多路电力谐波数据同步采集的DSP实现*

甘 辉 玉振明 彭国晋

(1.桂林电子科技大学信息与通信学院 桂林 541004)(2.梧州学院 梧州 543002)

多路电力谐波数据同步采集的DSP实现*

甘 辉1玉振明2彭国晋2

(1.桂林电子科技大学信息与通信学院 桂林 541004)(2.梧州学院 梧州 543002)

针对有源电力滤波器对多路电压、电流等信号同步采集的要求,提出一种基于DSP调用SYS/BIOS实时操作系统实现16路同步信号并行采集的方案。采用TMS320C6747 DSP和ADC7606模数转换器作为核心,简化电路设计,实现了多路同步信号并行采集。实验证明该方案能实时、精准、稳定、可靠地对电力谐波数据进行同步采集。

多路同步采集; DSP; SYS/BIOS; ADC7606; 电力谐波

Class Number TP274.2

1 引言

随着电子技术的发展,电子电气设备被广泛应用,产生大量电力谐波,严重污染电力系统,因此消除谐波污染,已成为电力系统,尤其是智能电网建设中的一个重大课题。消除谐波首先要对电网的电压、电流,负载的电流以及有源电力滤波器的输出电流信号进行同步采集。王浩等[1]设计的多通道同步数据采集系统,通过DSP和CPLD相互配合,实现多通道同步数据采集;宋健等[2]设计的数据采集系统要双DSP进采集和控制。这两种设计的电路结构、控制逻辑相对复杂。本文针对有源电力滤波器需要对多路信号同步采集的要求,采用模数转换芯片ADC7606结合6系列DSP,简化电路,设计并实现16路信号同步采集系统。

2 系统设计与实现

2.1 系统设计

每一路来自互感器的信号,经过放大和滤波电路后输入模数转换器ADC7606。数模转换器由系统统一的时钟保证同步采样和转换。DSP检测到ADC7606转换完成后,将数据读取回SDRAM中,为电力谐波消除提供数据。

系统关键问题:小信号处理电路、模数转换器时序的控制、16路信号数据的高速读取。

本系统的16路同步信号采集是通过TI公司的实时操作系统SYS/BIOS[3]进行统一调度实现。系统软件工作状态如图1所示。

图1 系统软件工作状态

系统上电后,进行系统的初始化,然后启动SYS/BIOS系统。系统根据采样率设置定时器的周期。定时溢出中断函数发送关于启动A/D采集的信号量[4],该信号量被一直等待的高优先级采集任务[5]接收,随后触发ADC7606进行采样。数据读取任务负责检测转换完成的状态和读取转换好的数据。

2.2 系统实现

系统由小信号处理模块、A/D采集模块、DSP控制模块、数据读取模块四部分组成。小信号处理模块由模拟放大电路和滤波电路组成,主要针对传感器输出的弱电信号进行放大和滤波,为A/D输入做前级处理;DSP控制模块主要对A/D采集模块进行初始化和同步控制数据采集[6];数据读取模块主要用于检测A/D模块转换完成情况和数据的高速读取。系统的整体框架如图2所示。

图2 系统整体框架

3 关键技术分析及解决途径

3.1 小信号处理

本系统对多路电压、电流信号进行同步采集[7]。采样信号来源于电压、电流互感器,互感器输出的电流信号很微弱,首先要进行放大处理。结合互感器的特点,采用I-V[8]变换电路对小信号进行放大,如图3所示。经过I-V变换电路,输出电压由式(1)计算。

Vout=R×I

(1)

其中R是反馈电阻,由式(1)根据实际需要调整放大倍数及调整R的大小。

滤波电路:由R2和C2组成一阶低通滤波器,截止频率为

(2)

电力谐波一般提取到50次谐波,50次谐波频率2500Hz。系统根据它来计算截止频率。取R2为620Ω,C2为0.1μf,截止频率约为2568Hz,实验效果良好。

图3 小信号放大和滤波电路

3.2 A/D采样模块

ADC7606是一款8通道16位逐次逼近型模数转换器[9],采用双极性输入,可以直接连接电压、电流霍尔传感器。该转换器最大的优点是转换速率快、精度高、前端调理电路相对简单。

转换速度:根据奈奎斯特采样定理,采集50次以下的电力谐波,要求采样率要5000Hz以上。ADC7606模数转换器每一路的采样转换速率为200ksps,转换速率完全满足要求。

精度计算:内部参考基准电压为2.5V,输入电压范围为±5V,16位A/D转换器分辨率如式(3),精度能够满足要求。

(3)

3.3 DSP控制逻辑

DSP的控制逻辑是系统能够完成16路同步采集[10]的关键。控制逻辑包括:启动控制、模式控制、数据转换完成的检测和数据读取的控制。ADC7606与TMS320C6747DSP的接口电路如图4。其中RSTx是#1与#2的RST;SOx是#1与#2的SO1,SO2,SO3。

