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基于DSP的交流采样系统
基于DSP的交流采样系统
摘要
交流采样是电网进行微机保护的重要一步，交流采样方法的优劣直接影响到微机保护的效果。
本系统应用DSP制作交流采样电路，使其实现高速、准确的交流采样，通过软件控制实现模拟微机保护跳闸功能。
本文介绍了应用DSP实现对交流信号的采样硬件电路设计，论文总共分为四个部分。
（1）介绍交流采样的基本结构，设计思路，并分析目前交流采样的几种方式；
（2）通过对交流采样对象的分析，确定采样的参数大小并设计基于F2812的采样电路；（3）运用CCS3.1利用设计的程序对采样电路进行试验，得出电路的误差并进行分析；（4）通过上述设计，能够完成对交流信号的采集、处理并将所需数值显示出来。
满足设计要求。
由于时间、水平有限，本系统没有实现与计算机的数据通信，将在日后工作与学习中进一步完善。
关键词：
交流采样，DSP,微机保护
ABSTRACT
Theexchangesamplingistheelectricalnetworkcarriesonthemicrocomputertoprotectimportantlyonestep,theexchangesamplingmethod'sprotectsfitandunfitqualityimmediateinfluencetheeffectwhichtothemicrocomputer.ThissystemappliestheDSPmanufactureexchangesamplingcircuit,causesittorealizehighspeed,theaccurateexchangesampling,realizesthesimulationmicrocomputerprotectivetripfunctionthroughthesoftwarecontrol.
ThisarticleintroducedrealizesusingDSPtoexchangesthesignalsamplinghardwarecircuitdesign,thepaperaltogetherdividesintofourparts.
（1）introducedthattheexchangesamplingthebasicstructure,thedesignmentality,andanalyzesthepresentexchangesamplingseveralways;
（2）throughtoexchangesthesamplingobjectanalysis,thedefinitesampling'sparametersizeanddesignsbasedontheF2812samplingcircuit;（3）carriesontheexperimentusingCCS3.1usingthedesignproceduretothesamplingcircuit,obtainselectriccircuit'serrorandcarriesontheanalysis;（4）throughtheabovedesign,cancompletetoexchangessignalgathering,processingandwillneedthevaluetodemonstrate,satisfiesthedesignrequirements.
Becausethetime,thelevelarelimited,thissystemhasnotrealizedwithcomputer'sdatacommunication,willbeworkinginthefutureandinthestudyfurtherconsummates.
KEYWORDS:
Exchangesampling,DSP,microcomputerprotection
第一章绪论
1.1研究背景与意义
电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路。
电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运行状态。
故障和不正常运行状态都可能在电力系统中引起事故，系统事故的发生，除了由于自然条件的因素以外，一般都是由于设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当而引起的。
