采用虛擬軟件與數據采集卡實現故障錄波器系統的設計

　　來源：單片機與嵌入式系統應用，作者：劉景鵬；王大志；李俊；孫化龍

引言

故障錄波器是提高電力系統安全運行的重要自動裝置，當電力系統發(fā)生故障或振蕩時，能自動記錄故障點前后一定時間內各種電氣量的變化。參考文獻設計的故障錄波器采用虛擬軟件與數據采集卡相結合的方法，其缺點是必須依靠計算機來進行計算分析，設備移動不方便，而且數據采集卡的價格也比較高，使得產品應用有一定的局限性。參考文獻設計的是一種基于DSP和A／D轉換器件相結合的故障錄波器，所用的A／D轉換器件不能同步轉換6路信號，所測結果之間有一定的延遲。針對以上缺點，現采用DSP和AD7656相結合的方法，通過外接LCD顯示波形和數據，使其可以作為手持設備使用，也可連接電腦通過LabWindows／CVI軟件在電腦上實時顯示，所用的AD7656具有的6路同步采樣特性克服了測量結果之間有延遲的缺點，提高了測量精度。

1 運行原理及相關算法

綜合了此前所提出的各種性能指標，故障錄波器采用硬件與軟件相結合的設計方法，高速數據采集裝置以DSP-TMS320F28335為核心，利用TBC-LXH雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器和CHV-25P霍爾電壓傳感器對信號進行采集，并采用高性能的AD7656完成對信號的A／D轉換，利用LCD進行波形顯示并利用LabWindows／CVI軟件進行控制。本裝置加LCD主要是考慮到可以在沒有電腦的情況下顯示電壓電流波形，方便操作。

采用虛擬軟件與數據采集卡實現故障錄波器系統的設計

此裝置由3部分組成：檢測部分、計算部分、上位機控制部分。系統框圖如圖1所示。系統運行情況如下：首先電網的各項電壓電流通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，之后由檢測部分的電壓電流傳感器對電網三相電壓、電流等基本參數進行實時檢測，所測的6路模擬量傳遞給AD7656；TMS320F28335控制AD7656將6路模擬量轉換成數字量，DSP利用FFT算法對電壓電流的數字量進行分析，提取出基波和各次諧波分量，并算出有功功率、無功功率和THD值，再傳遞給C8051F005單片機和終端計算機；外接于單片機的鍵盤控制LCD顯示波形，計算機利用LabWindows／CVI軟件進行波形數據的顯示、存儲和打印等。

本諧波分析方法采用快速傅立葉變換（FFT）。其在DSP的實現方法利用創(chuàng)建FFT的庫函數進行運算，具體的實現方法在軟件部分詳細介紹。

2 系統硬件設計

本裝置核心采用TMS320F28335和AD7656器件，采集來的信號經過DSP運算能通過RS-485串口與計算機通信。

2．1 TMS320F28335及外圍電路

2．1．1 復位電路設計

TMS320F28335的復位電路采用上電復位電路，由電源器件給出復位信號。一旦電源上電，系統便處于復位狀態(tài)，當XRS為低電平時，DSP復位。為使DSP初始化正確，應保證XRS為低電平并至少保持3個CLKOUT周期。同時，上電后，該系統的晶體振蕩器一般需要100～200 ms的穩(wěn)定期。所選的電源器件TPS73HD301一但加電，其輸出電壓緊隨輸入電壓，當輸出電壓達到啟動RESET的最小電壓時（溫度為25℃時，其電壓為1．5 V），引腳RESET輸出低電平，并且至少保持200 ms，從而滿足復位要求。

2．1．2 時鐘電路設計

向DSP提供時鐘一般有2種方法：一種是利用DSP內部所提供的晶體振蕩器電路，即在DSP的X1和X2引腳之間連接-晶體來啟動內部振蕩器；另一種方法是將外部時鐘源直接輸入X2／CLKIN引腳，X1懸空，采用已封裝晶體振蕩器。鑒于從資源利用和電路設計的簡單性考慮，該最小應用系統的時鐘電路采用TMS320F28335內部晶體振蕩器，具體電路如圖2所示。外部晶振的工作頻率為30 MHz，TMS320F28335內部具有一個可編程的鎖相環(huán)，用戶可根據所需系統時鐘頻率對其編程設置。

2．1．3 供電電路設計

DSP的供電要求為其內核和I／O分別進行供電，現采用電源器件TPS73HD301為DSP供電，內核供電電壓為1．9 V，I／O口供電電壓為3．3 V。

2．2 AD7656及外圍電路

AD7656的電源設計中，AVcc和DVcc是AD7656的模擬電壓輸入端和數字電壓輸入端。AD7656作為6通道獨立的同步采樣數據轉換器，在轉換過程中需要足夠的電能量，所以AVcc的去耦在設計中就顯得十分重要。在實際電路設計中，可以單獨提供+15 V（或+12 V）電壓給Vdd和Vss電源輸入端，同時提供+5V給AVcc模擬電壓端。通過濾波器（小電阻或磁珠）把AVcc連接到DVcc。然后再通過濾波器供給系統+5 V電源。AD7656的

RANGE接地，輸入電壓范圍為基準電壓的4倍。H／S引腳和SER／PAR都接地，用以開啟硬件控制轉換輸入模式，由CONVSTA／B／C引腳控制采樣。其中的REFCAP_A、REFCAP_B和REFCAP_C全部接地，用以控制輸入全部成對轉換。

