基于DSP的柱上開關智能控制器設計

摘 要：本文設計并實現了一種柱上開關智能控制器，并將先進的DSP技術應用到設計中，可發揮其快速強大的運算處理能力，同時提高智能控制器的性能。本文提出了基于DSP的柱上開關智能控制器的設計方案，并以TMS320F2812作為主控芯片，設計了柱上開關智能控制器的硬件電路和軟件，完成了柱上開關智能控制器的設計。該設計具有功能完善、運行可靠、操作方便的優點，并可基于GPRS進行遠程聯網，有著廣闊的應用前景。

關鍵詞：DSP，智能控制器

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A

1概述

柱上開關智能控制器是配電故障隔離及定位的關鍵設備之一，是配電故障隔離及定位的基礎控制單元，它直接與線路的柱上開關連接，采集線路中柱上開關的各種物理量，直接控制柱上開關的動作，是整個配電故障隔離及定位的基礎。在正常情況下，柱上開關控制器能夠監測配電線路運行的情況；在配電線路故障情況下，能夠快速、可靠地捕捉到故障信號，判斷故障類型，并可靠的隔離、定位故障。將DSP技術應用于柱上開關智能控制器的設計中，利用DSP的高速數據處理和運算能力，可以提高智能控制器的性能。

2整體結構設計

柱上開關智能控制器主要包括：模擬量變換單元、開關量輸入單元、人機接口單元、通訊接口單元、開關量輸出單元和數字核心單元等。為了實現上述功能，并充分利用DSP TMS320F2812 強大的外設功能及嵌入式操作系統的優點，DSP（TMS320F2812） 主要完成模擬量采集、數據處理、算法實現、故障隔離算法、通信及命令處理。

系統結構圖如圖1所示：

3、硬件設計

3.1DSP

DSP選用TI公司的一款用于控制領域的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片TMS320F2812。該芯片最高可在150MHz主頻下工作，帶有128 k×16位片上FLASH。器件具有豐富的外設資源，主要包括2×8路12位ADC、2路SCI、1路SPI、1路McBSP、1路eCAN等，另外，該器件還有3個獨立的32位定時器，以及多達56個獨立編程的GPIO 引腳。TMS320F2812強大的功能使其僅需要極少量外設即可構成一個功能豐富的硬件系統，可兼顧控制和快速運算的雙重功能。

3.2模擬量信號調理電路

模擬量輸入采用交流采樣技術。電網的電壓和電流首先經過現場一次大功率電壓互感器（TV）和電流互感器（TA）變換成為0～100V 和0～5A 的交流電量，然后再經過二次TV 和TA 變換成為0～5V 的電壓信號，再經過濾波處理以消除高次諧波和噪聲信號再進行功率放大。然后送入A/D 轉換通道。

3.3數字量輸入調理電路

開關量輸入主要是接點狀態（接通或斷開）的輸入信號。數字量輸入均設計為采用24V直流供電，相對于數字核心部分部分24V是強電信號，為了可靠性，將強弱電隔離。隔離的目的在于一方面需要降低引入的電壓范圍至CPU可正常接收的程度，另一方面可以大大的降低外界干擾信號對數字核心控制部分的干擾。如圖3電路中的光敏二極管是一個反向鉗制電壓二極管，主要作用是防止24V側產生的反向電壓使光敏二極管擊穿，因為光敏二極管的反向耐壓值比較低。

3.4數字量輸出驅動電路

數字量的輸出驅動可以直接驅動外部繼電器或開關的動作，系統輸出的開關信號是芯片給出的低壓直流，一般不能直接驅動外設，而需要經過接口轉換等處理后才能用于外部設備的開啟和關閉。輸出驅動是采用繼電器方式，利用繼電器作為數字核心單元輸出到輸出驅動級之間的第一級執行機構，通過第一級繼電器的輸出，可完成從低壓信號到高壓信號的轉換。

3.5人機接口

通過6個輸入按鍵可以設定系統的參數、運行定值，如電流與電壓計算系數、變比，過流定值，動作延時時間等。顯示模塊由一個128*64液晶模塊、發光二極管及相應驅動電路構成，配電線路運行的當前狀態、電壓、電流、功率等物理量均可通過顯示界面進行觀察。當有故障發生時，相應發光二極管將點亮以示報警，顯示模塊將顯示發生保護故障時故障信息記錄情況。

3.6通訊接口

包括現場調試接口和GPRS遠方數傳接口。DSP的2個SCI（串口）：一個用于現場運行參數等；另一個用于實現GPRS協議聯網，可以方便、快捷地實現與監控系統聯網，從而實現對配電線路的遠方智能管理。

4軟件設計

交流采樣算法有多種多樣，常見主要有最大值算法、兩點采樣算法、三點采樣算法、半周積分算法、均方根算法和傅氏算法等。傅氏算法具有濾去恒定直流分量，對二次以上諧波具有良好的濾波作用，并基波的計算精度也相當精確，并且在DSP指令中，平方累加、相乘累加在重復命令下都是單周期指令，因此，本設計采用DSP實現運算傅氏算法。

DSP軟件部分采用C語言和DSP匯編語言混合編程，在實時要求比較高的部分采用匯編語言編程，其他部分采用C語言。軟件主要由主程序、采樣中斷程序、通訊程序等組成。

1）主程序

通過檢測線路中的電流和電壓，經計算、分析來實現各種功能，并且實時記錄線路的參數和記錄故障狀態。

2）采樣中斷程序

本系統通過TMS320LF2812內部定時器中斷啟動A/D轉換。設定初始采樣頻率1.6KHz，則采樣間隔 625us，即625us觸發一次A/D。MAX125的A/D轉換完成后，發送中斷請求信號到DSP的XINT1腳。

采樣中斷程序的功能是采樣、存儲采樣數據，已經進行傅氏算法（FFT）。

結語

設計中使用新型高性能DSP，大大減少了柱上開關智能控制器硬件設計的工作量，縮短了開發周期。設計中采用了DSP主控電路與調理電路分開設計的方法，并且在設計中采用多層板結構，大量使用了貼片元件，以提高系統的穩定性及電磁兼容性。充分發揮了DSP快速運算的能力，滿足配電線路監控的實施性要求，也滿足了配電線路故障隔離和定位的要求。

參考文獻

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