電氣化鐵路牽引自動(dòng)化系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換回路的設(shè)計(jì)

張志剛，董文寬，李 政，張忠琪

天津凱發(fā)電氣股份有限公司，天津 300384

0 引言

隨著當(dāng)前國(guó)家對(duì)電氣化鐵路的大力發(fā)展，火車時(shí)速越來(lái)越高，對(duì)鐵路沿線供電系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。電氣化鐵路牽引自動(dòng)化系統(tǒng)是保證沿線安全可靠供電的關(guān)鍵系統(tǒng)，其重要性得到空前的重視。牽引自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集供電系統(tǒng)的各種模擬量參數(shù)，智能判斷，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)閥值，自動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)操作。在牽引自動(dòng)化系統(tǒng)中，基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化操作，其中將各種模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量處理的方法尤為關(guān)鍵。

1 電氣化鐵路牽引自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)交流模擬量采集的特點(diǎn)

電氣化鐵路牽引自動(dòng)化系統(tǒng)中，繼電保護(hù)裝置對(duì)采樣的要求比較典型。繼電保護(hù)裝置中，一般需要按照每個(gè)周波內(nèi)定點(diǎn)采集同一時(shí)刻各個(gè)相關(guān)回路的電流電壓量，如果各個(gè)回路采樣時(shí)間不一致，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算后的數(shù)據(jù)相移偏大，會(huì)直接影響到裝置的正常判斷。大約每個(gè)周波是20ms，每個(gè)周波是360度，也就是21 600分，這樣每微秒延遲帶來(lái)的相移大概就是1分，對(duì)于某些保護(hù)裝置來(lái)說，當(dāng)延遲大到10μs、相移達(dá)到10分的時(shí)候，就可能帶來(lái)誤判，或者額外增加軟件計(jì)算工作量，導(dǎo)致裝置無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)正確判斷。因此，保證各個(gè)通道之間的同步采樣是非常重要的。

在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，交流輸送電的頻率并不全是理想的50Hz，而是在一個(gè)幅度范圍內(nèi)，因此，作為定點(diǎn)采集算法而言，為了準(zhǔn)確計(jì)算，需要準(zhǔn)確測(cè)量模擬量的頻率，根據(jù)測(cè)量得到的頻率即使智能校正定時(shí)間隔參數(shù)，目前在電力系統(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中定點(diǎn)算法一般為16點(diǎn)采樣，采用付氏算法計(jì)算。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用每周波40點(diǎn)定點(diǎn)采樣技術(shù)，計(jì)算精度更高，波形還原能力更強(qiáng)，數(shù)據(jù)可用性更強(qiáng)。因此，對(duì)于采樣間隔時(shí)間的精度要求也更高。

電力系統(tǒng)為了保證各個(gè)回路之間的同步，要求必須采集同一時(shí)刻的信號(hào)，不能采用一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的均值。因此，一些AD轉(zhuǎn)換模式是不能滿足該要求的，比如∑-△型。而SAR型ADC在電力系統(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中得到了充分的重視。

設(shè)計(jì)方案的針對(duì)以上特點(diǎn)，我們提出了采用Freescale Coldfire ETPU +多片ADI AD7656-1結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。

2 eTPU功能應(yīng)用

Coldfire 系列是Freescale 公司推出的一款尤其適合工業(yè)控制使用的工業(yè)CPU。芯片中繼承了增強(qiáng)型時(shí)序處理單元（enchanced Time Processor Unit，eTPU），是TPU的功能擴(kuò)展和改進(jìn)，TPU在motolora（freescale）的MPC5xx、M68300等系列微控制器上得到廣泛應(yīng)用，而eTPU作為基本功能模塊則在MCF523x（Coldfire系列）和MPC5500（PowerPC系列）的部分產(chǎn)品中得到應(yīng)用。eTPU采用類似RISC的微引擎，與I/O硬件定時(shí)通道連接，作為一個(gè)半獨(dú)立的協(xié)處理器，在不需要CPU參與的情況下，可以完成高速?gòu)?fù)雜的時(shí)序操作。eTPU模塊包含了它運(yùn)行所需的所有微控制器：數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器、微引擎、任務(wù)調(diào)度器以及32（或16）條I/O通道，其基本功能模塊如圖2所示。

