AD7606在电力系统参数采集中的应用与设计

国电南瑞科技股份有限公司 吴 骞

AD7606在电力系统参数采集中的应用与设计

国电南瑞科技股份有限公司 吴 骞

介绍了基于TI公司TMS320F2812和16位A/D芯片AD7606在电力系统参数采集系统中二者的接口设计，并详细介绍了A/D转换的控制和实现过程的软件程序实现。该系统可通过串口总线或以太网与PC机之间实现数据交换，同时也可以在本地对数据进行处理，能适用于电力系统参数的采集。

DSP；AD7606；TMS320F2812；A/D转换

1.引言

2.芯片及其特点

2.1 A/D转换芯片AD7606

AD7606为16位同步采样模数数据转换芯片，每个芯片有8个采集通道。AD7606能完全满足电力系统对采样的要求。它具有灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源以及高速并行接口。它采用5V单电源供电，不再需要正负双电源并支持真正的双极性信号输入。所有的通道均能以高达200kSPS的速率进行采样，同时输入端箝位保护电路可以承受最高达±16.5V的电压[3]。相比其它的采样芯片，AD7606有以下几个显著地优点：

(1)系统中包含的电流/电压互感器的数量会有多个，对ADC总通道数的需求往往超过12个。以往的A/D采样芯片一般为6通道，需要采用3片才能满足要求。而AD7606是8通道采样芯片，两个AD7606完全能满足系统的需要。

(2)简化了前端设计，不再需要外部驱动和滤波电路[4]。传统的逐次逼近型ADC，由于其采样电容的设计，模拟输入前端一般需要运算放大器来实现内部采样电容的驱动，如图1所示。正因此电容的存在，其等效输入阻抗与采样频率相关，使得前端驱动运放的选择变得十分苛刻。

在AD7606内部已经包含了高输入阻抗、低噪声的信号调理电路，其等效的输入阻抗与采样率完全无关。同时输入端集成了抗混叠抑制特性的滤波器，使得前端设计中不再需要外部驱动和滤波电路，因此互感器输出的信号可以直接接入AD7606而无需再经过运放缓冲[5]。

(3)数字接口的电平为2.3V～5.25V，可以跟当前任何主流的CPU/DSP连接。

(4)提供了过采样和数字滤波功能。通过管脚OS[2:0]可以设置过采样倍数(OSR)为：×2，×4，×8，×16，×32，×64[6]。

(5)不需要CLK时钟输入信号。

步骤5 使用PI算子依次判断各栖息地，随机产生Kim，Kim∈{1,2,3}，若rand<λj,kim成立，则该栖息地选为迁入栖息地；依次判断各栖息地，随机产生kem，kem∈{1,2,3}，若rand> <μj,kem成立，则该栖息地选为迁出栖息地；依次判断迁出栖息地的若rand>μj,kem成立，则该栖息地选为迁出栖息地；依次判断迁出栖息地的若randλj,kim成立，则该栖息地选为迁入栖息地；依次判断各栖息地，随机产生kem，kem∈{1,2,3}，若rand

(6)内部集成了2.5V带隙电压基准和基准缓冲电路，设计应用中可根据系统要求选用内置基准或外部基准。

2.2 TMS320F2812简介

TMS320F2812是面向电机控制、工业自动化的第一款带片内Flash(闪速存储器)、工作频率最大可达到150 MHz的32位DSP。它不但运行速度高，处理功能强大，并且具有丰富的片内外设，便于接口和模块化设计。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、智能化仪器仪表及电机伺服控制系统等[7]。

3.硬件总体方案设计

3.1 AD7606硬件配置方式

具体配置如下：

(1)设置RANGE=0，模拟输入范围是±5V。

图1 传统SAR型ADC的典型设计图

图2 数据采集系统总体框图

图3 采集程序流程图

(2)设置/PAR/SER/BYTE SEL为低电平，选择使用并行接口模式。

(3)CONVSTA与CONVSTB短接，使用同源激励。

(4)设置REF SELECT=0，使用外部参考电压以提高采样精度。

(5)为了提高采样速度，设置过采样模式引脚OS[2:0]=000。

(6)VDRIVE与DSP的工作电源3.3V短接。

3.2 TMS320F2812配置方式

(1)输出端口设置GPIOA4和GPIOA6为GPIO输出。GPIOA4用来控制AD7606的RESET#信号，GPIOA6用来控制启动A/D转换信号。

(2)输入端口设置GPIOA5为GPIO输入，接收A/D采样转换完成信号。

(3)使用DSP的/XZCS0&1和DA11～DA13经过一个74HC138，以138的输出作为AD7606的片选信号，两片AD7606的片选分别采用两个138的输出片选信号。AD7606地址映射到F2812的扩展总线存储空间XINTF Zone0&1上。