在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性意外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性的切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。
继电保护装置到目前为止大部分都被电子元件或计算机代替，在微机保护系统当中，交流采样装置是微机保护很重要的一部分，其采样精度直接影响到了微机保护的准确度。
近几年来随着半导体技术的高速发展，各种种类的新型处理器相继问世，让开发运用在电力系统中的高速采样系统成为了可能。
随着数字信号处理器（DSP）的不断普及，其优异的性能逐渐被人们所知，将DSP运用于电力系统的各个环节已经是一种趋势。
本课题介绍的交流采样系统使用运算放大器和DSP对交流信号进行采样，具有实时性好、高准确高的优点，研究一种高实时性、高准确性的采样系统，对提高微机保护的性能至关重要，这是本课题研究的意义。
1.2研究现状
在电力系统的实际运行中，随着电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，电网存在谐波，还会有各种顺势干扰，采用时间继电器、电流继电器、信号继电器等组成的采样系统，存在硬件电路复杂等诸多弊端，因此本系统求取系统中交流参数采用软件代替硬件，进一步优化了交流采样系统，做到了简化硬件、提高实时性，并能快速、准确地采集各种电力参数，具有一定的应用价值。
随着国家GDP快速增长，电力系统的供电负荷日益增大，对其稳定性的要求越来越高，对电网的建设的投入也相当的大，在厂矿企业中，对电的需求十分的大，供配电的稳定性直接与效益挂钩。
随着微型计算机、DSP系统价格的逐步降低和技术的不断成熟，在工厂用电中，6.3kV、380V电压等级的继电保护设备也逐步向微机保护发展，基于DSP的交流采样系统将大量运用于此类场合。
1.3课题的总体设计思路
本设计是一个交流电压、电流采样、继电保护系统。
要求是明确该系统的基本构成，了解均方根算法等相关控制算法，熟悉DSP采样原理，完成采样电路硬件设计，实现交流采样。
其设计要求如下：
1）用数码管显示当前线路的电压、电流和功率
2）电压峰值采样范围为0V-480V,电流峰值采样范围为0-7.07A。
3）当采样所得电流或电压超出设定范围时，继电器动作，切断负载线路。
文章介绍了以DSPF2812为核心的交流采样系统的设计，该设计采用了两路AD转换器以同时检测电流与电压的大小，并在程序上进行监控。
控制部分使用继电器切断线路。
本系统由硬件设计和软件变成构成，一下逐步对整个系统的软硬件作出介绍。
第二章交流采样系统的器件介绍
2.1DSP芯片介绍
我们通常所说的DSP有两个含义：
其一是DigitalSignalProcessing的简称，是指数字信号处理技术，它不仅涉及许多学科，还广泛应用于多种领域。
特别是20世纪60年代，随着计算机和信息技术的迅猛发展，进一步推动了数字信号处理技术的理论和应用领域的发展；DSP的第二个含义是DigitalSignalProcessor的简称，即数字信号处理器，也称为DSP芯片，它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度远远超过通用微处理器。
他是一种适合于数字信号处理的高性能微处理器。
数字信号处理其已经成为数字信号处理技术和实际运用之间的桥梁，并进一步促进了数字信号处理技术的发展，也极大地拓展了数字信号处理技术的应用领域。
在微电子技术发展的带动下，DSP芯片的功能日益强大，性能价格比不断提高，开发环境日臻完善，应用领域不断扩大。
在步入数字化时代的进程中，数字信号处理器扮演着举足轻重的角色。
2.1.1DSP的特点
为了实现快速的数字信号处理，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构。
TMS320系列DSP主要采取了哈佛结构、流水线技术、硬件乘法器和特殊DSP指令等。
哈佛结构：
哈佛结构是一种并行体系结构，主要特点是将程序和数据储存在不同的存储空间，对程序和独立编址，独立访问。
而且在DSP内部设置了数据和程序两套总线，使得存取指令和执行能完全重叠运行，提高数据吞吐量。
为了进一步提高速度和灵活性，TMS320系列产品中，在哈佛结构上作了改进，一是允许程序存储在高速缓存中，提高指令读取速度；二是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强芯片的灵活性。
另外，DSP仲的双口RAM及独立读写总线使数据存取速度提高。
流水线技术：
