基于T MS320F28335的电力测控终端设计

王竟沣,隋　涛,张英亮,任明海（山东科技大学电气与自动化工程学院,山东　青岛　266590）



基于T MS320F28335的电力测控终端设计

王竟沣,隋涛,张英亮,任明海
（山东科技大学电气与自动化工程学院,山东青岛266590）

摘 要:设计了一种基于TMS320F28335的电力测控终端的硬件电路，包含锁相环、模拟量输入、开关量输入、开关量输出和以太网通信六个主要功能模块的实现方法，能够实现实时测量电力参数、录波、监控功能。

关键词:DSP；交流采样；测控终端

0　引言

现代电力系统规模庞大，组成复杂，系统的运行监测、控制须依靠测控装置完成。由于硬件资源存在不足，早期的自动测控装置往往测量精度不够理想、硬件电路复杂、通信速率较慢。本文选用DSP处理器，设计了一种基于TMS320F28335的测控终端。该装置可实现电力参数实时测量、谐波分析、录波、监控设备以及线路运行等功能。

TMS320F28335是TI公司生产的用于实时控制的高性能浮点型数字信号处理器。其主频最高达150MHz，采用高性能32位CPU、单精度浮点单元，能够进行浮点运算，提高了数字信号处理能力，能够以较高的精度和速度来实现实时测量；该处理器还有ADC、EPWM等外设资源，能够满足监测、控制功能对硬件的要求。

1　系统硬件结构

终端以TMS320F28335处理器为核心，辅之以锁相环、模拟量输入、开关量输入、开关量输出和以太网通信五个主要功能模块以及电源、晶振等辅助功能模块。其硬件结构如图1所示。

该终端主要功能为测量、监视和控制。终端通过模拟量输入模块实时获取电压、电流的瞬时值，而后由DSP处理器计算相关电力参数，实现参数测量、谐波分析；通过开关量输入模块实时监视开关设备的工作状态；通过开关量输出模块实现控制功能。

2　功能模块设计

2.1锁相环

终端通过该模块获取线路的交流信号频率，以该模块输出的N倍频信号作为模拟量输入模块的采样信号，以实现对交流同步采样，其中N为一个交流信号周期中的采样点数。本文采用硬件锁相环，由TMS320F28335处理器和TI公司的CD54HCT4046A芯片实现。其中，CD54HCT4046A实现相位比较、压控振荡器的功能；DSP处理器用作分频器，构成反馈通道。

DSP处理器通过交流同步采样获取电压基波瞬时值，并采用频率修正的“三点”算法计算基波频率。使用EPWM模块输出与基波频率相同的方波信号，并接入锁相环芯片的端。锁相环芯片的输出信号通往模数转换器和DSP处理器的ECAP模块，通过ECAP模块测频后由DSP处理器分频输出另一路PWM信号，接入锁相环芯片的端，作为反馈信号。最终锁相环输出频率为基波频率整数倍的采样信号，供模数转换器实现整周期等间隔采样。

2.2模拟量输入模块

终端通过模拟量输入模块获取线路电压电流的瞬时值，模拟量输入模块主要由信号调理电路和模数转换电路组成，如图2所示。

电压调理电路主要由TV1013-1型交流电压互感器和ADA4096四通道运放组成。前者用于降低电压幅值；后者用于构建放大和低通滤波电路，适当提高信号幅值并减少非需频率信号的干扰。

电流调理电路主要由TA1906-04型交流电流互感器和ADA4096四通道运放组成。待测电流信号首先经过前者降低幅值，再经由后者构建的I/V转换电路、放大电路和低通滤波电路，实现I/V转换、提高信号幅值和减少非需频率信号的干扰。

TMS320F28335处理器内置模数转换器为单极性、12位分辨率，只有一个AD转换核。这些不足会导致信号调理电路复杂，转换精度低，存在相位误差。为提高终端性能，采用TI公司的ADS8568模数转换器。该转换器为16位双极性模数转换器，拥有8输入通道以及8个独立AD转换核，可实现8通道同步采样。

A、B、C相和中性线的电压电流经过信号调理电路后分别接入A、B、C、D四组采样通道。同步采样信号接入CONVST_A～CONVST_ D引脚，实现8通道同步采样。ADS8568通过16位并行数据接口与DSP处理器进行转换结果和配置信息的传递。正常情况下，模数转换器运行在硬件模式，主要由相关功能引脚控制；当需要对芯片设置进行修改时，需要进入软件模式，对控制寄存器进行相应修改。

2.3开关量输入模块

该模块用于向上位机提供线路断路器的状态。将断路器辅助触点的通断状态转换为高低电平信号，送入DSP处理器的通用IO口。考虑到可能存在的干扰和过高的信号电压，模块由滤波和隔离电路组成。光电耦合器选用仙童FOD817B。将断路器辅助触点接入该模块，触点通断转换为TTL电平信号，实现状态监测。

2.4开关量输出模块

终端通过该模块控制电操机构，远程控制断路器分合闸。该模块由开关量输出控制电路和开关量驱动电路组成。为提高电路抗干扰能力和可靠性，前者使用TI公司的TPS22994芯片来实现；后者使用赛特勒公司的AZ6962固态继电器。

TPS22994是一款四通道、可编程负载开关。DSP处理器通过I2C总线输出开关量至该器件，实现开关量输出。

2.5以太网模块

该模块用于实现终端与上位机的通信以及多终端组网，以太网控制器为联杰国际公司的DM9051(I)快速以太网控制器。终端通过以太网向上位机提供各种电力参数和设备工作状态，同时接收上位机或网络中其它终端的指令。

3　结束语

本文设计了一种基于TMS320F28335的电力测控终端硬件电路，其功能模块主要由集成元件构成，简化了电路，提高了性能。终端能够以较高的精度和速度实现电力参数测量和控制功能，能够满足电力系统对测控装置准确、快速的要求。

参考文献：

[1]TI.TMS320F28335,TMS320F28334,TMS320F28332,TMS320F28235,TM S320F28234,TMS320F28232 Digital Signal Controllers[Z].[2015-08-16].http://www.ti.com/lit/ds/sprs439m/sprs439m.pdf

[2]傅周兴.电力系统自动化[M].北京:中国电力出版社,2006.

[3]毛晓波,吕建明.电力参数的交流采样技术及软硬件设计研究[J].仪器仪表学报,2001,22(04):195-198.

[4]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,2006,32(11):139-141.

作者简历：王竟沣（1989-），男，山东蓬莱人，硕士，研究方向：电力系统及其自动化。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.177