基于DSP的SVC高速数据采集系统设计

程增艳，朱秀林，王 军

（中船重工七二二研究所 湖北 武汉 430079）

随着现代工业的发展，变流装置的应用越来越普遍，这些装置的运行，会造成系统功率因数低、电压波形严重畸变等问题，直接影响电网供电质量和其它用电设备的运行安全。静止无功补偿器（SVC）可以就地提供动态无功补偿，是解决这些问题经济有效的办法。数据采集处理是无功补偿的关键步骤，它需要采集电力系统中电压、电流等物理量，由数据处理程序根据这些物理量计算出控制所需的信号，由控制算法软件计算出控制信号，并将TSC的投切指令输出给TSC的触发执行单元，所以，SVC数据采集系统上除了控制芯片和足够的存储器外还要具备足够的A/D输入、开关量输出通道等外围电路[1]。

DSP芯片以其简单方便的外部接口连接，高速、精确、稳定的数据处理功能，集成方便等特点，越来越多的应用于自动控制，仪器仪表，通信等高科技领域。文中设计的基于DSP的SVC数据采集系统，具有采集时间快、转换精度高、控制方法简单、硬件电路少、运行安全可靠等特点[2]。

1 DSP数据采集系统组成结构

数据采集系统主要由隔离放大器电路、A/D模拟信号采样电路、CPLD逻辑电路、DSP处理器电路等组成，组成框图如图1所示。

图1 基于DSP的数据采集系统组成框图Fig.1 System block diagram for data acquisition based on DSP

电力系统实时的三相电压、电流信号，经过电流和电压互感器电路后，通过隔离放大器隔离送到放大器，然后接入A/D模拟信号采样电路中。此时DSP处理器发出控制信号，通过CPLD来控制A/D转换器进行模/数转换，并在转换结束后，把转换的结果送到DSP中。DSP会根据当前的电压、电流数据计算出系统有功、无功情况并发出控制命令，调节系统无功。DSP通过CAN总线、网口、串口与上位机或其它控制系统设备进行通讯。

2 系统设计

2.1 主要芯片电路简介

DSP采用TI公司的TMS320F28335，它是TMS320C28X系列的一个成员，与同系列的定点DSP相比，该器件的精度高，性能好，外设集成度高，数据以及程序存储空间大。TMS320F28335的供电方式采用内核为1.8 V，外部为3.3 V，功耗较低。主频达150 MHz（时钟周期6.67 ns），高性能的32位CPU，16位或者32位的外部存储器扩展接口，多达256 k×l6位的Flash存储器，多达34 k×l6位的SRAM存储器，1 kxl6位的 OTP ROOM，8 k×16的 Boot ROM；2通道 CAN 模块，3通道SCI模块，2个多通道缓冲串口（McBSP），1个SPI模块，1个I2C模块；12位模数转换模块，转换速度为80 ns[3－6]。

2.2 系统硬件设计

2.2.1 调理电路

电压互感器、电流互感器将一次侧强电信号变换成所需要的弱电信号，用互感器将系统的电压和电流变化为幅值为－12～+12 V的电压信号，经过前端放大电路将其变为0～3 V的单极性电压信号，然后送到如图2所示的调理电路，再输入到DSP的A/D采样通道，同时起隔离和抗干扰作用。其特点是具有较好的线性度和较小的角移。待测信号如果直接输入A/D转换器或滤波器可能会出现负载不匹配或高频串扰（A/D的采样引起）的情况，影响测量精度和稳定性，故在电路中加一级缓冲，以改善接口状况。信号的调理电路如图2所示。本采集系统设计有采集18路模拟信号，用到18片ISO121和18片OP07。

图2 调理电路Fig.2 Conditioning circuit

2.2.2 A/D转换电路

模拟/数字转换电路由3片16位高精度AD转换器组成，提供18路模拟信号输入，并且可以保证所有模拟输入信号被同步采样，减小不同通道信号被采样时造成的相位差，以提高三相不平衡度等参数测量的准确性。电路连接如图3所示。AD7656是一种16位6通道自同步模数转换器，使用了iCMOS工业制造技术，具有性价比高、精度高、能耗低、转换速度快等优点，尤其适合于电力系统中模拟量的测量。

图3 A/D转换电路Fig.3 A/D circuit

DSP的地址、控制信号经过CPLD译码输出3片AD7656的控制信号CS、RD、RESET。此时，三相电流、电压信号已经分别输入到两片AD7656中，只要控制信号发出启动A/D转换的命令，AD7656便开始进行模/数转换，并将转换后的数据送到TMS320F28335GF的D0～D15数据总线上。AD7656的6个采样通道的数据是通过6次连续的总线读取得到，而采样频率却只能统一设置成250 kHz，为了得到10 kHz的采样数据需要对已采集得到的数据做降采样处理。采用CPU降采样数据效率非常低，会严重影响系统效率，TMS320F28335GF提供的DMA控制器使用灵活可以实现降采样数据的功能，所以本系统采用DMA的方式实现数据降采样。而由于数据量庞大，将AD采集数据存放在SDRAM中，而处理时再将数据搬运到内部RAM中，搬运时仍然使用DMA操作。另外，AD7656的参考电压电路AD780的输入端接入5 V电压同时对地并联两个滤波电容，用来滤除5 V电源中的干扰电瓶信号，通过OUT引脚输出2.5 V的参考电压，并将该电平连接到 AD7656的 VREF脚[3]。

