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基于DSP的跟蹤頻率變化的交流有樣技術(shù)
摘要:在電力系統(tǒng)交流采樣系統(tǒng)中,經(jīng)常要測量電網(wǎng)頻率,再根據(jù)頻率/周期的變化調(diào)整采樣周期。本文在簡單分析TMS320F240片內(nèi)定時(shí)器、捕獲器的使用原理后,提出一種全新的跟蹤頻率變化的交流采樣技術(shù)。在交流采樣系統(tǒng)中,通常是一個(gè)周波采樣64點(diǎn)或128點(diǎn)的電量值,然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果電網(wǎng)頻率恒定,則采樣間隔t=T/N(T為周期,N為采樣點(diǎn)),而電網(wǎng)的頻率通常有一定的波動(dòng),所以要不斷調(diào)整采樣間隔。
在單片機(jī)系統(tǒng)中,一般采用過零觸發(fā)電路和單片機(jī)的外部中斷來檢測電量周波的開始和結(jié)束時(shí)間,再利用內(nèi)部定時(shí)器計(jì)算出周期和采樣間隔,在采樣間隔定時(shí)中斷程序中啟動(dòng)一次采親。這種方案有兩個(gè)缺點(diǎn):其一,電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜;其二,精度不高,因?yàn)橐紤]中斷能否實(shí)時(shí)響應(yīng)。過零觸發(fā)電路產(chǎn)生的中斷響應(yīng)具有不確定性。
我們在使用TMS320F240 DSP開發(fā)交流采樣系統(tǒng)時(shí),巧妙地利用該款DSP的定時(shí)器、捕獲器和不中屏蔽中斷(NMI)實(shí)現(xiàn)了跟蹤頻率變化的交流采樣。
1 NMI中斷、定時(shí)器、捕獲器的簡單分析
(1)NMI中斷
TMS320F24X系列有一個(gè)不可屏蔽中斷(NMI)引腳。當(dāng)該引腳有跳變信號時(shí)(可編程為上升沿或下降沿觸發(fā)),立即進(jìn)入中斷程序,可以用于緊急事件的處理。本文中用于跟蹤被測電量的頻率。
(2)定時(shí)器介紹
TMS320F240有3個(gè)通用定時(shí)器,每個(gè)通用定時(shí)器有6種計(jì)數(shù)方式:①停止/保持模式,模式0;②單增計(jì)數(shù)模式,模式1;③連續(xù)增計(jì)數(shù)模式,模式2;④定向增/減計(jì)數(shù)模式,模式3;⑤單增/減計(jì)數(shù)模式,模式4;⑥連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式,模式5。
設(shè)fc是CPU的時(shí)鐘頻率,則定時(shí)時(shí)間t=脈沖個(gè)數(shù)/(fc/分頻系數(shù)),脈沖個(gè)數(shù)與定時(shí)周期寄存器的值或比較寄存器的值有關(guān)。工作過程是:①根據(jù)CPU的頻率、定時(shí)時(shí)間確定計(jì)數(shù)寄存器的初值TxNT、周期寄存器的初值TxPER、比較寄存器的初值TxCMP。②啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)數(shù)。③計(jì)數(shù)到比較寄存器的值發(fā)生比較匹配中斷,同時(shí)使TxCMP引腳發(fā)生跳變。本文中利用T3CPU的跳變?nèi)?dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換。④計(jì)數(shù)到周期寄存器的值發(fā)生周期匹配中斷。
定時(shí)器一旦開始工作就不受程序影響,準(zhǔn)確性高,保證每隔固定間隔進(jìn)行采樣。
(3)捕獲器介紹
