基于DSP的交流电量同步采集器设计*

于 海，张 超

（1.新乡供电公司，河南 新乡 453000;2.河南机电高等专科学校自动控制系，河南 新乡 453000）

1 引言

电力系统交流电量采集是指把电力系统的交流电压及电流等经过变换、滤波、S/H及A/D转换后得到对应该交流电量的离散化数据序列，并存放到存储器中的过程。交流电量的同步采集是指在电力系统的不同采样点同时开始采样，使不同采样点的采样结果在时间上具有同步性，这对电力系统继电保护、故障判断和系统稳定的分析与控制等都具有重要意义［1］。

2 基于绝对时间的交流电量同步采集

利用GPS的同步授时功能，实现交流电量采集的同步性，已成为近年来电力系统研究的热点之一。同步采集的主要方法就是固定频率采样，即所有采样通道都使用同一个固定的频率对信号采样，并利用GPS设备来保证所有的采样过程都在同一个时刻开始。统一的工作频率由高稳定晶振构成的震荡电路产生，由GPS发出的同步秒脉冲传送给DSP芯片来启动采样过程，以此来保证各个采样点的采样过程的同步性和同频性。而且，使用GPS的同步授时的秒脉冲来确保采样点之间的同步性，不存在终端系统的累积误差问题。

本方案的关键技术就在于利用GPS的同步授时功能，启动不同地点的采样系统，同时启动工作，并在预先设定的频率状态下，采集交流电的电量特征值，保证了数据的同步性，对电力系统分析提供了强大的数据支持。

图1 秒脉冲和采样波形时序

3 硬件结构

图2 系统硬件框图

交流电量同步采集器整体结构如图2所示。同步采集器主要由输入通道、输出通道、控制器和同步模块构成。输入通道包括变换器、信号调理电路、A/D转换器，三相电压和电流模拟量经过采集、调理、放大、滤波，又经A/D转换为数字信号，送入DSP处理器;GPS接收板和CPLD逻辑控制模块构成的同步模块将秒脉冲送入DSP，作为采样起始点，并同步启动铁电存储器，清空上周期采样值，存储本采样周期所获得的采样值，以备DSP的调用和运算;最后，输出通道由双口RAM存储器构成，DSP的计算结果在双口RAM中进行缓存，然后由工控机读取这些数据，并进行数据的处理［2］。

ADS7864是高速、低功率、双12位的模数转换器，以+5V单电源供电。输入通道全差分，典型共模抑制比为80dB。该器件含有两个2μs的逐次求近模数转换器，6个差分采样与保持放大器、一个带REFIN与REFOUT脚的+2.5V内部电压基准以及一个高速并行接口。6个模拟输入通道分成3对(A、B、C)。每个A/D转换器都有三对输入端(A0/A1、B0/B1、C0/C1)，可以同时采样、转换，因此可以保持两个模拟输入信号的相对相位信息。每对通道都有一个保持信号(HOLDA/HOLDB/HOLDC)，这3个保持信号同时有效就可以同时保持6路输入信号，转换的数据分别存放在6个寄存器中。

4 软件系统设计

同步采集器的软件主要由以下几个功能模块组成:DSP控制器芯片TMS320LF2812的主程序、DSP读取A/D转换器ADS7864的采样程序模块、DSP采集GPS通信模块的秒脉冲的同步程序模块、DSP对双口RAM读写数据模块和采样值的运算处理模块。

4.1 主程序流程

主程序流程图如图3所示。主程序首先对系统进行初始化操作，这包括存储器初始化、A/D初始化、GPS通信模块初始化等;初始化完成，等待GPS定位，提取GPS标准时间，等待键扫描;然后根据键扫描情况，执行相应的键处理程序［3］。

图3 主程序流程图

4.2 A/D采样程序设计

DSP读取A/D转换器ADS7864的采样程序模块主要完成启动并控制A/D转换过程、等待转换完成，并由DSP读取转换数据结果。在A/D转换器开始一次新的转换时，BUSY脚变为低电平，并且在转换进行期间一直保持低电平，在数据被锁存到输出寄存器之后，BUSY脚变为高电平。完成一次 A/D转换需要16个时钟周期。转换完成之后，若RD、CS控制端都被拉低，则可以将数据读出。DSP按照预先设定好的地址和顺序读取6路数据，然后采集的数据送入DSP进行处理，处理结果通过并行总线接口传输到双RAM里，以便工控机从中读取数据，对数据进行管理［4］。

4.3 DSP读写数据模块

该模块把DSP的处理结果写到双口RAM里，通过 FLAG的方向来控制工控机读取数据［5］。

图4 双口RAM读写流程

5 结语

该设计方案巧妙利用了GPS同步授时功能，很大程度上提高了系统的同步采样的准确性，并利用DSP的强大数据处理能力，有效地实现了数据的分布处理和集中管理，形成了一个高性能、智能化的通用嵌入式数据采集平台，在工矿等大型直流用电设备集中或三相不平衡的大范围低压区域用电监控中，具有广泛的应用前景。

［1］易先军.基于DSP的多路同步数据采集系统的开发与应用［D］.武汉:华中科技大学，2005.

［2］肖金球，玛翼，仲嘉霖.高速多路实时数据采集处理系统设计［J］.计算机工程，2004，(6).

［3］张瀚，徐科军，陈智渊.TMS320X281xDSP 原理与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.

［4］傅晓程，祁才君.ADS7864 及其应用［J］.仪表技术，2002，(2):23 －25.