圖1 eTPU基本功能模塊框圖

eTPU作為介乎軟件和硬件之間的模塊，具有一定的代碼和數(shù)據(jù)RAM。在eTPU模塊初始化期間，CPU將編譯好的eTPU二進(jìn)制程序代碼加載到eTPU代碼存儲(chǔ)器中并循環(huán)執(zhí)行。eTPU與主CPU之間可以通過中斷或DMA進(jìn)行交互，也可以通過eTPU軟件模塊接口進(jìn)行信息交互。為了便于應(yīng)用，freescal提供了完善的軟件功能庫(kù)，包括GPIO（通用IO）、IC（輸入捕捉）、OC（輸出比較）、PWM、UART、SPI、IIC等功能模塊。用戶只需要將需要的功能模塊庫(kù)與應(yīng)用程序編譯在一起，并根據(jù)提供的接口函數(shù)進(jìn)行必要的初始化操作，就可以需要的功能。利用eTPU功能模塊，甚至可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的交直流電機(jī)控制和角度控制。

其中的自動(dòng)輸入捕捉和PWM輸出功能，非常適用于頻率測(cè)量和全自動(dòng)周期性觸發(fā)轉(zhuǎn)換脈沖，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制ADC實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟隨輸入信號(hào)頻率及時(shí)調(diào)整采樣間隔，保證采樣數(shù)據(jù)的可用性。

3 ADI AD7656-1 6路16位高精度SAR ADC的特點(diǎn)

AD7656-1是美國(guó)ADI公司針對(duì)電力自動(dòng)化市場(chǎng)推出的6路同步采樣16位高精度SAR型ADC,內(nèi)部含有6個(gè)獨(dú)立的逐次逼近型（SAR）A/D 轉(zhuǎn)換器，也是AD7656的升級(jí)產(chǎn)品，可同時(shí)進(jìn)行 6路A/D轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為3μs，單通道轉(zhuǎn)換速率為250kSPS，屬于真正的雙極模擬量輸入，具備內(nèi)部電壓基準(zhǔn)和外部基準(zhǔn)兩種方式，具有轉(zhuǎn)換精度高、速度快、功耗低、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)。

該芯片支持16位并行接口、SPI串行接口兩種方式，6路模擬量分成3組，每組具備一路轉(zhuǎn)換觸發(fā)外部使能信號(hào)，可以靈活的根據(jù)需要分組啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換期間，輸出一個(gè)BUSY指示信號(hào)，在轉(zhuǎn)換完畢后，該信號(hào)變?yōu)闊o(wú)效，外部CPU可以啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀取過程。

芯片內(nèi)部具有高精度的電壓參考基準(zhǔn)，作為單片應(yīng)用的時(shí)候，可以采用芯片內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，但當(dāng)多片使用的時(shí)候，由于芯片之間存在離散性，因此需要配置外部電壓基準(zhǔn)，以保證所有通道具備統(tǒng)一的電壓基準(zhǔn)。

圖2 AD7656-1的架構(gòu)框圖

現(xiàn)高精度采樣的設(shè)計(jì)方案

使用AD7656-1時(shí)，需要特別注意模擬、數(shù)字信號(hào)的分離、模擬、數(shù)字信號(hào)地的分割以及單點(diǎn)接地，在每一組REF管腳出，都需要配置去耦電容（不低于1UF的低ESR電容+104電容），在AVDD、DVDD、VDRIVE三組電源管腳，都需要配置不低于4.7UF的低ESR電容和104去耦電容。主意在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要緊挨著管腳。

由于該轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入端是高阻抗輸入。因此，外部互感器的二次側(cè)小信號(hào)可以經(jīng)過低通濾波后直接作為信號(hào)輸入，降低了系統(tǒng)成本。

4 實(shí)現(xiàn)高精度采樣的設(shè)計(jì)方案

因此，我們制定了采用Coldfire ETPU +多片AD7656-1+EPLD+外部電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案，整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 電氣化鐵路牽引自動(dòng)化系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換回路的設(shè)計(jì)

