基于THS1206的电能质量数据采集实现

姜钰梁, 陈小米

（武汉船用电力推进装置研究所, 武汉430064）

基于THS1206的电能质量数据采集实现

姜钰梁, 陈小米

（武汉船用电力推进装置研究所, 武汉430064）

电能质量数据采集系统主要包括：主控电路、互感器电路、信号采集与调理电路及人机交互电路。本文主要介绍其中的信号采集与调理电路，由于信号采集电路中谐波电压值相对标准电压值较小，同时为了保证可以准确采样到高次谐波信号，用到的A/D不仅要求采样精度较高且转换速度要快。本文选用了TI公司生产的型号为THS1206的12位4通道高速A/D，这样既满足了电能质量检测中的数据精度要求，同时也满足了测量速度的要求。

THS1206 A/D转换器 数据采集

1 THS1206芯片功能与特性

THS1206是采用流水结构的A/D转换器，它主要用于仪器仪表、图像处理、数字信号处理和自动控制等领域。有如下特点：在一路单端输入的情况下可以达到最高的6MSPS的转化速率；可以依据实际要求设置选择一路到四路任意数目的单端输入、一路或者两路差分输入、兼有单端和差分两种输入方式的各种输入模式，并有多路同时采样和保持功能；最大不超过216 mW的功耗，并且还有待机模式可以减少不必要的功耗；68 dB的高信噪比；12位分辨率，可以选择数据以二进制代码或二进制补码的形式输出；转换精度高，在差分输入的情况下非线形误差仅为±1LSB；内部集成有16字的环形FIFO，主要用于存储A/D采样数据，每次最多可以存储16个采样数据，使用内部的写指针来指示最后一个采样数据所存放的位置，控制内部寄存器可以按照需求对完成指定数目的采样结果后产生一次中断，以便读取一组采样数据；单一+5 V的模拟供电，兼容+3.3 V和+5 V的数字供电；并行微处理器和DSP接口[1-4]。

THS1206的内部结构如图1所示，它由12位流水线ADC、控制逻辑、FIFO、基准电压源、缓冲器、多路切换开关和采样保持器等组成。

本文所使用的A/D为4通道高速模数转换器THS1206，每通道最高采样频率和所使用的通道数是成反比的，因此只有使用单通道并且在非差分输入的情况下才可以达到最高的6 MSPS采样频率，随着使用的通道数依次增加到四个通道时，所对应的最高采样率降低为1.5 MSPS。在根据实际要求用软件控制THS1206的采样频率时，只要不高于最高采样频率THS1206都可以保证采样到完整有效的数据。

THS12O6为32引脚的贴片式芯片，其中有12根双向数据线分别对应D0-D11引脚，最高两位数据线D10和D11除了作为普通的数据线使用，还可以作为控制内部寄存器的地址线，分别对应于RA0和RA1；四根模拟信号输入线依次为ANIP、ANIM、BINP、BINM，四根模拟信号输入线可以根据实际需要设置成各种不同组合的单端或差分输入模式；电源部分除了有A/D模拟电源AVDD和AGND、A/D数字电源DVDD和DGND以外，还有FIFO的数字电源BVDD和BGND；参考电压部分主要包括：外部基准电压输入信号线REFP和REFM、共模基准电压输入信号线REFIN、内部基准电压输出线REFOUT三部分，其中REFP和REFM分别为+3.5 V的基准电压最大值和+1.5 V的基准电压最小值，而REFOUT引脚输出的+2.5 V内部基准电压正好与REFIN相连作为共模基准电压的输入信号；对于A/D内部寄存器的控制和采样数据的读取还要用到片选信号线CS0和CS1、读写控制信号线RD 和WR(R/D)、A/D转换结束信号线DATA_AV和时钟控制线CONV_CLK（CONVST）[5-6]。

2 THS1206四通道A/D采集系统

本文设计THS1206的信号输入范围为+1.5 V 到+3.5 V之间，内部使用+1.5 V和+3.5 V的双基准电压源。前端电路经过传感器输出的信号的峰峰值若不在+1.5 V到+3.5 V之间，就需要利用信号调理电路将输入到A/D中的信号进行调理。这里用两个TL084将-3 V到+3 V的输入信号调理成+l.5 V到+3.5 V之间的信号，输入到THS1206进行转换。放大器正向输入端的-2.5 V电压由THS1206的内部基准电压输出REFOUT经OP07反相得到，4通道A/D接口电路如图2所示。

需要与控制器部分相连的THS1206外围电路部分的引脚主要有：D0-D11这12根双向数据线依次与控制器的12个通用I/O相连，主要完成采样数据的输出和对内部寄存器的控制两大工作；A/D转换结束信号线DATA_AV与控制器的外部中断1相连，可以利用对内部寄存器的设置来控制16位环形FIFO的触发门限，即多少个数据采样完成输出一次中断，当所存储的数据到达了触发门限时，THS1206的DATA_AV产生中断信号，控制控制器进入中断函数中完成对采样数据的读取；外部时钟信号可输入引脚CONV_CLK与控制器的时钟信号线相连，CONV_CLK主要是用于控制整个A/D的采样频率，利用控制器在DATA_AV有效时给CONV_CLK提供下降沿读取数据，当数据读取完毕后控制器给CONV_CLK提供上升沿触发A/D转换，数据读取完毕和启动下次数据转换之间可以根据设计需求控制延时时间以达到对采样频率的控制。