DSP芯片广泛采用流水线技术，增强了处理器的处理能力。
TMS320系列流水线深度为2～6级不等，也就是说，处理器在一个时钟周期可以并行处理2-6条指令，在每条指令处于流水线的不同阶段。
在流水线操作中，取指令、指令译码和执行可以独立处理，这样DSP可以同时处理多条指令，只是每条指令处于不同的阶段。
例如在取N条指令是，前一条指令处于译码阶段，而前两条指令则处于执行阶段。
硬件乘法器：
在数据信号处理的许多算法中，（如FFT和FIR等），需要做大量的乘法和加法。
显然，乘法速度越快，数据处理能力就越强。
在通用的微处理器中，有些根本没有乘法指令，有乘法指令的处理器，其乘法指令的执行时间也较长。
相比而言DSP芯片一般都有一个硬件乘法器。
在TM320系列中，一次乘累加最少可以在一个时钟周期完成。
特殊DSP指令：
DSP芯片的另外一个特点就是采用了特殊的寻址方式和指令。
比如，TMS320系列的位返转寻址方式，LTD、MPY、RPTK等特殊指令。
采用这些适合于数字信号处理的寻址方式和指令，进一步减少了数字信号处理的时间。
另外，由于DSP的时钟频率提高，执行周期的缩短，加上以上一些DSP结构特征使得DSP实现实时数字信号处理成为可能。
2.1.2DSPTMS320F2812芯片的技术指标
1、芯片运行速度为150M；
2、工作速度可达150MIPS；
3、片上RAM18k×16bit；
4、片上扩展RAM存贮空间64K×16Bit；
5、自带16路12bitA/D,最大采样速率12.5msps；
6、2路的DAC7528转换，10M/S，8Bit；
7、一路UART串行接口，符合RS232标准；
8、16路PWM输出；
9、1路CAN接口通信；
10、片上128×16bitFLASH，自带128位加密位；
11、设计有用户可以自定义的开关和测试指示灯；
12、4组标准扩展连接器，为用户进行二次开发提供条件；
13、具有IEEE1149.1相兼容的逻辑扫描电路，该电路仅用于测试和方针
14、+12V电源输入，内部+3.3V、+1.8V电源管理；
2.1.3DSPF2812开发板的管脚功能说明
F2812有四个用于二次开发的34芯外扩总线，分辨是J12、J13、J18、J19。
J12扩展插座包含16根地址线和16跟数据线，可以用于读出和输出并行的数据；J13扩展插座包括F2812外部扩展总线的控制线、McBSP接口线、外部中断和外部复位等重要的引脚信号；J18扩展插座主要是AD和DA接口，J18仲扩展了所有的AD和DA引脚；J19扩展插座主要是扩展F2812开发板上空闲的DSP外设引脚，以便于制定硬件环境。
由于交流采样系用只需要用到J18和J19扩展插座，下表就对J18和J19的管脚定义进行说明。
表2.1J18的管脚定义和说明
管脚号
管脚名
说明
管脚号
管脚名
说明
1
VCCA
模拟电源+5V
18
AGND
模拟地
2
VCCA
模拟电源+5V
19
ADINB6
模拟输入通道B6
3
CAP1
CAP输入端1
20
ADINB7
模拟输入通道B7
4
CAP2
CAP输入端2
21
ADREFIN
测试引脚
5
ADINA2
模拟输入通道A2
22
ADCREFLO
模拟参考低电压输入
6
ADINA3
模拟输入通道A3
23
ADINA0
模拟输入通道A0
7
ADINA4
模拟输入通道A4
24
ADINA1
模拟输入通道A1
8
ADINA5
模拟输入通道A5
25
DAOUT1
模拟输出通道1
9
ADINA6
模拟输入通道A6
26
DAOUT2
模拟输出通道2
10
ADINA7
模拟输入通道A7
27
11
ADINB0
模拟输入通道B0
28
12
ADINB1
模拟输入通道B1
29
CAP3
CAP输入端3
13
ADINB2
模拟输入通道B2
30
CAP4
CAP输入端4
14
ADINB3
模拟输入通道B3
31
CAP5
CAP输入端5
15
ADINB4
模拟输入通道B4
32
CAP6
CAP输入端6
16
ADINB5
模拟输入通道B5
33
AGND
模拟地
17
AGND
模拟地
34
AGND
模拟地
表2.2J19的管脚定义和说明
管脚号
管脚名
说明
管脚号
管脚名
说明
1
+5V电源
由POWER提供的电源
18
GND
地线
2
+5V电源
由POWER提供的电源
19
T2CTRP
定时器2比较输出
3
PWM1
PWM1输出引脚
20
T3CTRP
定时器3比较输出
4
PWM2
PWM2输出引脚
21
T4CTRP
定时器4比较输出
5
PWM3
PWM3输出引脚
22
C1CRTIP
比较器1比较输出
6
