基于DSP的继电保护测试仪信号采集装置硬件设计

基于DSP的继电保护测试仪信号采集装置硬件设计

 

　　本文设计的数据采集装置专门用于继电保护测试仪器各项数据的采集。设计选用DSP作为数据采集装置的核心控制器。系统硬件总体结构如图1所示。系统由电压、电流采样电路，信号放大，低通滤波，同步信号的获取与识别，直流取样，模／数转换电路以及通讯模块电路等组成。

　　本方案中，数据选择器选用AD公司生产的AD7502芯片。AD7502芯片为双四选一数据选择器，因此需要两片A／D转换器进行循环采样。模／数转换芯片选用的是TI公司推出的16位并行高速转换器ADS8515。主控制芯片选用TI公司的数字信号处理器TMS320F2812。TMS320F2812是32位定点高速数字处理器，最高工作频率150MHz，该芯片采用改进的哈佛结构，片内有六条独立并行的数据和地址总线，极大地提高了系统的数据吞吐能力，32位的累加器、16位的硬件乘法器和输入、输出数据移位寄存器相结合，能快速地完成复杂的数值运算。因此TMS320F2812的计算速度非常高，可以满足系统的在线实时性要求。

　　本系统采集三相电压、三相电流以及中性线的两路电压和电流信号。电压和电流的采样电路类似，电压采用电压互感器，电流采用电流互感器，通过运放OPA2277组成电压和电流采样电路。

　　由于TMS320F2812的I／O电压是3.3V电平，而ADC则是5V电平，因此需要电平转换芯片74LVC245来实现隔离功能。ADS8515的控制是通过对片选信号CS、启动信号R／C以及对状态信号BUSY的查询来实现的。BUSY，CS，R／C，分别接DSP的中断信号引脚XINT1和通用I／O接口GPIOB0，GPIOB1。为了保证双DSP的同步采样，防止数据输出时两DSP数据的串扰，采用将另一个DSP的片选信号CS和启动信号R／C分别接DSP的通用I／O接口GPIOB2和GPIOB3的方法。这样可以保证双DSP同步采样，并依次读取两个A／D中的数据。

　　同步信号获取与识别电路设计

　　DSP系统主要由DSP芯片、电源电路、时钟电路、仿真和测试电路组成。由于TMS320F2812的电源系统既有3.3V的数字和模拟电源，又有1.8V的数字电源，电源的安全和可靠是系统运行的根本保证，所以需要将常用的5V电源转换成3.3V和1.8V电源。本设计选用TI公司的TPS767D318作为电源芯片，该芯片是专门为DSP的应用而设计的，可以提供3.3V和1.8V两路电压输出，其中每路输出均可提供最大为1A的电流。

　　在对DSP系统进行硬件仿真时，可以通过JTAG边界扫描接口对DSP内部的数据存储器、程序存储器和控制寄存器进行在线监控，并能在TMS320F2812的开发环境CCS中把程序下载到DSP芯片进行硬件仿真。JTAG接口的原理图如图7所示。

　　目前，数据采集系统多以ISA，EISA或PCI插卡的形式完成数据的传输，这些方式存在着开发调试比较困难、安装麻烦以及通用性和可移植性差等缺点，而且PC机上的插槽数量、地址、终端资源有限，导致这种方式的可扩展性差。目前，广泛应用的USB总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，已成为计算机接口的主流。本文选用专用的USB接口芯片来完成DSP与PC机的数据传输。USB2.0芯片选用Philips公司的ISP1581。ISP1581与TMS320F2812的连接电路图如图8所示。ISP1581在上电时，通过BUS_CONF，MODE0，MODE1对接口进行设置，本设计中BUSCONF通过电阻连接至高电平，ISP1581工作在通用处理器模式，AD[0～7]是8位地址总线，DATA[0～15]是独立的数据总线。MODE0设为1，因此读写选通信号为8051类型。TMS320F2812的XCS0AND1作为ISP1581的片选信号。RREF引脚通过12kΩ的精密电阻接地，提供精确的镜像电流。RPU引脚通过1.5kΩ电阻器上拉。

　　研制了一种基于DSP技术的继电保护测试仪信号采集装置，以便检定继电保护测试仪的性能指标是否满足设计要求。文中重点介绍了数据采集装置的整体架构、基于DSP的数据采集装置的硬件组成和电路设计。该数据采集装置可以精确采集继电保护测试仪的各项数据，为继电保护测试仪的检定装置奠定了技术基础。