2．3 系統整體硬件設計

2．3．1 AD7656與檢測部分的連接

檢測部分的傳感器采用TBC～LxH雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器和CHV-25P霍爾電壓傳感器。電流傳感器的額定測量范圍為O～150 A，反應時間小于20μs，溫度漂移小；電壓傳感器測量范圍為0～500 v，反應時間小于10μs，線性度好。因為輸入的電壓電流存在高次諧波和噪聲信號，所以需要一個前置的濾波裝置進行抗混疊濾波，而且為了滿足AD7656的16位精度的要求，前端要選用高精度并且可以處理10 V雙極信號的運算放大器作信號處理和濾波。此運算放大器選用AD8022，如圖3所示。INl為初始模擬信號的輸入端，經過AD8022之后傳遞給AD7656，其中三相電壓電流都與此連接方式相同。

2．3．2 DSP與AD7656的

AD7656與DSP的連接如圖4所示。DSP的ADCINA和ADCINB復用為I／O口，與AD7656的D0～D15數據口相連，用于數據的傳輸。DSP的GPIOB59與AD7656的BUSY相連，用來檢測AD7656是否處于轉換狀態(tài)。DSP的GPIOB60與AD7656的CONVST相連，GPIOB62與AD7656的片選端口相連，用以控制AD7656的啟動與停止。GPIOB61與AD7656的讀寫端口相連，用來控制讀取AD7656轉換后的數據。GPIOB63與AD7656的RST端口相連用來控制AD7656的復位。ISSl61LV6416是片外隨機存儲器。

2．3．3 DSP與單片機和計算機的連接

DSP的SCIB與計算機進行串口通信。因為：RS-232的抗干擾能力較弱，所以選擇RS-485作為通信串口，再通過轉換芯片轉換為與計算機適合的電平。DSP的SCIC串口與F005單片機PO．0和PO．1口相連。其傳輸的波特率設置為9600 b／s。

2．3．4 DSP與外擴存儲器的連接

擴展的數據存儲器選用了超捷（SST）公司的SST25VF040。SST25VF040是公司的SPI接口的串行閃存，它是一塊低功耗Flash，存儲容量為4 MB，工作在2．7～3．6 V的電壓下，因此可以直接和DSP相連。其連接圖如圖5所示。DSP的SPIA口的接收和發(fā)送端與其SI和SO口相連，用來進行數據的傳輸。GIPIO26和GIPl027分別用來對存儲器的片選和讀寫進行控制。

2．3．5 C8051F005與LOD和鍵盤的連接

為了使故障錄波器能夠方便移動使用，采用了新華龍公司F005單片機外接LCD和鍵盤來控制的方法，可以脫離電腦通過外接鍵盤來控制故障錄波器的運行。F005的P1．O～P1．7外接鍵盤的8個鍵位K1～K8，其可以控制6種波形的顯示，設置故障記錄的上下限值等。LCD采用240128 E型號的液晶，F005的P2．O～P2．7接LCD的DBO～DB7用于數據的傳輸，P3．O和P3．1接LCD的讀寫口。

3 系統軟件設計

軟件設計包括LabWindows／CVI軟件程序和DSP控制A／D轉換程序，以及利用FFT變換提取出基波分量和各次諧波分量的程序。

3．1 整體流程

下面以流程圖方式進行軟件設計的說明。如圖6所示，通過控制界面串口的設置完成串口設置，設置成功系統開始運行。

如圖7所示，界面上有故障自動記錄時間選擇按鈕，如果設置2s，則存儲故障前后共4s的波形。通過波形選擇按鈕可選擇要顯示的波形，選擇A相電流，則可顯示出其波形和各次諧波數據等（如果未接計算機，可以依靠外接鍵盤來設置其相關值）。DSP開始運行時，進行系統初始化，傳感器開始檢測電壓電流，檢測到的模擬信號由A／D轉換為16位的數字信號，由DSP進行FFT運算分析出各次諧波分量，并計算出THD值。所計算出的基波最大值與所設置的標準值進行比較，當大于或小于設定值時，觸發(fā)報警裝置。之后所測數據由串口傳送到計算機的控制界面和單片機，控制界面顯示出所測波形和數據，可保存故障波形和數據。單片機控制LCD進行顯示，圖7中的實驗結果為A相電流波形，顯示出A相電流的基波和各次諧波值，并算出THD值等。

3．2 LabWindows／CVI部分程序

當系統運行時，首先配置串口，向串口發(fā)送要顯示的某相電流或電壓，DSP會根據指令要求傳輸給計算機。軟件界面會顯示波形和其有效值，并可根據情況進行存儲打印等。下面部分函數：

3．3 實現FFT變換和計算THD值等

DSP能夠進行浮點運算，其定標能夠實現數值的精確計算。定標簡單來說就是把一個小數換算成整數，然后進行運算，這樣使得運算誤差變小。例如，一個小數為1．123 456 789，后面還可以有好幾位小數。如果直接計算的話，運算中會舍去小數點后的部分數值，使得誤差變大。如果利用定標運算，可以把1．123 456 789變?yōu)檎麛?．123 456 789×225（選擇Q25定標）后進行運算，這樣使得計算的結果誤差比原來小。這是DSP運算的一大優(yōu)點，而且其運算速度快，利用FFT運算時，采樣諧波頻率可以達到31次之多。

DSP初始化程序：