PWM4
PWM4输出引脚
23
C2CRTIP
比较器2比较输出
7
PWM5
PWM5输出引脚
24
C3CRTIP
比较器3比较输出
8
PWM6
PWM6输出引脚
25
TDIRA
定时器计数方向A
9
PWM7
PWM7输出引脚
26
TCKINA
定时器时钟输入A
10
PWM8
PWM8输出引脚
27
SCITXB
异步串口TX端B
11
PWM9
PWM9输出引脚
28
SCIRXB
异步串口RX端B
12
T1PWM
T1输出引脚
29
SPSIMA
SPI主收主发端
13
T2PWM
T2输出引脚
30
SPSOMA
SPI主发从收端
14
T3PWM
T3输出引脚
31
SPICLKA
SPI时钟
15
T4PWM
T4输出引脚
32
SPISTEA
SPISlave发送使能
16
T1CTRP
定时器1比较输出
33
GND
地线
17
GND
地线
34
GND
地线
2.2运算放大器LM324介绍
2.2.1LM324工作原理
LM324系列运算放大器是价格低廉的带差动输入功能的四运算放大器，可工作在单电源下。
与某些单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
LM325具有以下优点：
1.短路保护输出
2.真差动输入级
3.可单电源工作：
3V-32V
4.低偏置电流：
最大100nA（LM324A）
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源
8.行业标准的引脚排列
9.输入端具有静电保护功能
LM324内部集成四个运算放大器，每个运放相互独立，可以单独使用。
从原理上说，集成运算放大电路实质上就是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。
他的内部通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图所示。
以下简单介绍个部分的功能。
图2.1集成运放的基本组成部分
1）输入级
集成运放的输入级对于他的许多指标注入输入电阻、共模输入电压、差模输入电压和共模抑制比等等，起着决定性的作用，因此是提高集成运放质量的关键。
为了发挥集成电路内部元件参数匹配较好、易于补偿的优点，输入级大都采用差分放大电路的形式。
2）中间级
中间级的主要任务是提供足够大的电压放大倍数。
从这个目标出发，不仅要求中间级本身具有较高的电压增益，同时为了减少对前级的影响，还应具有较高的输入电阻。
尤其当输入级采用有源负载时，中间级的输入电阻问题更为重要，否则将使输入级的电压增益大为降低，失去了有源负载的优点。
另外，中间级还应向输出级提供较大的推动电流，并能根据需要实现双端输入至单端输出的转换。
为了提高电压放大倍数，集成运放中间级经常利用三极管作为有缘负载。
另外，中间级的放大管有时采用复合管的结构形式。
3）输出级
集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载的需要，同时还应具有较低的输出电阻以便增强带载能力，也应有较高的输入电阻，以免影响前级的电压放大倍数。
一般不要求输出级提高很高的电压放大倍数。
由于输出级工作在大信号状态，应设法尽可能减少出书波形的失真。
此外，输出级应有过载保护措施，以防输出端意外短路或负载电流过大而烧毁功率管。
集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称放大电路。
4）偏置电路
偏置电路的主要作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。
一般由三极管组成的电流源电路提供恒定的静态电流和有源负载。
2.2.2LM324的引脚、结构及其典型运用
图2.2LM324管脚图
LM324管脚如上图所示，管脚3、5、10、12为“+”端，是四个运放的同相输入端，管脚2、6、9、13为“-”端，是四个运放的反相输入端，1、7、8、14为四个运放的输出端。
输出端的电压与反向输入端的信号相位相反，而与同相输入端的信号相位相同。
对于理想的运放，工作在线性状态时，输出电压与输入电压的关系为
U0=Aod（Ui2-Ui1）（2-1）
式中，Aod是运放的开环差模电压放大倍数。
由于运放的开环放大倍数很大，所以其线性工作范围很窄。
为了让运放能在比较大的输入电压范围内工作在线性区，就必须引入深度负反馈降低运放的放大倍数。
当运放工作工作在线性区时，可组成各类信号运算电路，如比例、加减、微分和积分等。
2.2.2.1比例运算电路