3 THS1206初始化

THS1206内部的两个控制寄存器CR0和CR1，表1中列出了CR0和CR1各个位的定义，通过CR0和CR1这两个寄存器可以设定包括本文第1节“THS1206芯片功能与特性”部分所介绍的THS1206各种工作方式。在THS1206初始化前应该先通过软件控制CR1复位，再清除CR1的复位。对寄存器功能和工作方式设定完成后，还应该通过软件控制FIFO复位, FIFO复位完成后再清除FIFO的复位。

A/D正常工作前，应首先初始化CR0和CR1这两个控制寄存器，以完成对A/D的工作方式的设定。通过控制数据线D10和D11来实现对于寄存器CR0和CR1的寻址，10位寄存器的控制字则是利用数据线D0--D9依次对应寄存器的每一位，在选择完寄存器后写入，具体初始化软件流程图如图3所示。

初始化首先依次向CR1寄存器写入0x401 h和0x400 h，完成对A/D的复位和清除复位；再根据本系统的实际需求选择合适的工作方式，分别对CR0和CR1写入相应的控制字。对于CR0控制字，由于使用内部参考信号，并且使用连续模式下依次扫描AINP、AINM、BINP、BINM四路模拟输入，因此CR0写入控制字0x098 h。对于CR1控制字，由于使用普通二进制输出，并且对FIFO出发门限设置为4，当每次A/D采样完成后输出下降沿，此时依次读取一组AINP、AINM、BINP、BINM数据的输出，因此CR1写入控制字0x490 h。

4 数据采集与转换

A/D初始化后控制CONV_CLK时序可以控制A/D启动并且完成4个通道的A/D转换，在4个通道A/D转换完成后，DATA_AV会产生一个下降沿信号，通知DSP读取转换的结果。在读取结果时，控制引脚RD为低电平，引脚WR为高电平。由于FIFO出发门限设置为4，因此每次转换完成后依次可以读取一组AINP、AINM、BINP、BINM信号。当DATA_AV信号第一次到来时，放弃第一组读入的数据不存，以清除A/D器件内部16级buffer中的无效数据，从第二组数据开始处理。为了减小误差，本系统对每5次采样数据进行一次平滑滤波处理，将最后处理得到的数据作为最终的测量数据，最后进行浮点数转化。具体数据采集与转换件流程图如图4所示。

5 测试结果

使用TMS320LF2407A作为控制器，利用本文上述硬件与软件设计，实际测量+1.5V到+3.5V之间的压值变化如表2所示。标准值为标准万用表所测量到的实际参考电压值，测量值为本文所介绍的基于THS1206的电能质量数据采集系统所采集到的电压值。其相对误差可以根据下式计算得出。

相对误差= (︱测量值-标准值︱/标准值)×100%

6 结论

以上测试结果表明基于THS1206的电能质量数据采集的设计可以满足实际需求，由于THS1206具有四通道同时采样的功能因此可以广泛运用于多路数据采集系统中。但THS1206信号输入范围为+1.5V到+3.5V之间，因此在前端电路部分应完成相应的信号放大、保持、补偿等部分的设计。

[1] 冉茂华. 基于DSP的FIR数字滤波器的设计[硕士学位论文]. 武汉:武汉理工大学图书馆，2006.

[2] 刘昕. 基于DSP的气体超声测量仪的开发与研制[硕士学位论文]. 河北:河北工业大学图书馆, 2007.

[3] 党宏社, 韩崇昭, 王西圣. 基于THS1206的多路高速数据采集的实现[J]. 仪表技术，2002, (4):22-25.

[4] Francisco Jurado, Natividad Acero, Blas Ogayar. Application of signal processing tools for power quality[J]. Proceedings of the 2002 IEEE Canadian Conference on Electric and Computer Engineering, Winnipeg, Man.Canada, 2002, 1:82-87.

[5] 党宏社, 韩崇昭, 王西圣. 基于THS1206的多路高速数据采集的实现[J]. 仪表技术，2002, (4):22-25.

[6] 赵姣. 自整角机数字转换器的设计与实现[硕士学位论文]. 大连: 大连理工大学图书馆，2006.

Realization of the Power Quality Data Collection Based on THS1206

Jiang Yuliang，Chen Xiaomi
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion ,Wuhan 430064, China)

Power quality data acquisition system mainly includes master control circuit , transformer circuit , signal acquisition and regulate circuit, and the human-computer interaction circuit. This paper mainly introduces the signal acquisition and regulate circuit. While the harmonic voltage is smaller than standard voltage value, in order to guarantee the accuracy of sampling the higher harmonic signal, A/D is required with both high sampling accuracy and quick the converting speed. This paper uses TI company's production THS1206 12 position 4 channel high speed A/D which can satisfy the accuracy requirement and the measure speed requirement in power quality detection.

THS1206; A/D converter; data acquisition

TP332

A

1003-4862（2013）11-0049-05

2013-07-19

姜钰梁(1987-),女, 硕士。研究方向：检测技术及自动化装置。