TMS320F2812的多通道高速同步交流采樣設(shè)計(jì)

周啟龍，李偉，徐明虎

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，沈陽 110866）

引 言

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般是在一塊印刷電路板上集成了模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣／保持器、A／D轉(zhuǎn)換器等器件。這類系統(tǒng)雖然可以采集多路模擬信號(hào)，但其實(shí)只有一路A／D轉(zhuǎn)換器。為了能夠采集多路模擬信號(hào)，本文采用美國ADI公司的AD73360型A／D轉(zhuǎn)換器及TI公司推出的2000系列DSP TMS320F2812，很好地實(shí)現(xiàn)了高速同步采樣。AD73360使用6線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步串行接口與CPU接口，TMS320F2812支持6線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步串行接口，所以AD73360與DSP經(jīng)過簡潔的連接后即可實(shí)現(xiàn)高速同步交流采樣。另外，由于AD73360具有6個(gè)同時(shí)采樣的模擬量輸入通道，所以特別適合三相制電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)控類應(yīng)用系統(tǒng)。

1 AD73360介紹

AD73360是ADI公司推出的6通道模擬輸入前端的可編程處理器。由于采用調(diào)制型A／D轉(zhuǎn)換原理［1］，具有良好的內(nèi)置抗混疊性能，所以對(duì)模擬前端濾波器的要求不高。每個(gè)A／D轉(zhuǎn)換通道由程控放大器、高速采集的A／D調(diào)制器、抽去數(shù)字濾波器組成。放大器增益、采樣率、抗混疊數(shù)字濾波器的截止頻率均可編程設(shè)置。每個(gè)通道可以允許直流頻率為4kHz的模擬信號(hào)通過，且能提供77dB的信噪比。由于其采樣率和輸入信號(hào)增益都是可編程的，當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率為16.384MHz時(shí)，采樣頻率可分別設(shè)置為64kHz、32kHz、16kHz、8kHz。增益可在0～38dB之間選擇，因而它既適合大信號(hào)的應(yīng)用，也適合小信號(hào)的應(yīng)用。

AD73360內(nèi)部共有8個(gè)控制寄存器，分別是CRA～CRH，它們所占用的地址為0～7，每個(gè)的長度為8位。AD73360的同步串行接口能夠識(shí)別長度為16位的來自DSP的控制字。其控制字格式如表1所列。

表1 AD73360控制字格式

2 TMS320F2812的 McBSP口介紹［2－3］

TMS320F2812是32位的定點(diǎn)DSP，主頻可達(dá)150 MHz，是目前用于測(cè)控系統(tǒng)、電機(jī)控制等領(lǐng)域中的熱點(diǎn)產(chǎn)品。芯片資源非常豐富，可簡化外圍電路設(shè)計(jì)。串行通信模塊包括兩個(gè)SCI口、一個(gè)SPI口、CAN總線和多通道緩沖串口McBSP，能滿足多種串行通信模式的需要。它有6條信號(hào)線：其中3條用于發(fā)送數(shù)據(jù)，分別為發(fā)送數(shù)據(jù)端MDXA、發(fā)送幀同步端MFSXA和發(fā)送時(shí)鐘MCLKXA；另外3條用于接收數(shù)據(jù)，分別是接收數(shù)據(jù)端MDRA、接收幀同步端MFSRA和接收時(shí)鐘MCLKRA。它能與多種串行接口器件直接通信，工作方式非常靈活，但同時(shí)也造成了端口配置復(fù)雜。McBSP有38個(gè)寄存器，這些寄存器可分為4類：數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器、多通道寄存器和FIFO寄存器。

3 采樣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為獲得合適的采集的交流信號(hào)，三相電壓、電流先分別經(jīng)過電壓互感器 TV、電流互感器 TA［4－5］的變換、電阻采樣和電容濾波變換，然后以差分方式輸入A／D轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換。TMS320F2812有6條信號(hào)線。其中3條用于發(fā)送數(shù)據(jù)，它們是發(fā)送數(shù)據(jù)段MDXA、發(fā)送幀同步端MFSXA、發(fā)送時(shí)鐘MCLKXA。另外3條是接收數(shù)據(jù)端。它們是接收數(shù)據(jù)段MDRA、接收幀同步端MFSRA和接收時(shí)鐘MCLKRA。AD73360和TMS320F2812的硬件接口電路［6－7］如圖1所示。圖中將4個(gè)幀同步信號(hào)連接成幀同步返回環(huán)方式。輸出幀同步信號(hào)SDOFS發(fā)送到TMS320F2812的輸入幀同步信號(hào)FSR，TMS320F2812的發(fā)送幀同步信號(hào)FSX輸出到自身的接收幀同步信號(hào)SDIFS，同時(shí)連接SDIFS和SDOFS，使其保持同步；AD73360的數(shù)據(jù)輸入信號(hào)SDI和輸出信號(hào)SDO分別與TMS320F2812的數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)MDXA和數(shù)據(jù)接收信號(hào)MDRA相連；TMS320F2812的發(fā)送時(shí)鐘信號(hào) MCLKXA與接收時(shí)鐘信號(hào)MCLKRA都取自AD73360的時(shí)鐘輸出信號(hào)SCLK；鎖相環(huán)輸出的倍頻信號(hào)AD＿SE直接觸發(fā)AD73360的激活信號(hào)SE，從而實(shí)現(xiàn)同步鎖相采集。

