電站故障錄波系統(tǒng)設(shè)計

王勇+王曉渝

摘 要：故障錄波器是一種在電力系統(tǒng)發(fā)生故障或振蕩時（例如繼電保護(hù)動作等），自動記錄故障信息的裝置。本文討論的基于DSP的故障錄波系統(tǒng)是為了滿足監(jiān)測電力系統(tǒng)故障，提高電能質(zhì)量而設(shè)計的一套大容量數(shù)據(jù)高速采集處理系統(tǒng)。本文主要從硬件電路的組成方面介紹了數(shù)據(jù)采集卡以及其與上位機(jī)通信的基本原理。本數(shù)據(jù)采集卡具有采集路數(shù)多，采樣速率高，處理能力強(qiáng)，智能控制靈活，在線改變采樣速率的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：故障錄波；數(shù)據(jù)采集；TMS320C6713；ADS7864

中圖分類號： TM935.39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B 文章編號： 1673-1069（2016）32-180-2

0 引言

本文主要介紹了基于DSP芯片的故障錄波器數(shù)據(jù)采集卡的硬件開發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸原理，并對其主要性能指標(biāo)作了介紹。

1 基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本原理是把接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后再將數(shù)字信號傳送給計算機(jī)進(jìn)行處理、顯示和存儲。基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能進(jìn)行高精度、高速度采樣與實時分析，實現(xiàn)從強(qiáng)背景噪聲中拾取微弱信號以及在一定的頻帶內(nèi)對被測信號進(jìn)行采樣等。由于本采集卡將要應(yīng)用到電力系統(tǒng)精確故障定位這樣實時性很高的場合，因此我們要設(shè)計專門的硬件方案：①A/D采集單元；②DSP處理單元；③高速輸出單元。為了獲得高速的采集速度，那么就應(yīng)該注重提高每一部分的速度。

2 數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計要求及性能指標(biāo)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

①模擬量通道：采樣率100kps，36路5V差動輸入（交流量），12bitAD，可選信號隔離，36路同步采樣，128點RMS計算累積誤差小于50mV（1%）；

②開關(guān)量通道：8路繼電器輸出，64路開關(guān)量輸入，帶光電隔離；

③采用GPS時鐘同步；

④通過PCI總線與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；

⑤滿足36路模擬量及相應(yīng)的開關(guān)量的數(shù)據(jù)的存儲要求。

2.2 該數(shù)據(jù)采集卡的優(yōu)點

①采集路數(shù)較多，包含36路模擬量輸入和64路開關(guān)量輸入；

②采集速率高，通道數(shù)多。采集速率100kHZ；

③采用了高速DSP芯片；

④智能控制，能夠在線改變采樣速率。

3 數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計

本數(shù)據(jù)采集卡采用型號為TMS320C6713的DSP芯片，具有速度高、可靠性強(qiáng)、具備良好的擴(kuò)展能力，其采樣率可自動調(diào)節(jié)。

數(shù)據(jù)采集卡的總體框圖如下。包含信號調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）部分、中央處理單元（DSP）、數(shù)據(jù)存儲部分、與工控機(jī)的通信部分等。（圖1）

硬件說明如下。

3.1 DSP芯片

TI的高性能32位浮點數(shù)DSP芯片TMS320C6713（PYP），提供16位外部數(shù)據(jù)總線，片內(nèi)集成256kB SRAM，可靈活地外擴(kuò)SDRAM，SRAM，F(xiàn)lash ROM等多種類型的存儲器芯片。在150M Hz的時鐘頻率下，能夠?qū)崿F(xiàn)1200MIPS/900MFLOPS的定點和浮點運算。其HPI接口可靈活地同PCI控制器進(jìn)行連接。集成2個32位定時器，其時鐘和PLL單元提供4路不同頻率的時鐘輸出，3路可由管腳引出，便于全系統(tǒng)使用統(tǒng)一的時鐘同步運行。

3.2 SDRAM

采用128Mbit的同步DRAM芯片，MT48LC8M16A2-75，使用一塊芯片即可實現(xiàn)8M×16的存儲器配置，有效地節(jié)省了電路板的面積。

3.3 Flash ROM

使用一片Am29LV160D實現(xiàn)1M×16的存儲器配置，可使用DSP開發(fā)系統(tǒng)在線對該芯片進(jìn)行編程操作。

3.4 PCI橋接控制器

使用PCI2040作為主機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡DSP局部總線的橋接控制器，它允許DSP局部總線以50MHz的頻率高速運行。

