基于DSP的柱上開(kāi)關(guān)智能控制器設(shè)計(jì)

摘 要：本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種柱上開(kāi)關(guān)智能控制器，并將先進(jìn)的DSP技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，可發(fā)揮其快速?gòu)?qiáng)大的運(yùn)算處理能力，同時(shí)提高智能控制器的性能。本文提出了基于DSP的柱上開(kāi)關(guān)智能控制器的設(shè)計(jì)方案，并以TMS320F2812作為主控芯片，設(shè)計(jì)了柱上開(kāi)關(guān)智能控制器的硬件電路和軟件，完成了柱上開(kāi)關(guān)智能控制器的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)具有功能完善、運(yùn)行可靠、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，并可基于GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：DSP，智能控制器

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

柱上開(kāi)關(guān)智能控制器是配電故障隔離及定位的關(guān)鍵設(shè)備之一，是配電故障隔離及定位的基礎(chǔ)控制單元，它直接與線路的柱上開(kāi)關(guān)連接，采集線路中柱上開(kāi)關(guān)的各種物理量，直接控制柱上開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，是整個(gè)配電故障隔離及定位的基礎(chǔ)。在正常情況下，柱上開(kāi)關(guān)控制器能夠監(jiān)測(cè)配電線路運(yùn)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(hào)，判斷故障類型，并可靠的隔離、定位故障。將DSP技術(shù)應(yīng)用于柱上開(kāi)關(guān)智能控制器的設(shè)計(jì)中，利用DSP的高速數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，可以提高智能控制器的性能。

2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柱上開(kāi)關(guān)智能控制器主要包括：模擬量變換單元、開(kāi)關(guān)量輸入單元、人機(jī)接口單元、通訊接口單元、開(kāi)關(guān)量輸出單元和數(shù)字核心單元等。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，并充分利用DSP TMS320F2812 強(qiáng)大的外設(shè)功能及嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，DSP（TMS320F2812） 主要完成模擬量采集、數(shù)據(jù)處理、算法實(shí)現(xiàn)、故障隔離算法、通信及命令處理。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

3、硬件設(shè)計(jì)

3.1DSP

DSP選用TI公司的一款用于控制領(lǐng)域的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)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(shè)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(gè)獨(dú)立的32位定時(shí)器，以及多達(dá)56個(gè)獨(dú)立編程的GPIO 引腳。TMS320F2812強(qiáng)大的功能使其僅需要極少量外設(shè)即可構(gòu)成一個(gè)功能豐富的硬件系統(tǒng)，可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能。

3.2模擬量信號(hào)調(diào)理電路

模擬量輸入采用交流采樣技術(shù)。電網(wǎng)的電壓和電流首先經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(jīng)過(guò)二次TV 和TA 變換成為0～5V 的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)濾波處理以消除高次諧波和噪聲信號(hào)再進(jìn)行功率放大。然后送入A/D 轉(zhuǎn)換通道。

3.3數(shù)字量輸入調(diào)理電路

開(kāi)關(guān)量輸入主要是接點(diǎn)狀態(tài)（接通或斷開(kāi)）的輸入信號(hào)。數(shù)字量輸入均設(shè)計(jì)為采用24V直流供電，相對(duì)于數(shù)字核心部分部分24V是強(qiáng)電信號(hào)，為了可靠性，將強(qiáng)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(hào)對(duì)數(shù)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(gè)反向鉗制電壓二極管，主要作用是防止24V側(cè)產(chǎn)生的反向電壓使光敏二極管擊穿，因?yàn)楣饷舳O管的反向耐壓值比較低。

3.4數(shù)字量輸出驅(qū)動(dòng)電路

數(shù)字量的輸出驅(qū)動(dòng)可以直接驅(qū)動(dòng)外部繼電器或開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，系統(tǒng)輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)是芯片給出的低壓直流，一般不能直接驅(qū)動(dòng)外設(shè)，而需要經(jīng)過(guò)接口轉(zhuǎn)換等處理后才能用于外部設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉。輸出驅(qū)動(dòng)是采用繼電器方式，利用繼電器作為數(shù)字核心單元輸出到輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)之間的第一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)第一級(jí)繼電器的輸出，可完成從低壓信號(hào)到高壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

3.5人機(jī)接口

通過(guò)6個(gè)輸入按鍵可以設(shè)定系統(tǒng)的參數(shù)、運(yùn)行定值，如電流與電壓計(jì)算系數(shù)、變比，過(guò)流定值，動(dòng)作延時(shí)時(shí)間等。顯示模塊由一個(gè)128*64液晶模塊、發(fā)光二極管及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，配電線路運(yùn)行的當(dāng)前狀態(tài)、電壓、電流、功率等物理量均可通過(guò)顯示界面進(jìn)行觀察。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，相應(yīng)發(fā)光二極管將點(diǎn)亮以示報(bào)警，顯示模塊將顯示發(fā)生保護(hù)故障時(shí)故障信息記錄情況。

3.6通訊接口

包括現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試接口和GPRS遠(yuǎn)方數(shù)傳接口。DSP的2個(gè)SCI（串口）：一個(gè)用于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)等；另一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)GPRS協(xié)議聯(lián)網(wǎng)，可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路的遠(yuǎn)方智能管理。

4軟件設(shè)計(jì)

交流采樣算法有多種多樣，常見(jiàn)主要有最大值算法、兩點(diǎn)采樣算法、三點(diǎn)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(duì)二次以上諧波具有良好的濾波作用，并基波的計(jì)算精度也相當(dāng)精確，并且在DSP指令中，平方累加、相乘累加在重復(fù)命令下都是單周期指令，因此，本設(shè)計(jì)采用DSP實(shí)現(xiàn)運(yùn)算傅氏算法。

DSP軟件部分采用C語(yǔ)言和DSP匯編語(yǔ)言混合編程，在實(shí)時(shí)要求比較高的部分采用匯編語(yǔ)言編程，其他部分采用C語(yǔ)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(guò)檢測(cè)線路中的電流和電壓，經(jīng)計(jì)算、分析來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，并且實(shí)時(shí)記錄線路的參數(shù)和記錄故障狀態(tài)。

2）采樣中斷程序

本系統(tǒng)通過(guò)TMS320LF2812內(nèi)部定時(shí)器中斷啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。設(shè)定初始采樣頻率1.6KHz，則采樣間隔 625us，即625us觸發(fā)一次A/D。MAX125的A/D轉(zhuǎn)換完成后，發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)到DSP的XINT1腳。

采樣中斷程序的功能是采樣、存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，已經(jīng)進(jìn)行傅氏算法（FFT）。

結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)中使用新型高性能DSP，大大減少了柱上開(kāi)關(guān)智能控制器硬件設(shè)計(jì)的工作量，縮短了開(kāi)發(fā)周期。設(shè)計(jì)中采用了DSP主控電路與調(diào)理電路分開(kāi)設(shè)計(jì)的方法，并且在設(shè)計(jì)中采用多層板結(jié)構(gòu)，大量使用了貼片元件，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及電磁兼容性。充分發(fā)揮了DSP快速運(yùn)算的能力，滿足配電線路監(jiān)控的實(shí)施性要求，也滿足了配電線路故障隔離和定位的要求。

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