圖3中，多片ADC芯片通過16位數(shù)據(jù)總線和CPU交互數(shù)據(jù)，多片ADC采用REF5025作為公共電壓基準(zhǔn)，ADC全部設(shè)置為并行方式、外部電壓基準(zhǔn)模式。交流模擬量經(jīng)過流通濾波回路后，其中2路接到交流正弦波—方波轉(zhuǎn)換回路，把正弦信號(hào)變?yōu)閱螛O性的方波信號(hào)，經(jīng)過光耦后接到Coldfire ETPU的一個(gè)通道上，該ETPU通道設(shè)置為輸入捕捉方式，自動(dòng)捕捉輸入方波的每一個(gè)變化沿，并記錄當(dāng)前相對(duì)計(jì)時(shí)器數(shù)值，根據(jù)相鄰?fù)瑯O性沿的時(shí)間間隔計(jì)算出當(dāng)前交流信號(hào)的周期，從而計(jì)算出每周波40點(diǎn)采樣所需要的定點(diǎn)采樣間隔，設(shè)置到ETPU第二個(gè)通道的定時(shí)參數(shù)中。第二個(gè)通道設(shè)置為PWM模式工作，根絕設(shè)置的周期、占空比等時(shí)間參數(shù)，自動(dòng)定時(shí)輸出信號(hào)啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，ADC在收到該轉(zhuǎn)換信號(hào)后，馬上進(jìn)入采樣保持、轉(zhuǎn)換的過程，同時(shí)輸出BUSY為高電平，通知CPU ADC芯片處于轉(zhuǎn)換過程中。當(dāng)6路模擬量全部轉(zhuǎn)換完畢后（典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs，不超過4μs），BUSY信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑ㄖ狢PU ADC轉(zhuǎn)換完畢，請(qǐng)求CPU取走數(shù)據(jù)。多片ADC的BUSY 信號(hào)都輸出到EPLD中，在EPLD里采用中斷共享的模式，各個(gè)BUSY信號(hào)相或后接到CPU的外部中斷上。COLDFIRE CPU的外部中斷設(shè)置為沿觸發(fā)，接受到該轉(zhuǎn)換完畢的中斷信號(hào)后可以可立即啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀取過程。這樣由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)完全有ETPU模塊自動(dòng)運(yùn)行，毫不占用CPU資源，也不受CPU的干擾，可以實(shí)現(xiàn)高精度定時(shí)，同樣該自動(dòng)運(yùn)行模式也不占用CPU資源，為CPU高速處理各種數(shù)據(jù)提供了保障。

在本設(shè)計(jì)中，在CPU數(shù)據(jù)總線與ADC數(shù)據(jù)總線間采用Buffer緩沖器做了相對(duì)隔離，保證了CPU運(yùn)行時(shí)，不會(huì)通過數(shù)據(jù)總線上的高速信號(hào)對(duì)ADC回路的轉(zhuǎn)換效果造成影響，只有當(dāng)CPU讀取采樣數(shù)據(jù)的時(shí)候，該Buffer才打開，確保了ADC回路工作環(huán)境的穩(wěn)定。

5 結(jié)論

筆者采用上述方案，配合適當(dāng)?shù)那度胧讲僮飨到y(tǒng)，在Coldfire系列的MCF5234 CPU基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了以上設(shè)計(jì)，經(jīng)過測(cè)試，整個(gè)回路測(cè)頻誤差低于0.01%，零漂不高于3個(gè)LSB，采樣精度優(yōu)于0.1%，完全滿足電氣化鐵路牽引自動(dòng)化系統(tǒng)的要求。

在電氣化鐵路牽引自動(dòng)化系統(tǒng)中，交流模擬量的采集是重中之重，絕大部分算法判斷的依據(jù)都來(lái)源于此。本方案充分利用了MCF5234的eTPU的特點(diǎn)，發(fā)揮了16位高精度SAR型轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)，保證了AD轉(zhuǎn)換的高精度和可用性，為系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]GB 50062-1992.電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范.

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

[3]Munir Bannoura，等著.ColdFire微處理器與微控制器.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

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