2.2.3 通讯接口

TMS320F28335有3个异步串口，本系统只用了两个串口，选用MAX3378驱动芯片进行电平转换。MAX3378功耗低，集成度高，可用3.3 V电源供电，是一款在UART通信中使用最多的接口芯片之一。TMS320F28335的SCI有如下特点：波特率可调，最高可达64 k；数据格式由一位起始位，8～16位的数据长度，可选的奇偶校验位和一至两位停止位组成；有4个错误检测标志和两种多处理器模式即空闲线和地址位；可以工作在半双工或者全双工模式；具有双缓冲接收和发送功能，支持发送中断使能和接收中断使能，支持NRZ格式；SCI还具有自动波特率检测的硬件逻辑和16级深度的FIFO功能，能够减少空头服务，加快数据传输速度。串口电路如图4所示。

图4 串口电路Fig.4 Serial interface circuit

CAN总线是一种串行通信协议，具有较高的通信速率和较强的抗干扰能力，可以作为现场总线应用于电磁噪声较大的场合，CAN总线模块带有23个完全可配置邮箱，具有定时邮递功能，能够实现灵活稳定的串行通信接口。双电源供电系统应用环境电磁噪声大，选用CAN总线通信是一种很好的解决方案。本系统选用SN65HVD235为CAN总线的电平转换器件，实现不同电平节点的完全兼容。电路如图5所示。

图5 CAN总线通信接口电路Fig.5 CAN interface circuit

2.3 系统软件设计

在硬件系统搭建完成的基础上，系统的功能实现由软件系统来完成。本系统的软件设计主要由两部分组成：其一是逻辑控制部分；其二是数据采集与处理部分。逻辑控制部分是运行在CPLD上的程序，采用VHDL语言编写；数据采集与处理部分是运行在DSP上的程序，总体上采用汇编和C混合编写，即主程序和算法方面用C语言编写，运行速度要求高的接口程序代码采用汇编语言。

2.3.1 CPLD程序设计

本系统采用了一片Xilinx公司的XC95144对外部芯片和器件的控制。重点是A/D转换芯片的控制、两片SDRAM的读写、I/O扩展电路的使能和地址译码。它完全符合IEEE 1149.1 JTAG边界扫描标准，具有3.3 V ISP的功能，可通过JTAG接口实现在线编程。

本系统CPLD程序的开发是在集成开发环境ISE10.1下采用VHDL语言编写和调试，最后通过JTAG接口将程序下载到CPLD器件中。

2.3.2 DSP程序设计

主控制器TMS320F28335最先运行的程序是系统的初始化程序，主要包括：初始化系统控制，包括初始化看门狗，系统时钟的初始化，片内外设时钟的初始化；控制器内存初始化；清除所有的中断，初始化PIE向量表，禁止DSP中断等；初始化ADC模块，主要包括：AD启动、AD时钟频率的选择、采样模式的选择、采样通道的设定以及AD中断程序的设定等；初始化事件管理器，包括捕获单元的设定，通用定时器的设定，中断程序的设定；初始化外部接口寄存器[2]。

ADC模块的采样采用软件触发方式，在DSP定时器中断中启动采样，采用同步方式采样6个通道，并采用每次转换结束中断的方式来纪录采样结果，并用软件启动下一次ADC中断。

3 结束语

目前本数据采集系统已经安装在现场操作机柜中，实践证明，该数据采集系统各个通道高速数据流能够正确采集、存储，并与上位机进行通讯，运行稳定，完全满足SVC设备高速、高精度数据采集的要求。

[1]王兆安，刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术，1997（1）：100-104.WANG Zhao-an，LIU Jin-jun.Advances ofharmonic suppression and reactive power compensation technique for power electronic equipment[J].Power Electronics Synopsis，1997（1）：100-104.

[2]杨绿溪.现代数字信号处理[M].北京：科学出版社，2007.

[3]TMS320F28335/TMS320F28334/TMS320F28332 Digital Controllers Data Sheet[EB/OL]. （2007-07-21）[2011-01-16].http://www.ti.com/lit/ds/sprs439i/sprs439i.pdf.

[4]TMS320x2833x.2823xSystem Control and Interrupts Reference Guide[EB/OL].（2007-07-21）[2011-01-15].http://www.ti.com/lit/ug/sprufb0d/sprufb0d.pdf.

[5]TMS320x2833x Boot ROM Reference Guide[EB/OL].（2007-07-21）[2011-02-15].http://www.ti.com/lit/ug/spru963a/spru963a.pdf.

[6]TMS320x2833x DSC External Interface （XINTF）[EB/OL].（2007-07-21）[2011-02-15].http://www.ti.com/lit/ug/spru949d/spru949d.pdf.

[7]雷晓瑜，曹广忠.TMS320F28335及其最小应用系统设计[J].电子设计工程，2009（1）:91-92.LEI Xiao-yu，CAO Guang-zhong.Design of TMS320F28335 and its minimum application system[J].Electronic Design Engineering， 2011（1）:91-92.