基于DSP和ARM的0.02级交直流多功能标准表的设计

银晖，欧朝龙，熊鹰

(湖南省电力公司科学研究院，湖南 长沙410007)

随着电力行业不断的深入改革，工业三相高精度多功能标准表的需求迅速增加。而目前国内市场上多功能标准表的品种有限、价格昂贵、功能不完善，多是针对部分应用领域设计的，不能普遍使用。本文提出的一种多功能高精度标准表的设计将解决这些问题。

本文设计的标准表应用了DSP 和ARM 等测量技术，并使用了DSP 作为其核心处理器，测量误差为0.02 级以内。采用模块化结构设计，包括模块化通道板、信号采集板、测量计算板、核心控制器板，并且采用先进的大型集成电路。因此，此标准表具有许多优点:系统结构简单，运行可靠，良好的人机交互界面，重量轻，体积小，可以长期应用于工作领域以及实验室。

1 整机设计原理

1.1 工作原理

0.02级交直流多功能标准表原理模块框图如图1 所示。

图1 0.02 级交直流多功能标准表原理模块框图

为保证测量精度且可靠，将模拟信道和测量信道分离。模拟信道中，测量电压由精密电压采样模块转换为小电压信号，测量电流由电流互感器采样并将其转换为小电压信号。然后分别将交直流模拟信号转换后的小信号送入各自的测量信道中进行测量计算。其中模拟信道还执行通道中的档位自动切换功能。

交流信号采集电路主要采用16 位A/D 转换器，独立的6 路A/D 采集电路能够同时获得6 路测量信号的采样结果，由CPLD EPM1270 控制6路A/D，分别对每路交流电压信号和交流电流信号进行转换，并最终通过串行方式发送到DSP ADI BF532。

直流信号采集电路主要采用24 位A/D 转换器，独立的2 路A/D 采集电路能够同时获得2 路测量信号的采样结果，由ARM LPC2114 控制2 路A/D，分别对直流电压信号和直流电流信号进行转换，并最终通过SPI 串行方式发送到DSP ADI BF532。

在本设计中，DSP 嵌入实时操作系统，设计人性化中文操作界面，能够高速完成对交流信号采样数据实时处理并将结果在系统平台上显示出来。ARM7 LPC2114 处理直流信号的采集与数据的实时处理，并将结果传送至DSP 实时系统平台上显示。DSP 系统还支持RS232 通讯规约与上位机软件通讯。

1.2 测量原理

交流信号采用软件同步法同步采样，首先测出被测信号的周期T，用该周期除以1 个周期内采样点数N，即Ts=T/N 得到采样间隔，然后再精确定时采样。在采样点的正值与负值间采用插值法，通过逐次逼近方法发现零点。由于零点和第一次的类似采样点之间的时间已经获得，测量信号的频率在1 个周期的采样点的基础上可以计算。

直流信号采用多次采样、统计后再平均，然后进行数据转换计算。

2 采样电路

A/D 采样电路的设计是该设备非常关键的一步，它直接影响模型测量的稳定性、线性度、噪声水平以及每个功能的实现。本文设计的标准表采用硬件低通滤波器和差分电路〔4〕以及电位调整电路设计采样保持电路，以确保信号不受共模干扰和高频干扰，且符合A/D 输入值范围。

2.1 AD8139 交流采样和保持电路

由AD8139 构成的低噪声采样保持电路，采用差分信号输入，有效抑制共模干扰，并在输出端加低通滤波器，滤除高频干扰。6 路通道分别通过各自A/D 转换器转换，这种使用独立AD 采样的方案，使各通道同步采样，既可以提高各通道的采样精度，也避免了共用通道而引起的误差。采样保持电路原理如图2。

图2 AD8139 采样电路

模拟信号转换数字离散信号时，A/D 转换器会带来量化误差。A/D 转换器的位数越少，相邻量化类间的差异就会越大，因此量化误差就越大，同时其输入输出特性也对采样电路影响很大。为了使A/D 采样电路对测量回路的影响减少，应提高A/D 转换器电路的输入阻抗。

2.3 交流采样A/D 转换模块AD7688

AD7688 是16 位串行A/D 转换器，500 千次/s的采样率，其内部集成了非线性校正电路以及脉冲信号控制电路，采样的启动信号、时钟信号及矫正开始信号都由外部CPU 提供。

在使用A/D 转换器时，为了得到较高的精度，应该采用合适的采样频率，同时1 个周期内采样点的分布应该是平均的。A/D 转换的实质是比较模拟电压与基准电压的大小，然后确定比较位。只有这样A/D 转换器转换结果产生的误差才会小。

转换器AD7688 使用的外部基准是max6250，这种芯片有恒温槽，具有较高的长期稳定性和较好的温度特性。至于数字信号噪声对A/D 转换器的干扰问题，实际上只要处理好数字地与模拟地的连接问题就可以了。

2.3 直流采样保持电路

由于直流电压电流的输入存在正负方向的问题，且由于A/D7787 应用于0～5 V 的采集电路，故需要加输入A/D 转换模块的电平调整至0～5 V之间，在此采用低噪声运放OP07，调节A/D 输入电平，并在输出级加上低通滤波电路。其原理如图3。

