基于TMS28335的智能電網快速采樣系統設計

李寧峰

(國網電力科學研究院，江蘇 南京 210003)

隨著我國智能電網建設的逐步實施，對電網內各種智能設備的通信速率、數據處理規模、動作預判速度等指標都提出了愈來愈高的要求。一個高速、同步的交流信號采集系統，可以為各種智能裝置提供高效、穩定的數據源，供智能設備進行信號處理與分析，是建設堅強智能電網必須解決的關鍵技術環節。本設計采用了TI的TMS320F28335作為DSP數據處理平臺，選擇ADI的AD7656-1作為AD轉換器件，結合高精度、寬線性范圍的交流信號前端處理環節，以及現場總線、以太網等多功能通信接口模塊，構成了一套性能穩定、響應快、精度高的交流量采樣系統。為智能電網運行控制、系統及設備保護、電量計量提供了快速、準確、全面的數據支持。

1 交流量快速采樣系統的基本構成

本系統承接一次側互感器變換來的交流量或弱模量，采用高導磁互感器，可在0～40倍額定值的采樣范圍內保證采樣的線性度，并且能有效抑制信號中直流分量對互感器飽和的影響，保證測量的準確性。因電網中交流信號包含的噪聲十分豐富，為減小其對采樣精度的影響，通常應加入一個低通濾波和運放跟隨的信號調理環節，對采樣波形進行優化。然后將所有通道同時接入AD7656-1進行AD轉換，輸出信號供DSP處理器進行多路信號處理。最后將處理好的數字化交流信號量通過多功能通信接口傳輸給相應的設備或后臺系統。采樣系統組成框圖如圖1所示。

圖1 多路交流量采樣系統組成框圖

2 互感器的選擇

信號互感器處于交流量采集系統的前端，是將電力系統中一次互感器的電流電壓量接入、變換后供系統采樣的重要環節。如信號互感器選擇不當，會導致采樣信號波形畸變、削頂、非周期暫態飽和等問題，嚴重影響采樣數據質量。通常電磁式互感器的性能與體積成正比關系，即體積越大，性能也越優越。考慮采集裝置的安裝體積，本系統選用經特種熱處理的硅鋼帶制成的互感器磁芯，采用這種磁芯的互感器具有體積小，導磁高、抗直流分量等特點，很適合在電力系統采樣應用。經單體測試，該互感器在40倍額定值的范圍內，線性優良，誤差小于千分之一，完全滿足采樣系統對前端互感器的性能要求[1]。

3 交流量調整環節

為使信號互感器輸出的電平能和模數轉換芯片AD7656-1的輸入要求匹配，需要對互感器的輸出信號進行適當地調整，本系統的調整電路如圖2所示。該電路前端采用低通濾波網絡，濾去交流信號里大于10 kHz的高次諧波，以減少因高頻信號混疊現象對采樣計算誤差的影響。低通濾波后，采用運放對信號幅值進行調整，以滿足AD轉換芯片對輸入電平的要求[2，3]。

4 AD7656-1和TMS320F28335

本設計采用AD7656-1作為系統的核心AD轉換器件，AD7656-1是AD7656的升級產品，在保證性能不變的同時，它的外圍電路設計簡潔性方面有了很大提高。以下詳細介紹基于TMS28335平臺的AD7656-1接口設計過程。

4.1 AD7656-1簡介

圖2 交流量調整環節原理圖

AD7656-1是ADI公司最新推出的適合快速同步采樣的AD轉換芯片，該芯片為高集成度、6通道、16bit逐次逼近 (SAR)型ADC，它具有最大4LSBS INL和每通道達250 kb/s的采樣率，并且在片內包含一個2.5 V內部基準電壓源和基準緩沖器，應用十分方便。該器件僅有典型值160 mW的功耗，比最接近的同類雙極性輸入ADC的功耗降低了60%，使得裝置在節能的同時，可靠性得到很大提高。AD7656-1包含一個低噪聲、寬帶采樣保持放大器（T／H），以便處理輸入頻率高達 8 MHz的信號。該芯片具有高速并行和串行接口，可根據需要與微處理器（MCU）或數字信號處理器（DSP）對接，完成采樣數據的傳輸。AD7656-1在串行接口方式下，還能提供一個菊花鏈的連接方式，以便把多個AD7656-1連接到一個處理器串行接口上，達到擴展采樣通道的作用。

4.2 TMS320F28335簡介

TMS320F28335數字信號處理器是TI公司推出的一款浮點DSP控制器。相比以往的DSP，該器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、數據及程序存儲空間大等特點。它采用176引腳的LQFP四邊形封裝，內核1.8 V供電，外設3.3 V供電，因而功耗大大降低。32位CPU以及單精度浮點運算單元FPU的應用，提高了運算的精度。存儲器采用高性能的靜態CMOS技術，指令周期僅為6.67 ns，主頻可達150 MHz，運算速度提高很大。片上有 256 kB×16的 Flash存儲器、34 k B×l6的SARAM 存儲器、1 kB×16 OTPROM 和 8 kB×l6的Boot ROM等豐富的存儲單元，能靈活滿足各種編程應用。時鐘控制系統具有片內振蕩器、看門狗模塊，支持動態PLL調節，內部可編程鎖相環，通過軟件設置相應寄存器的值，可改變CPU的輸入時鐘頻率。有18個PWM輸出口，包含6個高分辨率脈寬調制模塊（HRPWM）、6個事件捕獲輸入和2個通道的正交調制模塊（QEP）。3個32位的定時器，定時器0和定時器1用做一般的定時器，定時器0接到PIE模塊，定時器1接到中斷INTl3；定時器2用于DSP／BIOS的片上實時系統，連接到中斷INTl4，如果系統不使用DSP／BIOS，定時器2亦可用做一般定時器。

