電氣化鐵路牽引自動化系統中模數轉換回路的設計

張志剛，董文寬，李 政，張忠琪

天津凱發電氣股份有限公司，天津 300384

0 引言

隨著當前國家對電氣化鐵路的大力發展，火車時速越來越高，對鐵路沿線供電系統的要求也越來越高。電氣化鐵路牽引自動化系統是保證沿線安全可靠供電的關鍵系統，其重要性得到空前的重視。牽引自動化系統實時采集供電系統的各種模擬量參數，智能判斷，根據設定的參數閥值，自動進行閉環操作。在牽引自動化系統中，基本實現數字化操作，其中將各種模擬量轉換為數字量處理的方法尤為關鍵。

1 電氣化鐵路牽引自動化系統對交流模擬量采集的特點

電氣化鐵路牽引自動化系統中，繼電保護裝置對采樣的要求比較典型。繼電保護裝置中，一般需要按照每個周波內定點采集同一時刻各個相關回路的電流電壓量，如果各個回路采樣時間不一致，就會導致計算后的數據相移偏大，會直接影響到裝置的正常判斷。大約每個周波是20ms，每個周波是360度，也就是21 600分，這樣每微秒延遲帶來的相移大概就是1分，對于某些保護裝置來說，當延遲大到10μs、相移達到10分的時候，就可能帶來誤判，或者額外增加軟件計算工作量，導致裝置無法在規定時間內正確判斷。因此，保證各個通道之間的同步采樣是非常重要的。

在實際的電力系統中，交流輸送電的頻率并不全是理想的50Hz，而是在一個幅度范圍內，因此，作為定點采集算法而言，為了準確計算，需要準確測量模擬量的頻率，根據測量得到的頻率即使智能校正定時間隔參數，目前在電力系統變電站自動化系統中定點算法一般為16點采樣，采用付氏算法計算。我們在設計中采用每周波40點定點采樣技術，計算精度更高，波形還原能力更強，數據可用性更強。因此，對于采樣間隔時間的精度要求也更高。

電力系統為了保證各個回路之間的同步，要求必須采集同一時刻的信號，不能采用一個時間段內的均值。因此，一些AD轉換模式是不能滿足該要求的，比如∑-△型。而SAR型ADC在電力系統變電站自動化系統數據采集中得到了充分的重視。

設計方案的針對以上特點，我們提出了采用Freescale Coldfire ETPU +多片ADI AD7656-1結合的設計方案。

2 eTPU功能應用

Coldfire 系列是Freescale 公司推出的一款尤其適合工業控制使用的工業CPU。芯片中繼承了增強型時序處理單元（enchanced Time Processor Unit，eTPU），是TPU的功能擴展和改進，TPU在motolora（freescale）的MPC5xx、M68300等系列微控制器上得到廣泛應用，而eTPU作為基本功能模塊則在MCF523x（Coldfire系列）和MPC5500（PowerPC系列）的部分產品中得到應用。eTPU采用類似RISC的微引擎，與I/O硬件定時通道連接，作為一個半獨立的協處理器，在不需要CPU參與的情況下，可以完成高速復雜的時序操作。eTPU模塊包含了它運行所需的所有微控制器：數據和程序存儲器、微引擎、任務調度器以及32（或16）條I/O通道，其基本功能模塊如圖2所示。

圖1 eTPU基本功能模塊框圖

eTPU作為介乎軟件和硬件之間的模塊，具有一定的代碼和數據RAM。在eTPU模塊初始化期間，CPU將編譯好的eTPU二進制程序代碼加載到eTPU代碼存儲器中并循環執行。eTPU與主CPU之間可以通過中斷或DMA進行交互，也可以通過eTPU軟件模塊接口進行信息交互。為了便于應用，freescal提供了完善的軟件功能庫，包括GPIO（通用IO）、IC（輸入捕捉）、OC（輸出比較）、PWM、UART、SPI、IIC等功能模塊。用戶只需要將需要的功能模塊庫與應用程序編譯在一起，并根據提供的接口函數進行必要的初始化操作，就可以需要的功能。利用eTPU功能模塊，甚至可以實現復雜的交直流電機控制和角度控制。

其中的自動輸入捕捉和PWM輸出功能，非常適用于頻率測量和全自動周期性觸發轉換脈沖，實現閉環控制ADC實現實時跟隨輸入信號頻率及時調整采樣間隔，保證采樣數據的可用性。

3 ADI AD7656-1 6路16位高精度SAR ADC的特點

AD7656-1是美國ADI公司針對電力自動化市場推出的6路同步采樣16位高精度SAR型ADC,內部含有6個獨立的逐次逼近型（SAR）A/D 轉換器，也是AD7656的升級產品，可同時進行 6路A/D轉換，啟動轉換時間約為3μs，單通道轉換速率為250kSPS，屬于真正的雙極模擬量輸入，具備內部電壓基準和外部基準兩種方式，具有轉換精度高、速度快、功耗低、信噪比高等優點。