捕獲單元用于捕獲引腳上電平的變化并記錄發(fā)生的時(shí)間,記錄事件發(fā)生的時(shí)間以定時(shí)器的計(jì)數(shù)器作時(shí)基。當(dāng)捕獲引腳發(fā)生跳變時(shí),捕獲單元將該時(shí)刻時(shí)基的計(jì)數(shù)寄存器T2CNT的值裝入相應(yīng)的FIFO隊(duì)列中。FIFO隊(duì)列可以裝入兩個(gè)值,第三個(gè)裝入時(shí)會將第一個(gè)值擠出。如果將捕獲器的跳變輸入信號和NMI輸入信號并聯(lián)(見圖2),則可以在NMI中斷程序中讀取跳變時(shí)的時(shí)基值(讀FIFOx寄存器)。例如:以T2作時(shí)基,引腳電平第一次上跳時(shí),T2計(jì)數(shù)寄存器T2CNT的值為X1,第二次為X2,T2分頻系數(shù)為D,CPU頻率為fc,則變化時(shí)間間隔為
t=D/fc×(X2-X1)
2 設(shè)計(jì)思想
過零觸發(fā)電路的輸出接TMS320F240外部不可屏蔽中斷引腳NMI,確保了中斷的實(shí)時(shí)響應(yīng);同時(shí),過零觸發(fā)電路的輸出還接到捕獲器1的輸入端CAP1,T2定時(shí)器作捕獲器的時(shí)基,捕獲器可以捕獲兩個(gè)脈沖間隔的時(shí)間(用T2計(jì)數(shù)器的變化量表示),這樣可以計(jì)算出周波的周期/頻率。
用一個(gè)定時(shí)器T3完成定時(shí)觸發(fā)采樣,每隔一個(gè)采樣周期T3定時(shí)器的比較匹配輸出端T3CMP輸出一個(gè)下降沿脈沖去啟動(dòng)ADC進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換,所以T3CMP的啟動(dòng)信號的間隔具有確定性。
下面對頻率/周期和采樣間隔的計(jì)算作出推導(dǎo)。
(1)頻率和周期
捕獲器用T2作時(shí)基,CAP1端每出現(xiàn)一個(gè)上升沿脈沖表示一個(gè)周波開始,同時(shí)立刻進(jìn)入NMI中斷程序,在中斷程序中讀取FIFO1寄存器的值賦給T3的周期寄存器。要注意的是:FIFO1總是初始化為0,所以FIFO1的值是在剛過去的周波內(nèi)T2計(jì)數(shù)器的增加值;而T2的分頻系數(shù)為128,假設(shè)DSP的工作頻率為20MHz,這樣就可以計(jì)算出上一個(gè)周波的周期T和頻率f:
T=(1/20) μs×128×(FIFO1)=
(128/20)×10 -6×(FIFO1)s
f=1/T=(20×10 6)/[128×(FIFO1)]=156250/(FIFO1)Hz
(2)跟蹤頻率變化的采樣間隔
如果T2工作在定時(shí)/計(jì)數(shù)狀態(tài)下,給T2的周期寄存器T2PER賦初值為FIFO1寄存器的值,則T2的周期中斷時(shí)間即是上一個(gè)周波的周期;而在NMI中斷程序中將FIFO1寄存器的值賦給T3的周期寄存器T3PER.注意:T2的分頻系數(shù)為128,T3的分頻系數(shù)為1,所以T3的周期中斷時(shí)間是一個(gè)周期的電量的1/128;而采樣周期用T3作時(shí)基,T3的周期中斷即是采樣中斷。從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期的128點(diǎn)采樣,即實(shí)現(xiàn)了跟蹤頻率變化的交流采樣,當(dāng)然,有一個(gè)周波的滯后。
每個(gè)周期會產(chǎn)生一次NMI(不可屏蔽中斷),在NMI中斷程序中將T2CNT的增加值(在FIFO寄存器)讀出來賦給T3的周期寄存器。因?yàn)門2的分頻系數(shù)為128,這樣T3的周期中斷時(shí)間即為一個(gè)周期的1/128,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期采樣128點(diǎn)的目的。
3 硬件設(shè)計(jì)
(1)互感器電路及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
利用互感器電網(wǎng)的二次高壓和電流交換成0~5V或-5~ 5V的電壓送入A/D轉(zhuǎn)換器,具體電路如圖1所示。
圖1中,電壓互感器的原邊100V,副邊輸出2mA電流經(jīng)OP07轉(zhuǎn)換成-3.5~ 3.5V的電壓量(注意:幅值范圍為-5~ 5V)。電流互感器的原邊輸入5A的電流,副邊輸出2mA的電流
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