基于DSP的同步电气参数采样装置研究

贺博林 陈 众

(长沙理工大学，湖南长沙 410076)

1 引言

在电力系统测量中，需要快速采集发电机的三相电压与电流，同时，还要监测各路开关状态，然后由上位机对相关参数进行故障录波，因此，对数据采集装置的采样速率跟实时性都提出了更高要求。目前，市场上的数据采集卡，只实现了模拟量的同步采样，缺少开关量与模拟量同步采样的装置。为达到开光量与模拟量同步采样的目的，现在常用的方法是用模拟通道来采集开关量。这种方法既浪费了AD转换芯片资源，也增加了数据流量，给高速数据传输造成了困难。本文提出了利用DSP、AD7606跟锁存器来实现开关量与模拟量的同步采集，从而实现数据的快速采集跟传输。

2 系统设计

电气参数采样装置需要采集三相电压和电流、转子电压和电流，共8路模拟量，同时，还要求同步采集灭磁开关等开关量的状态 (见图1)。数据采集完成后，DSP将数据存入SRAM。经过处理后，由以太网控制器传给上位机。上位机利用采集到的数据，对水电站发电机励磁系统的状况进行实时监控。

图1 系统框图

3 硬件电路设计

3.1 锁相环电路设计

电气参数的采样，要求采样频率跟随信号源变化，以使采样点均匀分布在信号源周期内。信号经过互感器和比较器处理后，被转换为同频方波输入到锁相环集成芯片CD4046。交流电压的基频为50Hz，为使数据采样率达到5kHz，每个周期需要分布100个采样点。CD4046与CD4518构成100倍频电路，将锁相环输入的50Hz方波信号倍频到5kHz。同时，CD4518将 CD4046引脚4输出的方波信号反馈到CD4046引脚 3。CD4046通过内部比较器，比较CD4046引脚14和CD4046引脚3的方波频率，如果f0＜f1，锁相环输出频率增加，直至f0=f1，锁相环输出稳定方波信号。锁相环电路如图2所示。

图2 锁相环电路

锁相环100倍频试验结果如图3所示，试验表明通过负反馈所设计的锁相环输出波形理想，能够保持单个采样周期内均匀分布100个采样点，很好地实现AD转换开关的功能。

图3 锁相环实验输出

3.2 前端信号处理

前端信号处理是把二次互感器输出的电压跟电流信号转换为正负10V的电压信号，以使信号电压能够直接输入到AD7606。二次电压互感器输出的100V交流电压信号，经过TV16E微型电压互感器变换后经过运放放大，将信号变换为正负10V的正弦信号。二次电流互感器输出的5A的正弦电流信号，则通过ERCT8的电流探头和运放实现信号变化，同时，在开关量采集的通道中，光耦TLP521对前后级进行光电隔离，确保了系统的稳定性。

3.3 数据采集接口

AD7606是一款8通道16位模拟量同步采样芯片，具有CONVST A、CONVST B两个采样控制端。因此，当两个采样控制端被同时控制时，在上升沿的触发下，可实现8通道的同步采样。BUSY是AD7606状态转换信号，在数据转换期间，BUSY为高电平，当转换完成后，BUSY引脚输出低电平 (见图4)。

图4 TMS320F28335数据采集接口

数据转换开始时，DSP发出控制信号，锁相环上升沿输入到CONVST端，74LS374锁存器同时锁存16路开关量，AD7606开始对模拟量进行A/D转换，此时，锁存器把数据保持在输出端。A/D转换完成后，BUSY输出下降沿，TMS320F28335先使电平转化芯片片选信号有效，再读取数据总线中16位开关量数据，读取完毕后，继续实现模拟量数据的读取。锁存器配合AD7606减少了模拟采样通道的使用，在对16通道开关量以及8路模拟量采集时，传输的数据是18个字节的数据，而如果用24个模拟通道来采集所有的量时，则需要传输48个字节的数据，通过这种方式，减少了数据的传输量。

4 软件设计

如上所述，整个采样装置有8路模拟信号，16路开关信号。软件流程如图5所示。

图5 程序流程图

初始化配置完毕后，TMS320F28335先使能锁相环信号输出，开关量数据锁存，并开始A/D转换。待AD7606转换完成后，BUSY输出低电平信号，DSP查询到BUSY端信号由高变低，意味着DSP开始读取数据。数据读取完毕后，被转移到DSP的内部RAM，进行数据处理。

5 应用效果预测分析

采用该原理设计的同步采样装置已经在多功能电气参数仪上进行应用，并稳定运行了一定周期，该电气参数采集仪能够完成发电机励磁系统测试实验和风电crowbar电阻测试等实验。由于采用了16位高精度A/D转换芯片，数据采集精度高、误差小，实用性强。在经济性方面，与采用研华或其他公司的数据采集卡来实现数据采集相比，该同步采样装置不仅减少了A/D转换芯片，而且由于自主开发，开发成本远低于市面上价格上万元的同步数据采集卡，因而，该同步采样装置在电力系统以及其他行业的数据采集中有广泛的应用前景。

6 结语

综上所述，本文采用锁存器与AD7606，实现了开关量与模拟量的同步采集，并通过TMS320F28335快速读取数据。经实验验证，采用此方式设计的电气参数采集仪，稳定可靠，有一定的实用与经济价值。

［1］陈众，黄超．基于ADAM-5550KW PAC的多通道同步采集系统软件设计．电力自动化设备，2008(8):104-107．

［2］余少雄，赖玉龙．DSP在电力系统多通道同步交流采样中的应用［J］．计算机工程，2008(20):255-256．

［3］洪慧娜，李晓明．电力系统基波交流采样频率修正的“三点”算法［J］．高电压技术，2006(11):139-141．

［4］樊大伟，张承学，邓恒，等．电力系统中基于微控制器的自适应数据采集［J］．继电器，2001(10):26-29．

［5］陈众，范文雪．基于基于PAC的发电机同期过程监测装置［J］．电子技术应用，2010(8):102-105．