比例运算电路的输出电压与输入电压之间存在比例关系，即电路可以实现比例运算，是其他各种运算电路的基础。
比例运算电路根据输入信号解法的不同，有电路三种基本形式：
反相输入、同相输入以及差分输入比例运算电路。
图2.3反相比例运算电路
上图中，输入电压Ui电阻R1加到集成运放的反相输入端，其同相输入端经电阻R2接地。
输出电压U0经Rf接回到反相输入端构成负反馈放大器。
集成运放的反相输入端和同相输入端，实际上是运放内部输入级两个差分对管的基级。
为了使差动放大电路的参数保持对称，应使两个差分对管基级对地电阻尽量一致，以免静态基流流过这两个电阻时在运放输入端产生附加的偏差电压。
因此选择R2的阻值为
R2=R1//Rf（2-2）
而反比例运算运算电路的电压放大倍数为
（2-3）
图2.4同相比例运算电路
上图中，输入电压
连接至同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输入电压
通过电阻Rf仍接到反相输入端，同时，反相输入端通过R1接地。
为了使集成运放反相输入端和同相输入端对地电阻一致，R2电阻仍应为
R2=R1//Rf（2-4）
同比例运算电路的电压放大倍数为
（2-5）
图2.5差分比例运算电路
上图中，输入电压Ui和Ui’分别加在集成运放的反相输入端和同相输入端，从输出端通过反馈电阻Rf接回到反相输入端。
为了保证运放两个输入端对地的电阻平衡，同时为了避免降低共模抑制比，通常要求
R1=R1’,Rf=Rf’（2-6）
差分比例运算电路电压放大倍数为
（2-7）
2.2.2.2加法和减法运算
图2.6加法电路
加法电路电压为
（2-8）
若取R1=R2=R3=Rf=R式可简化为
（2-9）
图2.7减法电路
减法电路电压为
（2-10）
2.2.2.3滤波电路
当运放工作在线性区时，还可以组成各式各样的滤波电路。
由于集成运放是有源元件，因此由其构成的滤波电路通常称为有源滤波电路。
图2.8有源二阶低通滤波电路
二阶有源低通滤波电路的通带电压放大倍数为
（2-11）
通带截止频率为
（2-12）
2.3开关式稳压电源芯片LM2596介绍
LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。
固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。
该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。
由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。
该器件还有其他一些特点：
在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内；可以用仅80μA的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）LM2596常常被运用于制作高效率降压调节器、单片开关电压调节器、正负电压转换器等。
在本采样系统中，由于LM2596带载能力强，我们选用了LM2596的5V固定输出版本用于给所有需要5V供电的元件供电。
2.3.1LM2596的特点
1）3.3V、5V、12V的固定电压输出和可调电压输出
2）可调输出电压范围1.2V～37V±4%
3）输出线性好且负载可调节
4）输出电流可高达3A
5）输入电压可高达40V
6）采用150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高
7）低功耗待机模式，IQ的典型值为80μA
8）TTL断电能力
9）具有过热保护和限流保护功能
10）封装形式：
TO-220（T）和TO-263（S）
11）外围电路简单，仅需4个外接元件，且使用容易购买的标准电感
2.3.2LM2596的引脚及主要性能参数
图2.9LM2596引脚图
图2.1为LM2596的引脚图，每个引脚的极限参数如下：
1）1号管脚为VCC，最大电源电压为45V。
2）2号管脚输出管脚，输出电压为3.3V、5V、12V或者为小于37V的可调电压。
3）3号管脚为接地管脚。
4）4号管脚为反馈管脚，所能承受的反馈电压的范围是-0.3V-25V。
5）5号管脚为ON/OFF脚，所能承受的控制电压为-0.3V-25V。
表2.3LM2596的主要性能参数
符号
参量
条件
典型值
极限值
LM2596-3.3
VOUT
输出
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