(4)DSP的数据线直接接到采样芯片数据线上，做并行连接。

(5)DSP的/RD信号接到采样芯片/RD引脚上。由于DSP对采样芯片没有任何命令设置，故没有/WR的连接。

3.3 系统的硬件总体结构

系统的硬件主要包括数据采集模块（包括两个AD7606采样芯片）、TMS320F2812系统、通信显示模块以及上位机数据处理等几部分构成。总体结构如图2所示。

DSP通过GPIOA6引脚来对CONVST信号线启动A/D转换器进行同步采样工作，通过GPIOA5信号引脚线来判断转换是否结束。当查询到转换已经结束，DSP即可从AD7606的8个16位RAM中读取转换结果。读取时，由TMS320F2812的/RD引脚发出读信号，相应74HC138引脚发出片选信号并由数据总线来读取经过电平转换后的采集数据，通过对不同地址的读取，可以连续读取16个16位的结果。为满足实时监视、实时控制的需要。扩展串口总线接口和以太网接口，便于上位机PC通过串口或以太网与数据采集系统通信。

4.系统软件设计与实现

4.1 系统软件设计

程序采用C语言编程，其流程图如图3所示。

程序首先对系统初始化，内部定时器定时，复位AD7606。主程序最后进入一个循环，转换采集数据后当A/D转换结束，读取数据，然后可以进行数据处理、缓存数据[8]；当采样点数到达N点时，系统进行定时器中断服务程序，根据需要对数据进行不同的处理，实现了对模拟电量的实时采集。

4.2 软件程序的实现

(1)复位AD7606：AD7606在采样开始之前需要复位，复位的方式为给AD7606的RESET引脚一个时间不小于50ns的正脉冲。通过TMS320F2812的GPIOA4与AD7606的RESET引脚相连产生一个正脉冲[6]。用C语言如下：

(2)启动AD7606转换：AD7606的CONVSTA/B引脚一个时间不小于25ns的负脉冲。通过TMS320F2812的GPIOA6与AD7606的CONVSTA/B引脚相连产生一个负脉冲。

(3)判断A/D转换结束：TMS320F2812的GPIOA5与AD7606的BUSY相连，只要查询GPIOA5是否为低电平即能判断转换是否结束。

(4)数据缓存：一次读取AD7606的16路的采样数据。读取数据的I/O空间端口地址为0x5400和0x5800。DSP是以I/O口方式访问AD7606，当读取时，DSP的/CS信号有效，且DSP的读信号/RD有效。用C语言如下：

5.结束语

本方案设计的数据采集系统能完成16路模拟电压或电流信号的采集和数据处理。这种方案不仅可以通过以太网上送采样的实时值，也可以利用DSP强大地计算能力在本地把采样数据经过FFT计算[9，10]出电流、电压和功率的有效值。TMS320F2812+AD7606的系统结构，具有结构简单、体积小、速度快、处理数据量大等优点，并在实际工程中应用，表明此系统方案在电力参数中的信号采集处理方面有着良好的效果。

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[2]许遐.电能质量的全过程监测技术[J].电测与仪表,l999(8):10-14.

[3]ADI公司.基于AD7606的高性能电力线监测、继电保护系统设计指南[J].电子技术应用,2011(6):6-8.

[4]张毅刚,涂志均,杨智明.基于ARM的高速并行数据采集模块设计[J].电子测量技术,2011,34(7):62-66.

[5]于克泳,孙建军.新一代16位8通道同步采样ADC-AD7606在智能电网中的应用[J].电子产品世界,2010,17(10):63-65.

[6]AD7606 datasheet.8-Channel DAS with 16-Bit,Bipolar Input,Simultaneous Sampling ADC,Analog Device Inc,2010.

[7]李伟,张勇,张玉猛.基于TMS320F2812及ADS8365的投注机数据采集设计[J].科技信息,2008(28):402-403.

[8]王健,凌滨.基于DSP的交流电能参数测量的设计[J].电测与仪表,2008,45(5):23-25.

[9]杨存祥,丁守强,孔汉.基于DSP的电参数测量系统的应用研究[J].中国仪器仪表,2005,(12):68-70.

[10]孙可.电能质量分析方法与控制技术探讨[J].能源工程,2004(4):13-16.

吴骞（1977—），男，江西宜黄人，硕士，工程师，研究方向：电力系统及其自动化。