3.5 模擬量通道

使用TLC4502對輸入模擬量進(jìn)行調(diào)理放大后，采用12bit，500kps的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS7864進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集。ADS7864進(jìn)行一次AD變換所需時間為2μs，一次轉(zhuǎn)換2路通道，完成6路模擬量的采集需6μs。在采用6芯片并行同步采樣的條件下，進(jìn)行一次36路模擬量采集的時間不大于10 μs，系統(tǒng)可以100kps的速率進(jìn)行采樣。在最大采樣速率下，每周波可采2048點。單次采樣采集精度為1LSB，在對128點RMS運算的累積誤差小于50mV（1%）。

3.6 開關(guān)量通道

提供64路開關(guān)量通道，4路開關(guān)量動作可觸發(fā)DSP中斷。系統(tǒng)每100 μs或每采集一次模擬量對開關(guān)量掃描一次。提供8路繼電器輸出，通過信號隔離板驅(qū)動外部220V繼電器。

3.7 GPS時鐘同步

采用GARMIN GPS25 LVS接收GPS衛(wèi)星信號，其秒脈沖輸出觸發(fā)DSP NMI中斷同步DSP內(nèi)部定時器TIMER0，控制模擬量的同步采集。GPS報文通過異步串行口TL16C550BN傳送到DSP數(shù)據(jù)采集卡，DSP提取時間后作為所采數(shù)據(jù)的時標(biāo)。

3.8 地址譯碼及系統(tǒng)控制

由3-4片G22V10完成。亦可選用CPLD器件，這樣一片即可實現(xiàn)全部譯碼和控制工作，但需要一套開發(fā)系統(tǒng)。

3.9 電源及復(fù)位電路

使用LTC3413芯片由3.3V降壓提供TMS320C6713（PYP）核心所需的1.2V電壓，3.3V電源由PC機(jī)主板提供，采集卡所需的5V邏輯電源由另外的開關(guān)電源提供，采用12V電源經(jīng)線性穩(wěn)壓電源芯片7805降壓后輸出5V電源供給模擬量采集部分。采用TPS3110E12芯片對DSP核心和I/O電源進(jìn)行監(jiān)測。

3.10 36路模擬量經(jīng)過信號調(diào)理TLC4502

將+5V或-5V的電壓轉(zhuǎn)換為0～5V；起到調(diào)幅，電平移位的作用。

3.11 總線驅(qū)動

①增強(qiáng)驅(qū)動能力。

②電平轉(zhuǎn)換：5V與3.3V之間的轉(zhuǎn)換。

3.12 74164245

將持續(xù)的電平轉(zhuǎn)換為脈沖，避免一路信號長期占用總線，DSP一次只能讀取16位的信號，64路信號需要分4次讀取，可以說這64路開關(guān)量是通過這個芯片控制分時占用總線。

3.13 中斷邏輯生成

有些時候開關(guān)量發(fā)生了變化或者其他原因，我們可以由此生成中斷，要求DSP停止讀寫操作。實際上由于要求是每1ms 采一次數(shù)據(jù)，所以我們的這部分的功能可能用不上。

3.14 74573鎖存器

將脈沖轉(zhuǎn)換為持續(xù)電平，因為信號在總線上出現(xiàn)的時間極短，而進(jìn)行繼電器輸出及其驅(qū)動或者使二極管亮燈等這是需要一定時間的，所以必須利用74573將這一時刻的信號鎖存。

采集卡還可以實現(xiàn)8路繼電器輸出及其驅(qū)動，以及狀態(tài)指示輸出。

4 數(shù)據(jù)的傳輸

該數(shù)據(jù)采集卡本身并不能保存采樣數(shù)據(jù)，它通過通信接口（PCI總線）將需要保存的數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機(jī)，工控機(jī)將數(shù)據(jù)存儲在其大容量硬盤上。

利用TMS320C6713上的并行端口（HPI）可以很方便地和上位機(jī)進(jìn)行無縫接口，其接口的主控權(quán)由上位機(jī)掌管。

PCI2040負(fù)責(zé)為TMS320C6713與PCI之間提供無縫接口（兼容PCI局部總線規(guī)范2.2版本）。PCI2040提供了到DSP芯片HPI接口的無縫連接，因此減少了同PCI9054連接所需要的一些邏輯轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，這就簡化了后續(xù)的編程工作。

PCI2040與TMS320C6713之間的接口電路如下圖：

參 考 文 獻(xiàn)

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