TMS320F28335具有高度集成的外設引腳，包括2通道CAN模塊、3通道SCI模塊、2個McBSP（多通道緩沖串行接口）模塊、1個SPI模塊、1個I2C串行總線接口模塊以及88個可編程的復用GPIO信號輸出輸入引腳，為各類應用提供了豐富的信號資源。

TMS320F28335還內置了一個12位A／D轉換器，但根據該片內AD的指標及應用經驗，該AD轉換器可滿足綜合誤差不小于千分之三的系統應用要求，因本采樣裝置要求的系統綜合誤差不大于千分之二，所以設計中沒有采用F28335的片內AD，而選用精度更高的AD7656-1作為本采樣系統的高速AD轉換器件。

4.3 接口硬件電路設計

該接口采用并行數據處理、并行接口擴展的設計方式，電路如圖3所示。

圖3 AD7656-1與F28335接口硬件電路圖

ADIN1-6接入來自運放環節的六路輸入模擬信號，ADD0-15是與F28335接口的16位數據總線。ADBUSY信號為高電平時，表明模數轉換正在進行，不響應外部讀寫，當F28335檢測到ADBUSY信號為低電平時，表明模數轉換結束，即可進行讀取轉換結果或其他相關操作。ADCS#為片選信號，當F28335對AD7656-1進行讀寫尋址操作時，該信號變低，圖3中用該信號同時開放AD7656-1的“讀”信號，有利于簡化軟硬件設計。片上的CSTA，CSTB，CSTC分別是交流通道V1和V2、V3和V4、V5和V6轉換開始的啟動信號，本系統要求各路模擬信號同步采樣。因此，必須將CSTA，CSTB，CSTC一同接至ADSH，由F28335輸出的ADSH信號來啟動AD7656-1全部模數同步轉換過程，AD7656-1的優勢在于轉換過程只需要一次啟動，各路轉換會自動完成。轉換結束后，ADBUSY信號變低，F28335即可依次從AD7656-1讀入各路轉換結果，軟件編程非常方便，非常適合電力系統采樣應用。

設計中采樣通道數量為32路，一片AD7656-1只能提供6路通道，因此，需進行采樣通道擴展。這里采用并行擴展方式，方法是用ADSH信號同步接入 6片 AD7656-1的 CSTA，CSTB，CSTC 端口，統一啟動系統模數轉換過程，然后逐路監視各片的ADBUSY信號，當ADBUSY信號變低電平，轉換全部完成后，即可通過切換各片AD7656-1的片選信號ADCS來讀出全部模數轉換結果，從而達到系統采樣通道并行擴展目的，擴展原理如圖4所示。

圖4 模數采樣通道并行擴展原理圖

系統設計中采用了AD7656-1內部的參考電壓，RANGE信號接低電平，使得AD7656-1的模擬輸入電壓范圍可達±10 V，大大提高了輸入范圍。W/B和S/P信號同時接低電平，用以制定AD7656-1的轉換結果采用16位并行方式輸出。

4.4 接口驅動程序設計

AD7656-1的大部分轉換時序和流程由硬件實現，不但加快了轉換速度，也使接口軟件的設計簡化了很多。硬件配置后，只需啟動一次轉換，待轉換完成后，逐片逐路讀出各通道的16位轉換結果即可。接口驅動程序如下：

5 系統的軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，最大可滿足32路交流通道的實時采樣，基本功能模塊有：

（1）實時計算交流電壓、電流、頻率、功率、諧波有效值；

（2）分時計算各路有功、無功功率；

（3）完善的記錄功能，包括斷相、過壓、失壓、失流、逆相序、越限等；

（4）歷史數據重現功能，可保留最多至一周的歷史數據；

（5）通信接口配置功能，輸出數據格式可配置成RS232，CAN，SPI，以太網等接口方式。

各模塊及時刷新數據，分時共享輸出接口，保證采樣的及時和快速。軟件模塊架構設計如圖5所示。

圖5 軟件模塊架構設計圖

6 結束語

本文的交流快速采樣系統采用了新型AD轉換器件，與性能優越的TMS28335平臺相互配合，前端交流量調理單元也進行了高精度優化。經過嚴格測試和現場實際運行，該系統的實際采樣精度達到0.1級，完全滿足智能電網的0.2級交流量測量要求，同時還具有多種電量格式輸出功能。基于該采樣系統的裝置可作為高精度數據采集單元，廣泛用于數字化智能電站的數據采集系統中。

[1]楊寶龍，鄢興俊.AD7656的串行設計[J].船電技術，2009（11）：48-51.

[2]余恒潔.數字化變電站中電能計量裝置的應用[J].云南電力技術，2008，36（5）：64-65.

[3]章堅民，蔣仕挺，金乃正，等.基于IEC 61850標準的數字化變電站電能量采集終端的建模與實現[J].電力系統自動化，2010，34（11）：67-71.