多路電力諧波數(shù)據(jù)同步采集的DSP實現(xiàn)*

甘 輝 玉振明 彭國晉

(1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 桂林 541004)(2.梧州學(xué)院 梧州 543002)

多路電力諧波數(shù)據(jù)同步采集的DSP實現(xiàn)*

甘 輝1玉振明2彭國晉2

(1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 桂林 541004)(2.梧州學(xué)院 梧州 543002)

針對有源電力濾波器對多路電壓、電流等信號同步采集的要求,提出一種基于DSP調(diào)用SYS/BIOS實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)16路同步信號并行采集的方案。采用TMS320C6747 DSP和ADC7606模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為核心,簡化電路設(shè)計,實現(xiàn)了多路同步信號并行采集。實驗證明該方案能實時、精準(zhǔn)、穩(wěn)定、可靠地對電力諧波數(shù)據(jù)進行同步采集。

多路同步采集; DSP; SYS/BIOS; ADC7606; 電力諧波

Class Number TP274.2

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子電氣設(shè)備被廣泛應(yīng)用,產(chǎn)生大量電力諧波,嚴重污染電力系統(tǒng),因此消除諧波污染,已成為電力系統(tǒng),尤其是智能電網(wǎng)建設(shè)中的一個重大課題。消除諧波首先要對電網(wǎng)的電壓、電流,負載的電流以及有源電力濾波器的輸出電流信號進行同步采集。王浩等[1]設(shè)計的多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過DSP和CPLD相互配合,實現(xiàn)多通道同步數(shù)據(jù)采集;宋健等[2]設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要雙DSP進采集和控制。這兩種設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)、控制邏輯相對復(fù)雜。本文針對有源電力濾波器需要對多路信號同步采集的要求,采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC7606結(jié)合6系列DSP,簡化電路,設(shè)計并實現(xiàn)16路信號同步采集系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

每一路來自互感器的信號,經(jīng)過放大和濾波電路后輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC7606。數(shù)模轉(zhuǎn)換器由系統(tǒng)統(tǒng)一的時鐘保證同步采樣和轉(zhuǎn)換。DSP檢測到ADC7606轉(zhuǎn)換完成后,將數(shù)據(jù)讀取回SDRAM中,為電力諧波消除提供數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)關(guān)鍵問題:小信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器時序的控制、16路信號數(shù)據(jù)的高速讀取。

本系統(tǒng)的16路同步信號采集是通過TI公司的實時操作系統(tǒng)SYS/BIOS[3]進行統(tǒng)一調(diào)度實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件工作狀態(tài)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件工作狀態(tài)

系統(tǒng)上電后,進行系統(tǒng)的初始化,然后啟動SYS/BIOS系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)采樣率設(shè)置定時器的周期。定時溢出中斷函數(shù)發(fā)送關(guān)于啟動A/D采集的信號量[4],該信號量被一直等待的高優(yōu)先級采集任務(wù)[5]接收,隨后觸發(fā)ADC7606進行采樣。數(shù)據(jù)讀取任務(wù)負責(zé)檢測轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)和讀取轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)由小信號處理模塊、A/D采集模塊、DSP控制模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊四部分組成。小信號處理模塊由模擬放大電路和濾波電路組成,主要針對傳感器輸出的弱電信號進行放大和濾波,為A/D輸入做前級處理;DSP控制模塊主要對A/D采集模塊進行初始化和同步控制數(shù)據(jù)采集[6];數(shù)據(jù)讀取模塊主要用于檢測A/D模塊轉(zhuǎn)換完成情況和數(shù)據(jù)的高速讀取。系統(tǒng)的整體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框架

3 關(guān)鍵技術(shù)分析及解決途徑

3.1 小信號處理

本系統(tǒng)對多路電壓、電流信號進行同步采集[7]。采樣信號來源于電壓、電流互感器,互感器輸出的電流信號很微弱,首先要進行放大處理。結(jié)合互感器的特點,采用I-V[8]變換電路對小信號進行放大,如圖3所示。經(jīng)過I-V變換電路,輸出電壓由式(1)計算。