图4 ADC7606与TMS320C6747的接口电路

3.3.1 启动控制

同步启动信号,DSP/BIOS系统根据采样率来确定定时器的溢出周期[11],由定时器的溢出中断来完成同步启动信号的发送。

3.3.2 模式控制

ADC7606电压输入范围、转换滤波器系数和芯片复位控制由74LS164并行输出的指令电平控制。DSP通过SPI协议将控制指令发送给74LS164。

3.3.3 数据转换完成检测的控制

ADC7606转换完成之后才能读取到有效的数据。转换完成的标志是AD7C606的BUSY引脚输出低电平。本系统利用两个开关二极管和一个电阻器组成或门电路,将两路BUSY信号进行“或”运算然后输给DSP检测,有效减少DSP软、硬件资源消耗。DSP检测到或门电路输出低电平,即确定两片模数转换器都完成了转换,系统立即启动读取数据的任务。

3.3.4 数据读取的控制

ADC7606数据读取支持串行、并行接口,为了提高数据读取的速度,采用16位DSP兼容并行接口。当芯片片选无效时,ADC7606的数据总线处于高阻态。利用该特性,采用TMS320C6747的EMIFA中异步存储器接口模式与其连接。两片ADC7606的数据总线都连接到EMIFA接口的数据总线上。确定转换完成后,SYS/BIOS调度读取数据的任务,通过控制RS、CS的信号结合数据总线地址,就可以快速地将每个通道的数据读取回SDRAM中。

4 系统性能测试及分析

4.1 系统性能测试

4.1.1 系统采集精度测试

输入直流电压测试转换精度。测试结果如表1所示。

表1 精度测试结果

采集的电网数据与测量仪器进行对比测试。在谐波消除实验平台用仪器测得电网的电压、电流波形如图5和图6所示。实时采集的数据用CCS的Graph功能生成的电压、电流波形如图7、图8所示。

以上两种测试都表明系统的采集精度能够满足要求。

图5 实际电压波形

图6 实际电流波形

图7 单相电压波形

图8 对应负载电流波形

4.1.2 系统的实时性

针对电网电压和电流相位的比较,这里采用三相整流后加在纯电阻上的电流波形作为基准。由于没有使用感性、容性负载,所以电流相位与电压相位一致。所用同相电压信号采集的数据和同相的电流信号采集的数据生成的波形做比较,观察实时刷新的电压波形和电流波形,分别如图7和图8所示,结果表明电压和电流的相位保持一致。根据实时采集到的数据应用广义瞬时无功功率p,q[9]计算方法实时提取出来的单相电流谐波信号如图9所示,模拟实时电流谐波补偿波形效果如图10所示。结果表明采集系统的实时性满足采集电力谐波数据需求。

图9 提取的单相电流谐波

图10 模拟补偿单相电流效果

4.2 系统技术特点

本系统跟传统的多路同步采集系统相比,具有以下技术特点和优点:

1) 采样精度高,每一路的A/D采样都有16位的精度。

2) 扩展性强,本系统完成的是16路信号的同步采集,只要再增加相应的A/D数量和控制RS、CS信号,就能够快速扩展。

3) 移植性强,本系统可以方便的移植到其他型号的DSP或ARM中。

4) 外部接口简单,支持±10V或±5V的电压输入,可以直接连接电压、电流霍尔传感器。

5) 转换率高,每一通道都有200ksps的采样转换速率,能够满足有源电力滤波器对高次谐波采集的需求。

5 结语

本文基于DSP的多路电力谐波数据同步采集系统的设计与实现,选用TI公司的6系列信号处理器TMS3206747,模数转换器ADC7606,调用SYS/BIOS实时操作系统,完成了整个采集系统。该设计已应用于梧州市电力谐波检测与消除研究项目中,性能良好,能实时精确地采集电网电压、负载电流等信号,满足了高精度电力谐波检测与补偿的实时采集要求。

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Realization of Multi Channel Power Harmonic Data Acquisition Based on DSP

GAN Hui1YU Zhenming2PENG Guojin2

(1. School of Information and Communication, Guilin University of Electronic and Technology, Guilin 541004) (2. College of Wuzhou, Wuzhou 543002)

Aiming at the requirement of multi-channel voltage, current and other signal to synchronous acquisition of active power filter, a new scheme to achieve parallel acquisition of 16 path synchronous signals is proposed based on DSP call SYS/BIOS real time operating system. TMS320C6747 DSP and ADC7606 are used as the system core of analog-to-digital converter, circuit design is simplified, parallel acquisition of multi-channel synchronous signals are achieved. Experiments demonstrate that this method can be real time, accurate, stable and reliable to synchronize collection of electric power harmonics data.

multiple synchronous acquisition, DSP, SYS/BIOS, ADC7606, power harmonics

2016年9月11日,

2016年10月27日

甘辉,男,硕士,助理工程师,研究方向:智能控制。玉振明,男,博士,教授,研究方向:图像融合,信号处理。彭国晋,男,硕士,助教,研究方向:视频图像处理。

TP274.2

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.038