯片對ADS7864的FIFO寄存器的讀取速度可以得到不同的采樣率。方法二：根據(jù)具體情況對定時器周期寄存器賦不同的值，則定時脈沖TCLK的產(chǎn)生頻率將發(fā)生變化，用此脈沖控制ADS7864采樣即可得到不同的采樣率。

4  結(jié)束語
    電力系統(tǒng)動態(tài)記錄包括三種功能：高速故障記錄、故障動態(tài)過程記錄、長過程動態(tài)記錄，它們對采樣率和記錄時間的要求各不相同。本設計可以滿足故障動態(tài)記錄的這種要求，并且具有精度高，速度快的特點，有一定的價值。

參考文獻

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