圖1 AD73360與TMS320F2812的硬件接口電路

4 采樣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在開始接收AD73360采集的數(shù)據(jù)之前，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行初始化。對(duì)TMS320F2812的設(shè)置：首先關(guān)閉可屏蔽中斷，設(shè)置中斷屏蔽寄存器，允許 McBSP同步串行口發(fā)送接收中斷信號(hào)［8］。其次，DSP 采 用 查詢的方式對(duì)AD73360進(jìn)行初始化，當(dāng)DSP的輸出電平由低變高時(shí)使AD73360同步串行口有效，同時(shí)復(fù)位結(jié)束。最后當(dāng)AD73360初始化過程結(jié)束，不再接收控制命名時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)模式，發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程

4.1 McBSP初始化［9］

初始化McBSP時(shí)，由于接收或發(fā)送幀同步信號(hào)正跳或負(fù)跳變時(shí)，開始接收或發(fā)送1個(gè)字的第1位，而發(fā)送和接收的幀同步信號(hào)均取自AD73360，所以發(fā)送和接收都應(yīng)該設(shè)置1位延時(shí)，應(yīng)滿足時(shí)序要求。

4.2 AD73360初始化

當(dāng)程序把DSP的McBSP與FIFO配置完畢后，開始初始化AD73360。初始化時(shí)，先進(jìn)入編程模式，這樣AD73360只接收控制字，而不接收同步輸出數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)仍具有一定意義，它是TMS320F2812從AD73360讀回的相應(yīng)指令寄存器內(nèi)容，如寫入0x8000時(shí)，同步輸出為0xb080；寫入0x810E，同步輸出為0xB10E。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置采樣頻率為32kHz，SCLK＝MCLK＝16.384MHz。下面的程序?yàn)榘l(fā)送控制字：

4.3 采樣接收中斷

中斷接收程序構(gòu)架如下：

5 時(shí)域采樣數(shù)據(jù)處理

①系統(tǒng)輸入電壓頻率50Hz，A／D采樣后用均方根法測(cè)得的值與理論值的比較如表2所列。

表2 A／D采樣的測(cè)量值與理論值比較

其中：US為系統(tǒng)輸入電壓；UAD為A／D采樣電壓；Um為測(cè)量值；Uth為理論值，它們?yōu)锳／D轉(zhuǎn)換后的量化值；ε為相對(duì)誤差。

②輸入信號(hào)U＝220V，頻率f＝50Hz，相位φ＝0°，有功的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的比較如表3所列。

表3 有功的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較

其中：i為電流，Pn為有功功率標(biāo)準(zhǔn)值，Pm為有功功率測(cè)量值。

③輸入信號(hào)U＝220V，電流I＝1.5A，頻率f＝50Hz，無功及功率因數(shù)的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的比較如表4所列。

表4 無功及功率因數(shù)的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較

其中：φ為二相源相位，Qn為無功標(biāo)準(zhǔn)值，Qm為無功測(cè)量值，εP為相對(duì)誤差，λn為功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，λm為功率因數(shù)測(cè)量值，ελ為相對(duì)誤差。

從上面3個(gè)表中可以看出，在時(shí)域采用均方根法，求取的電壓、電流有效值和有功、無功標(biāo)準(zhǔn)值比電網(wǎng)中的標(biāo)準(zhǔn)值更加準(zhǔn)確，更接近于實(shí)際電網(wǎng)中的實(shí)際電力參數(shù)。均方根算法能有效地避免高次諧波的影響，并且隨著每周采樣點(diǎn)的增多，可以提高采集的精度。

結(jié) 語

本設(shè)計(jì)使用DSP芯片自帶的FIFO接收中斷方法進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，可一次進(jìn)入多個(gè)數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷，節(jié)省了DSP的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了模擬通道的同步采集，解決了多通道采樣的時(shí)差問題，從而具有較好的實(shí)時(shí)性，滿足了系統(tǒng)的要求，特別適用于電力運(yùn)行參數(shù)的測(cè)控類應(yīng)用系統(tǒng)。

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