一種基于DSC的新型交流采樣系統的研究

摘 要：文章介紹一種新型交流采樣算法，進而介紹了其軟件、硬件的實現方案。此交流采樣系統已經成功應用于大型發電機勵磁系統的交流電量測量，同時由于其響應速度快、測量精準，也可用于其他測控系統的電量信號反饋。

關鍵詞：交流采樣；測量勵磁；研究

1 概述

電量信號測量一直是測控系統中的重要環節。而交流采樣以其測量精度高、響應速度快，不受變送器或前端信號處理電路影響的優勢，已經成為交流電量測量的主流方式[1]。在電力系統應用中，隨著技術的發展對交流采樣的技術指標提出了越來越高的要求。這就使得我們不僅要在硬件方案中選用性能更高的平臺、在軟件編制中優化提高代碼效率，更要在根本上改善算法。使用更加簡潔、準確、快速的算法從而提高交流采樣系統性能。為此，我們研究了一種新型的交流采樣系統，用以測量交流電量的頻率、有效值、功率因數及有功功率和無功功率等。

2 原理及算法

3 實現方法

本交流采樣系統基于大型發電機勵磁控制系統的應用研制，因此需要測得的信號較多。輸入包括三組三相交流電壓和兩組三相交流電流，需分別測得其頻率、有效值、有功功率、無功功率等數據。由于待測的參數較多，采樣信息量較大，實時性要求高，在短時間內完成如此大量的計算僅靠單個DSC器件難以實現，所以采用雙DSC協同作業方案[2]。兩個DSC采用主從方式協同工作，其中選用TMS320F2812為從機，TMS320F28335為主機，兩個DSC使用DPRAM（雙端口RAM）實現高速數據交換。從機負責數據采集、六個通道頻率信號的周期方式測量和采集數據的前期處理，并將采集的數據和處理結果存入DPRAM的指定單元，同時通知主機；主機負責其他通道頻率信號的周期方式測量、在接收到從機的通知后，從DPRAM中讀取數據，完成所有測量數據的后期處理，并負責與外部的通信[3]。

為提高設計的靈活性、減少硬件開銷，采用目前較為流行的非同步采樣法。根據算法設計要求，采樣周期為0.5mS（非同步定時），每采樣一次之后，立即開始所有通道的有效值、功率和頻率等參數計算。計算結果根據需要周期性地通過SPI接口由主DSC發送至勵磁系統主控制器。頻率測量采用兩種方法同時進行，一種是采樣法，根據采樣數據實時計算得到待測信號的頻率，這一計算任務數據處理量大，由主DSC來完成；另一種是將交流信號放大、整形后經比較器產生方波信號，再由DSC內部的捕捉定時器測量出方波信號的周期，最后計算得到待測工頻信號的頻率。

從屬DSC負責三個ADC的管理，控制數據采集過程，采集周期由F2812的PWM單元實現，啟動后無需軟件干預，由此產生的AD啟動信號無抖動、周期性好。三個ADC由周期信號同時啟動，AD轉換結束信號觸發F2812的NMI中斷，在中斷服務程序中，讀取各ADC的數據，保存到DPRAM的指定單元，同時通知主DSC（TMS320F28335）采集數據已經準備好，之后在主程序中進行12個通道有效值前期算法以及定子功率前期算法的處理，并將處理結果保存至DPRAM的指定單元，再次通知主DSC有效值前期計算已經完成。從屬DSC還負責六個通道（三相定子電壓和電流）工頻信號的周期測量，并采用動態窗口數字濾波方法進行數字濾波，每當某一個通道的周期測量完成，便將該通道的周期測量結果（整型數）通過DPRAM傳送給主DSC，同時設置數據更新標志以便主DSC識別；主DSC查詢到此數據后，將數據從DPRAM中取出并完成頻率計算，之后再將這一頻率數據存入指定數據單元供系統使用。

主DSC與從屬DSC共用系統時鐘，主要負責DSC通訊、12通道采樣法頻率計算、6通道周期法頻率測量、直流電量測量與白噪聲信號處理、有效值和功率計算的后期數據處理以及整個系統的數據管理。數據通過SPI接口發送給勵磁調節器的主控系統，TMS32028335作為發送主機，勵磁調節器主控系統作為從機；數據發送周期內的測量數據采用平均值方法處理。SPI發送的啟動在主程序中，當前的TX FIFO緩沖區數據傳輸結束時會產生中斷請求，在中斷服務程序中將發送數據緩沖區的數據寫入FIFO，直到發送數據緩沖區空。采樣法頻率測量的數據處理、計算任務放到中斷服務程序中，當從屬DSC完成一次采集并將各個通道的采集數據存儲到DPRAM的指定單元后，通過寫入DPRAM的通知單元產生一個中斷請求信號，這樣每當數據采集結束后，主DSC便會很快開始采樣法頻率測量的數據處理任務。

主DSC程序的主流程中通過查詢方法檢查從DSC有效值和功率參數的前期計算任務是否完成，每當查詢到有新的前期計算結果，便從指定單元取出相應的數據并完成后續的計算任務，之后設置數據刷新標志。硬件PCB板上的第三片ADC的采樣數據（三個通道直流信號和白噪聲信號）也在此處處理，測量結果存入指定數據單元。主流程中的另一項任務是周期法測量六個通道的工頻信號周期，測量方法是使用TMS320F28335的六個高分辨率捕捉定時器，每當有捕捉事件發生后便進行數據處理，將結果存入指定數據單元；同時從DSC進行的另外六通道工頻信號頻率周期測量也在這里通過查詢方式完成后續數據處理。

4 結束語

通過試驗測試表明，本交流采樣系統方案配置合理，運行穩定可靠。其采樣和計算精度、數據計算和刷新周期、通訊速度等指標均滿足勵磁系統需求。并完全可在電力系統其他設備中應用，是一種適用廣泛的交流采樣方案。

參考文獻

[1]凌濱，張黎. 一種實用的交流電量參數測量方法[J]. 自動化技術與應用，2005，24（10）.

[2]周志宇.基于DSP的同步交流采樣技術[J].電力自動化設備，2006，26（5）.

[3]夏曉玲.基于DSP的交流采樣設計[J].儀器儀表學報，2006，27（s3）：2392-2393.

作者簡介：王勤（1984-），女，碩士，哈爾濱電機廠有限責任公司，從事發電機勵磁系統的研發設計工作。