Vout=R×I

(1)

其中R是反饋電阻,由式(1)根據(jù)實際需要調(diào)整放大倍數(shù)及調(diào)整R的大小。

濾波電路:由R2和C2組成一階低通濾波器,截止頻率為

(2)

電力諧波一般提取到50次諧波,50次諧波頻率2500Hz。系統(tǒng)根據(jù)它來計算截止頻率。取R2為620Ω,C2為0.1μf,截止頻率約為2568Hz,實驗效果良好。

圖3 小信號放大和濾波電路

3.2 A/D采樣模塊

ADC7606是一款8通道16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器[9],采用雙極性輸入,可以直接連接電壓、電流霍爾傳感器。該轉(zhuǎn)換器最大的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速率快、精度高、前端調(diào)理電路相對簡單。

轉(zhuǎn)換速度:根據(jù)奈奎斯特采樣定理,采集50次以下的電力諧波,要求采樣率要5000Hz以上。ADC7606模數(shù)轉(zhuǎn)換器每一路的采樣轉(zhuǎn)換速率為200ksps,轉(zhuǎn)換速率完全滿足要求。

精度計算:內(nèi)部參考基準(zhǔn)電壓為2.5V,輸入電壓范圍為±5V,16位A/D轉(zhuǎn)換器分辨率如式(3),精度能夠滿足要求。

(3)

3.3 DSP控制邏輯

DSP的控制邏輯是系統(tǒng)能夠完成16路同步采集[10]的關(guān)鍵。控制邏輯包括:啟動控制、模式控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成的檢測和數(shù)據(jù)讀取的控制。ADC7606與TMS320C6747DSP的接口電路如圖4。其中RSTx是#1與#2的RST;SOx是#1與#2的SO1,SO2,SO3。

圖4 ADC7606與TMS320C6747的接口電路

3.3.1 啟動控制

同步啟動信號,DSP/BIOS系統(tǒng)根據(jù)采樣率來確定定時器的溢出周期[11],由定時器的溢出中斷來完成同步啟動信號的發(fā)送。

3.3.2 模式控制

ADC7606電壓輸入范圍、轉(zhuǎn)換濾波器系數(shù)和芯片復(fù)位控制由74LS164并行輸出的指令電平控制。DSP通過SPI協(xié)議將控制指令發(fā)送給74LS164。

3.3.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成檢測的控制

ADC7606轉(zhuǎn)換完成之后才能讀取到有效的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志是AD7C606的BUSY引腳輸出低電平。本系統(tǒng)利用兩個開關(guān)二極管和一個電阻器組成或門電路,將兩路BUSY信號進行“或”運算然后輸給DSP檢測,有效減少DSP軟、硬件資源消耗。DSP檢測到或門電路輸出低電平,即確定兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換器都完成了轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)立即啟動讀取數(shù)據(jù)的任務(wù)。

3.3.4 數(shù)據(jù)讀取的控制

ADC7606數(shù)據(jù)讀取支持串行、并行接口,為了提高數(shù)據(jù)讀取的速度,采用16位DSP兼容并行接口。當(dāng)芯片片選無效時,ADC7606的數(shù)據(jù)總線處于高阻態(tài)。利用該特性,采用TMS320C6747的EMIFA中異步存儲器接口模式與其連接。兩片ADC7606的數(shù)據(jù)總線都連接到EMIFA接口的數(shù)據(jù)總線上。確定轉(zhuǎn)換完成后,SYS/BIOS調(diào)度讀取數(shù)據(jù)的任務(wù),通過控制RS、CS的信號結(jié)合數(shù)據(jù)總線地址,就可以快速地將每個通道的數(shù)據(jù)讀取回SDRAM中。

