电气化铁路牵引自动化系统中模数转换回路的设计

张志刚，董文宽，李 政，张忠琪

天津凯发电气股份有限公司，天津 300384

0 引言

随着当前国家对电气化铁路的大力发展，火车时速越来越高，对铁路沿线供电系统的要求也越来越高。电气化铁路牵引自动化系统是保证沿线安全可靠供电的关键系统，其重要性得到空前的重视。牵引自动化系统实时采集供电系统的各种模拟量参数，智能判断，根据设定的参数阀值，自动进行闭环操作。在牵引自动化系统中，基本实现数字化操作，其中将各种模拟量转换为数字量处理的方法尤为关键。

1 电气化铁路牵引自动化系统对交流模拟量采集的特点

电气化铁路牵引自动化系统中，继电保护装置对采样的要求比较典型。继电保护装置中，一般需要按照每个周波内定点采集同一时刻各个相关回路的电流电压量，如果各个回路采样时间不一致，就会导致计算后的数据相移偏大，会直接影响到装置的正常判断。大约每个周波是20ms，每个周波是360度，也就是21 600分，这样每微秒延迟带来的相移大概就是1分，对于某些保护装置来说，当延迟大到10μs、相移达到10分的时候，就可能带来误判，或者额外增加软件计算工作量，导致装置无法在规定时间内正确判断。因此，保证各个通道之间的同步采样是非常重要的。

在实际的电力系统中，交流输送电的频率并不全是理想的50Hz，而是在一个幅度范围内，因此，作为定点采集算法而言，为了准确计算，需要准确测量模拟量的频率，根据测量得到的频率即使智能校正定时间隔参数，目前在电力系统变电站自动化系统中定点算法一般为16点采样，采用付氏算法计算。我们在设计中采用每周波40点定点采样技术，计算精度更高，波形还原能力更强，数据可用性更强。因此，对于采样间隔时间的精度要求也更高。

电力系统为了保证各个回路之间的同步，要求必须采集同一时刻的信号，不能采用一个时间段内的均值。因此，一些AD转换模式是不能满足该要求的，比如∑-△型。而SAR型ADC在电力系统变电站自动化系统数据采集中得到了充分的重视。

设计方案的针对以上特点，我们提出了采用Freescale Coldfire ETPU +多片ADI AD7656-1结合的设计方案。

2 eTPU功能应用

Coldfire 系列是Freescale 公司推出的一款尤其适合工业控制使用的工业CPU。芯片中继承了增强型时序处理单元（enchanced Time Processor Unit，eTPU），是TPU的功能扩展和改进，TPU在motolora（freescale）的MPC5xx、M68300等系列微控制器上得到广泛应用，而eTPU作为基本功能模块则在MCF523x（Coldfire系列）和MPC5500（PowerPC系列）的部分产品中得到应用。eTPU采用类似RISC的微引擎，与I/O硬件定时通道连接，作为一个半独立的协处理器，在不需要CPU参与的情况下，可以完成高速复杂的时序操作。eTPU模块包含了它运行所需的所有微控制器：数据和程序存储器、微引擎、任务调度器以及32（或16）条I/O通道，其基本功能模块如图2所示。

图1 eTPU基本功能模块框图

eTPU作为介乎软件和硬件之间的模块，具有一定的代码和数据RAM。在eTPU模块初始化期间，CPU将编译好的eTPU二进制程序代码加载到eTPU代码存储器中并循环执行。eTPU与主CPU之间可以通过中断或DMA进行交互，也可以通过eTPU软件模块接口进行信息交互。为了便于应用，freescal提供了完善的软件功能库，包括GPIO（通用IO）、IC（输入捕捉）、OC（输出比较）、PWM、UART、SPI、IIC等功能模块。用户只需要将需要的功能模块库与应用程序编译在一起，并根据提供的接口函数进行必要的初始化操作，就可以需要的功能。利用eTPU功能模块，甚至可以实现复杂的交直流电机控制和角度控制。

其中的自动输入捕捉和PWM输出功能，非常适用于频率测量和全自动周期性触发转换脉冲，实现闭环控制ADC实现实时跟随输入信号频率及时调整采样间隔，保证采样数据的可用性。

3 ADI AD7656-1 6路16位高精度SAR ADC的特点

AD7656-1是美国ADI公司针对电力自动化市场推出的6路同步采样16位高精度SAR型ADC,内部含有6个独立的逐次逼近型（SAR）A/D 转换器，也是AD7656的升级产品，可同时进行 6路A/D转换，启动转换时间约为3μs，单通道转换速率为250kSPS，属于真正的双极模拟量输入，具备内部电压基准和外部基准两种方式，具有转换精度高、速度快、功耗低、信噪比高等优点。

