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基于TMS320F206的電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理板設(shè)計(jì)
摘要：介紹了基于DSP芯片TMS320F206的電網(wǎng)采樣處理板的軟、硬件設(shè)計(jì)方法，對(duì)硬件各模塊電路的工作原理作了重點(diǎn)的討論，同時(shí)給出了該電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理板的主程序和中斷處理程序流程圖。１ 引言
隨著電力系統(tǒng)新型負(fù)荷及非線性負(fù)荷的大量增加，電力系統(tǒng)的電壓和電流波形會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，從而給電力系統(tǒng)帶來(lái)很大的“電網(wǎng)污染”。特別是用戶(hù)內(nèi)部短路以及開(kāi)關(guān)操作、變壓器或電容器組投切時(shí)的短時(shí)中斷均會(huì)引起暫態(tài)、瞬時(shí)過(guò)電壓以及電壓凹陷、凸起或短時(shí)供電中斷等電能質(zhì)量擾動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波成份也越來(lái)越復(fù)雜，嚴(yán)重的電力“污染”對(duì)某些行業(yè)（如醫(yī)院的精密儀器、微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及智能電子、工業(yè)過(guò)程控制中的微處理器等）構(gòu)成了巨大的威脅，甚至造成“瀑布”式的連鎖反映，從而引發(fā)電網(wǎng)崩潰的事件。所以，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)數(shù)據(jù)的精確采集、故障判斷、數(shù)據(jù)處理已成為電網(wǎng)正確運(yùn)行的焦點(diǎn)。
現(xiàn)有的電網(wǎng)質(zhì)量分析板受器件和分析方法的限制，大多對(duì)系統(tǒng)中的暫態(tài)、短時(shí)擾動(dòng)信息難以快速、準(zhǔn)確地捕捉。隨著高速數(shù)字信號(hào)處理?ＤＳＰ?技術(shù)的發(fā)展及其制造成本的降低，ＤＳＰ技術(shù)在電力系統(tǒng)的各個(gè)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。表１是ＤＳＰ方式與傳統(tǒng)芯片處理方式的能力對(duì)比，從中可以看出ＤＳＰ用作處理器的優(yōu)勢(shì)。
表1 DSP與傳統(tǒng)芯片處理能力對(duì)比表
２ 基于ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的硬件設(shè)計(jì)
基于ＤＳＰ處理板的主體設(shè)計(jì)思想是采用ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６構(gòu)成數(shù)字處理系統(tǒng)，并以下位機(jī)為主體實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣、數(shù)據(jù)處理、分析和短時(shí)儲(chǔ)存，然后與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，以及利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行展示和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理等。具體操作如下：
（１）用處理板測(cè)量并計(jì)算三相電流、電壓的有效值、有功功率、無(wú)功功率以及功率因數(shù)；對(duì)４０Ｈｚ～２ＭＨｚ頻率輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻采樣；
（２）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析查錯(cuò)，給出報(bào)警類(lèi)別，并給出開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)以便進(jìn)行開(kāi)合閘操作；
圖2
（３）對(duì)電壓、電流的ｌ～６３次諧波進(jìn)行分析，給出幅度、相位以及三相電壓、電流的總畸變率；
（４）通過(guò)１６Ｃ５５２芯片ＵＡＲＴ擴(kuò)展２個(gè)ＲＳ－２３２和一個(gè)ＲＳ－４８５接口以便與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)擴(kuò)展一并行口以與打印機(jī)相連；
（５）用看門(mén)狗進(jìn)行刷新、復(fù)位并實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)；
該處理板的主控芯片選用定點(diǎn)ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６。系統(tǒng)的硬件功能框圖如圖１所示。
該電網(wǎng)采樣數(shù)據(jù)處理板的功能是在數(shù)字信號(hào)處理芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６的控制下完成的。數(shù)據(jù)采樣模塊采用的３片高速１４位Ａ／Ｄ芯片ＭＡＸ１２５在工作時(shí)外接與１６Ｃ５５２公用的１６ＭＨｚ時(shí)鐘，因其并行接口數(shù)據(jù)訪問(wèn)和總線釋放的時(shí)間特性與ＤＳＰ的特性兼容，因此，其轉(zhuǎn)換結(jié)果可由ＤＳＰ不加等待狀態(tài)而直接讀取。３片ＭＡＸ１２５在此用１２路進(jìn)行同步采樣?不用的通道為防干擾應(yīng)接地。電壓、電流等模擬量通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換成－５Ｖ～＋５Ｖ的電壓，并在濾波后接入ＭＡＸ１２５，轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)由ＤＳＰ的引腳ＴＯＵＴ提供給３片ＭＡＸ１２５的ＣＯＮＶＳＴ引腳，并在上升沿啟動(dòng)采樣，片內(nèi)的時(shí)序發(fā)生器可控制指定的通道以使其按順序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存儲(chǔ)在片內(nèi)１４Ｂｉｔ×４的ＲＡＭ中，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，每片ＭＡＸ１２５的ＩＮＴ引腳變低?３片通過(guò)ＣＰＬＤ或門(mén)輸出給ＤＳＰ。讀取結(jié)果時(shí)，執(zhí)行連續(xù)讀操作，第一次讀到的是第一通道的數(shù)據(jù)，第二次讀的是第二通道的數(shù)據(jù)，依此類(lèi)推。
１６Ｃ５５２是ＴＩ?ＴＬｌ６Ｃ５５２?、ＥＸＡＲ?ＳＴ１６Ｃ５５２? 、ＶＬＳＩ?ＶＬ１６Ｃ５５２?等公司生產(chǎn)的異步通信芯片。在采樣處理板中?１６Ｃ５５２可作為ＲＳ２３２、ＲＳ４８５串口和打印機(jī)并口的擴(kuò)展芯片，并通過(guò)ＭＡＸ２３２驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)和ＭＡＸ１４８６驅(qū)動(dòng)芯片與上位機(jī)進(jìn)行通訊。圖２為ＵＡＲＴ擴(kuò)展的電路圖。
圖4
由于ＴＭＳ３２０Ｆ２０６僅有一個(gè)同步通訊口，因而設(shè)計(jì)中采用ＤＳＰ的ＵＡＲＴ擴(kuò)展。同時(shí)由于輸入輸出接口的資源有限，故采用了ＣＰＬＤ擴(kuò)展。圖２中將ＤＳＰ及電源、地、光電耦合器等做了簡(jiǎn)化，有興趣的讀者可以查詢(xún)相關(guān)資料。本系統(tǒng)中１６Ｃ５５２的串口和并口都工作在中斷工作方式，１６Ｃ５５２的ＣＬＫ端外接１５．９７４４ＭＨｚ晶振時(shí)，可通過(guò)設(shè)置除數(shù)寄存器的高、低位ＤＬＭ、ＤＬＬ來(lái)確定通訊的波特率。
在硬件電路設(shè)計(jì)中，ｌ６Ｃ５５２的片內(nèi)寄存器選擇線Ａ０～Ａ２以及讀寫(xiě)信號(hào)均由ＤＳＰ直接控制。串、并行通道的片選線ＣＳＡ、ＣＳＢ和ＣＳＰ則由ＣＰＬＤ直接控制，可根據(jù)需要選擇串行通信方式還是并行通信方式。為防止干擾，
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