4 系統(tǒng)性能測試及分析

4.1 系統(tǒng)性能測試

4.1.1 系統(tǒng)采集精度測試

輸入直流電壓測試轉(zhuǎn)換精度。測試結(jié)果如表1所示。

表1 精度測試結(jié)果

采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)與測量儀器進行對比測試。在諧波消除實驗平臺用儀器測得電網(wǎng)的電壓、電流波形如圖5和圖6所示。實時采集的數(shù)據(jù)用CCS的Graph功能生成的電壓、電流波形如圖7、圖8所示。

以上兩種測試都表明系統(tǒng)的采集精度能夠滿足要求。

圖5 實際電壓波形

圖6 實際電流波形

圖7 單相電壓波形

圖8 對應(yīng)負載電流波形

4.1.2 系統(tǒng)的實時性

針對電網(wǎng)電壓和電流相位的比較,這里采用三相整流后加在純電阻上的電流波形作為基準(zhǔn)。由于沒有使用感性、容性負載,所以電流相位與電壓相位一致。所用同相電壓信號采集的數(shù)據(jù)和同相的電流信號采集的數(shù)據(jù)生成的波形做比較,觀察實時刷新的電壓波形和電流波形,分別如圖7和圖8所示,結(jié)果表明電壓和電流的相位保持一致。根據(jù)實時采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)用廣義瞬時無功功率p,q[9]計算方法實時提取出來的單相電流諧波信號如圖9所示,模擬實時電流諧波補償波形效果如圖10所示。結(jié)果表明采集系統(tǒng)的實時性滿足采集電力諧波數(shù)據(jù)需求。

圖9 提取的單相電流諧波

圖10 模擬補償單相電流效果

4.2 系統(tǒng)技術(shù)特點

本系統(tǒng)跟傳統(tǒng)的多路同步采集系統(tǒng)相比,具有以下技術(shù)特點和優(yōu)點:

1) 采樣精度高,每一路的A/D采樣都有16位的精度。

2) 擴展性強,本系統(tǒng)完成的是16路信號的同步采集,只要再增加相應(yīng)的A/D數(shù)量和控制RS、CS信號,就能夠快速擴展。

3) 移植性強,本系統(tǒng)可以方便的移植到其他型號的DSP或ARM中。

4) 外部接口簡單,支持±10V或±5V的電壓輸入,可以直接連接電壓、電流霍爾傳感器。

5) 轉(zhuǎn)換率高,每一通道都有200ksps的采樣轉(zhuǎn)換速率,能夠滿足有源電力濾波器對高次諧波采集的需求。

5 結(jié)語

本文基于DSP的多路電力諧波數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn),選用TI公司的6系列信號處理器TMS3206747,模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC7606,調(diào)用SYS/BIOS實時操作系統(tǒng),完成了整個采集系統(tǒng)。該設(shè)計已應(yīng)用于梧州市電力諧波檢測與消除研究項目中,性能良好,能實時精確地采集電網(wǎng)電壓、負載電流等信號,滿足了高精度電力諧波檢測與補償?shù)膶崟r采集要求。

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Realization of Multi Channel Power Harmonic Data Acquisition Based on DSP

GAN Hui1YU Zhenming2PENG Guojin2

(1. School of Information and Communication, Guilin University of Electronic and Technology, Guilin 541004) (2. College of Wuzhou, Wuzhou 543002)

Aiming at the requirement of multi-channel voltage, current and other signal to synchronous acquisition of active power filter, a new scheme to achieve parallel acquisition of 16 path synchronous signals is proposed based on DSP call SYS/BIOS real time operating system. TMS320C6747 DSP and ADC7606 are used as the system core of analog-to-digital converter, circuit design is simplified, parallel acquisition of multi-channel synchronous signals are achieved. Experiments demonstrate that this method can be real time, accurate, stable and reliable to synchronize collection of electric power harmonics data.

multiple synchronous acquisition, DSP, SYS/BIOS, ADC7606, power harmonics

2016年9月11日,

2016年10月27日

甘輝,男,碩士,助理工程師,研究方向:智能控制。玉振明,男,博士,教授,研究方向:圖像融合,信號處理。彭國晉,男,碩士,助教,研究方向:視頻圖像處理。

TP274.2

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.038