該芯片支持16位并行接口、SPI串行接口兩種方式，6路模擬量分成3組，每組具備一路轉換觸發外部使能信號，可以靈活的根據需要分組啟動轉換，轉換期間，輸出一個BUSY指示信號，在轉換完畢后，該信號變為無效，外部CPU可以啟動數據讀取過程。

芯片內部具有高精度的電壓參考基準，作為單片應用的時候，可以采用芯片內部電壓基準，但當多片使用的時候，由于芯片之間存在離散性，因此需要配置外部電壓基準，以保證所有通道具備統一的電壓基準。

圖2 AD7656-1的架構框圖

現高精度采樣的設計方案

使用AD7656-1時，需要特別注意模擬、數字信號的分離、模擬、數字信號地的分割以及單點接地，在每一組REF管腳出，都需要配置去耦電容（不低于1UF的低ESR電容+104電容），在AVDD、DVDD、VDRIVE三組電源管腳，都需要配置不低于4.7UF的低ESR電容和104去耦電容。主意在PCB設計的時候，一定要緊挨著管腳。

由于該轉換器的模擬量輸入端是高阻抗輸入。因此，外部互感器的二次側小信號可以經過低通濾波后直接作為信號輸入，降低了系統成本。

4 實現高精度采樣的設計方案

因此，我們制定了采用Coldfire ETPU +多片AD7656-1+EPLD+外部電壓基準的設計方案，整體架構如圖3所示。

圖3 電氣化鐵路牽引自動化系統中模數轉換回路的設計

圖3中，多片ADC芯片通過16位數據總線和CPU交互數據，多片ADC采用REF5025作為公共電壓基準，ADC全部設置為并行方式、外部電壓基準模式。交流模擬量經過流通濾波回路后，其中2路接到交流正弦波—方波轉換回路，把正弦信號變為單極性的方波信號，經過光耦后接到Coldfire ETPU的一個通道上，該ETPU通道設置為輸入捕捉方式，自動捕捉輸入方波的每一個變化沿，并記錄當前相對計時器數值，根據相鄰同極性沿的時間間隔計算出當前交流信號的周期，從而計算出每周波40點采樣所需要的定點采樣間隔，設置到ETPU第二個通道的定時參數中。第二個通道設置為PWM模式工作，根絕設置的周期、占空比等時間參數，自動定時輸出信號啟動ADC轉換，ADC在收到該轉換信號后，馬上進入采樣保持、轉換的過程，同時輸出BUSY為高電平，通知CPU ADC芯片處于轉換過程中。當6路模擬量全部轉換完畢后（典型轉換時間為3μs，不超過4μs），BUSY信號變為低電平，通知CPU ADC轉換完畢，請求CPU取走數據。多片ADC的BUSY 信號都輸出到EPLD中，在EPLD里采用中斷共享的模式，各個BUSY信號相或后接到CPU的外部中斷上。COLDFIRE CPU的外部中斷設置為沿觸發，接受到該轉換完畢的中斷信號后可以可立即啟動數據讀取過程。這樣由于啟動轉換信號完全有ETPU模塊自動運行，毫不占用CPU資源，也不受CPU的干擾，可以實現高精度定時，同樣該自動運行模式也不占用CPU資源，為CPU高速處理各種數據提供了保障。

在本設計中，在CPU數據總線與ADC數據總線間采用Buffer緩沖器做了相對隔離，保證了CPU運行時，不會通過數據總線上的高速信號對ADC回路的轉換效果造成影響，只有當CPU讀取采樣數據的時候，該Buffer才打開，確保了ADC回路工作環境的穩定。

5 結論

筆者采用上述方案，配合適當的嵌入式操作系統，在Coldfire系列的MCF5234 CPU基礎上實現了以上設計，經過測試，整個回路測頻誤差低于0.01%，零漂不高于3個LSB，采樣精度優于0.1%，完全滿足電氣化鐵路牽引自動化系統的要求。

在電氣化鐵路牽引自動化系統中，交流模擬量的采集是重中之重，絕大部分算法判斷的依據都來源于此。本方案充分利用了MCF5234的eTPU的特點，發揮了16位高精度SAR型轉換器的優勢，保證了AD轉換的高精度和可用性，為系統提供了準確的基礎數據。

[1]GB 50062-1992.電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范.

[2]Freescale Semiconductor,Inc. Enhanced Time Processing Unit(eTPU)Preliminary Reference Manual，2004.

[3]Munir Bannoura，等著.ColdFire微處理器與微控制器.北京：電子工業出版社，2008.

[4]AD7656-1/AD7657-1/AD768-1 datasheet REV A，ANALOG DEVICE CO..2009.