该芯片支持16位并行接口、SPI串行接口两种方式，6路模拟量分成3组，每组具备一路转换触发外部使能信号，可以灵活的根据需要分组启动转换，转换期间，输出一个BUSY指示信号，在转换完毕后，该信号变为无效，外部CPU可以启动数据读取过程。

芯片内部具有高精度的电压参考基准，作为单片应用的时候，可以采用芯片内部电压基准，但当多片使用的时候，由于芯片之间存在离散性，因此需要配置外部电压基准，以保证所有通道具备统一的电压基准。

图2 AD7656-1的架构框图

现高精度采样的设计方案

使用AD7656-1时，需要特别注意模拟、数字信号的分离、模拟、数字信号地的分割以及单点接地，在每一组REF管脚出，都需要配置去耦电容（不低于1UF的低ESR电容+104电容），在AVDD、DVDD、VDRIVE三组电源管脚，都需要配置不低于4.7UF的低ESR电容和104去耦电容。主意在PCB设计的时候，一定要紧挨着管脚。

由于该转换器的模拟量输入端是高阻抗输入。因此，外部互感器的二次侧小信号可以经过低通滤波后直接作为信号输入，降低了系统成本。

4 实现高精度采样的设计方案

因此，我们制定了采用Coldfire ETPU +多片AD7656-1+EPLD+外部电压基准的设计方案，整体架构如图3所示。

图3 电气化铁路牵引自动化系统中模数转换回路的设计

图3中，多片ADC芯片通过16位数据总线和CPU交互数据，多片ADC采用REF5025作为公共电压基准，ADC全部设置为并行方式、外部电压基准模式。交流模拟量经过流通滤波回路后，其中2路接到交流正弦波—方波转换回路，把正弦信号变为单极性的方波信号，经过光耦后接到Coldfire ETPU的一个通道上，该ETPU通道设置为输入捕捉方式，自动捕捉输入方波的每一个变化沿，并记录当前相对计时器数值，根据相邻同极性沿的时间间隔计算出当前交流信号的周期，从而计算出每周波40点采样所需要的定点采样间隔，设置到ETPU第二个通道的定时参数中。第二个通道设置为PWM模式工作，根绝设置的周期、占空比等时间参数，自动定时输出信号启动ADC转换，ADC在收到该转换信号后，马上进入采样保持、转换的过程，同时输出BUSY为高电平，通知CPU ADC芯片处于转换过程中。当6路模拟量全部转换完毕后（典型转换时间为3μs，不超过4μs），BUSY信号变为低电平，通知CPU ADC转换完毕，请求CPU取走数据。多片ADC的BUSY 信号都输出到EPLD中，在EPLD里采用中断共享的模式，各个BUSY信号相或后接到CPU的外部中断上。COLDFIRE CPU的外部中断设置为沿触发，接受到该转换完毕的中断信号后可以可立即启动数据读取过程。这样由于启动转换信号完全有ETPU模块自动运行，毫不占用CPU资源，也不受CPU的干扰，可以实现高精度定时，同样该自动运行模式也不占用CPU资源，为CPU高速处理各种数据提供了保障。

在本设计中，在CPU数据总线与ADC数据总线间采用Buffer缓冲器做了相对隔离，保证了CPU运行时，不会通过数据总线上的高速信号对ADC回路的转换效果造成影响，只有当CPU读取采样数据的时候，该Buffer才打开，确保了ADC回路工作环境的稳定。

5 结论

笔者采用上述方案，配合适当的嵌入式操作系统，在Coldfire系列的MCF5234 CPU基础上实现了以上设计，经过测试，整个回路测频误差低于0.01%，零漂不高于3个LSB，采样精度优于0.1%，完全满足电气化铁路牵引自动化系统的要求。

在电气化铁路牵引自动化系统中，交流模拟量的采集是重中之重，绝大部分算法判断的依据都来源于此。本方案充分利用了MCF5234的eTPU的特点，发挥了16位高精度SAR型转换器的优势，保证了AD转换的高精度和可用性，为系统提供了准确的基础数据。

[1]GB 50062-1992.电力装置的继电保护和自动装置设计规范.

[2]Freescale Semiconductor,Inc. Enhanced Time Processing Unit(eTPU)Preliminary Reference Manual，2004.

[3]Munir Bannoura，等著.ColdFire微处理器与微控制器.北京：电子工业出版社，2008.

[4]AD7656-1/AD7657-1/AD768-1 datasheet REV A，ANALOG DEVICE CO..2009.