图3 直流采样保持电路设计

2.4 直流采样A/D 转换模块AD7787

AD7787 是一款适用于低频测量的低功耗、低噪声、双通道、24 位∑－△模数转换器。它利用片内时钟电路工作，因而无需用户提供时钟源。数据输出速率可由软件设置，这一特性使其转换速率可在9.5～120 Hz 之间变化。现设置在16 Hz，此转换速率对于直流信号采集的稳定性很好。

2.5 采样档位切换模块

6B595芯片是串行数据输入，并行输出。将CMOS 信号转变寄存器值并数据锁存，其漏级输出最高电流达500 mA，主要应用于控制继电器。如果2 片6B595 系列芯片一起工作，一个16 位的移位寄存器便可以实现。采用6B595 芯片设计档位切换模块，继电器切换可靠，且电路设计简单。

3 创新点

3.1 宽量限设计

采用模拟多路开关与芯片74HC595 控制继电器，将大小电压独立分开测量，改变取样保持电路放大倍数，根据输入电压大小，自动选择合适的档位，使测量信号传输到AD 的值保持在输入范围内。通过以上方法，将三相交流电压档位扩增到1 000 V，三相交流电流扩增到100 A，直流电压扩增到1 000 V，直流电流扩增到50 A。为保证继电器切换可靠，将ULN2003 与74HC595 连用。采用74HC595 串转并芯片，它占用CPU 控制引脚少，且控制简单可靠性高。框图如图4。

图4 多量限档位切换框图

3.2 独立双核设计

采用ARM7LPC2114 与DSP ADI BF532 双核设计该设备，ARM7 负责对直流电压电流采样、计算、校准、存储校准数据以及档位切换，对于LPC2114 主频为70MHz 的处理器来说轻而易举。根据通讯速率与可靠性的考虑，在点对点的通信中，SPI 接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。即通过SPI 通讯方式与DSP通讯将数据上传，通过DSP 实时系统显示数据，DSP BF532 主要负责交流电压电流信号的采集与FFT 计算，交流电压电流档位计算与切换以及人机界面与键盘控制，这样既可以减轻DSP 计算的负担，又可以将交流与直流独立有效地分开，使交流电压与电流间互相不受影响。

3.3 数字模拟开关与斩波运算放大器相结合

采用数字模拟开关MAX4053 与斩波运算放大器TLC2652 相结合，通过MAX4053 高精度模拟多路复用器切换不同的斩波运算放大器反馈电阻，从而根据不同的档位得到相同范围的采样值送给AD。TLC2652 以高精度，低零点而得名，它能够有效地抑制直流放大电路零点漂移。

4 外部接口设计

接口部分是连接内部标准表电路和外部电路的唯一通道，其可靠性直接影响标准表的性能。在通信方面，本设计具有各种物理接口，如RS485 接口，RS232 接口等。RS232 接口具有许多优点:如传输效率高、抗干扰能力强、安装简单。因此，多功能标准表在国内市场主要采用RS232 接口，它符合湖南省的多功能标准表的技术标准。同时本设计中采取了许多保护措施，如隔离电源、过流保护、过压保护、与外界隔绝输出等。

为了进一步确保通信可靠，应降低传输速度。标准表的RS232 接口使用9 600 bps 的传输速率。此传输速率完全可以再提高，但该速率能够使标准表与上位机软件安全可靠地传输数据。

根据许多公司提供的多功能标准表通讯协议取长补短，严格地以安全可靠的原则拟定多功能标准表的通信协议规范，以促进电测计量标准厂家通讯接口与协议的可靠性与规范性，对今后的电测计量标准表领域具有重要意义。

5 电源电路模块设计

电源模块是系统的核心部分，其稳定性和可靠性决定了整个系统的运作的稳定性和平稳性。由于开关电源存在纹波大、干扰大的缺点，故本设计中主要采用线性电源。

6 结 论

本文设计的三相宽范围多功能标准表采用模块化结构设计，包括模拟信号模块、ADI BF532－DSP数据采样模块、控制模块、RS232 通信模块、电源模块和系统结构模块。结构模块化能够实现每个功能模块的独立调整和测试，缩短了整个产品的生产周期，并确保大规模生产。由于采用模块化结构设计，不同模块的简单组合，可以产生一系列不同的多功能标准表产品。

〔1〕周立功. ARM 微控制器基础与实践〔M〕． 北京航空航天大学出版社，2003． 11．

〔2〕马宏忠，胡虔生． 软件实现同步采样的误差分析〔J〕． 电工技术学报，1996，11(1):43-47．

〔3〕吴建辉． CMOS 模拟集成电路分析与设计(第2 版)〔M〕．1999．

〔4〕胡荫林，李碧蓉． 采样保持电路在正弦信号采集中的应用〔J〕． 电子测量技术，1995(1):45-47．

〔5〕张伏生，耿中行． 电力系统谐波分析的高精度FFT 算法〔J〕．中国电机工程学报． 1999，19(3):63-66．

〔6〕杨银堂，贺斌，朱樟明． CMOS 斩波稳定放大器的分析与研究〔J〕． 电子器件． 2005，28(1):167-171．

〔7〕孟祥印，肖世德． 基于先进集成电路多输出线性直流稳压电源设计〔J〕． 微计算机信息． 2005，21(1):154-155，180．