基于DSP和ARM的0.02級交直流多功能標準表的設計

銀暉，歐朝龍，熊鷹

(湖南省電力公司科學研究院，湖南 長沙410007)

隨著電力行業不斷的深入改革，工業三相高精度多功能標準表的需求迅速增加。而目前國內市場上多功能標準表的品種有限、價格昂貴、功能不完善，多是針對部分應用領域設計的，不能普遍使用。本文提出的一種多功能高精度標準表的設計將解決這些問題。

本文設計的標準表應用了DSP 和ARM 等測量技術，并使用了DSP 作為其核心處理器，測量誤差為0.02 級以內。采用模塊化結構設計，包括模塊化通道板、信號采集板、測量計算板、核心控制器板，并且采用先進的大型集成電路。因此，此標準表具有許多優點:系統結構簡單，運行可靠，良好的人機交互界面，重量輕，體積小，可以長期應用于工作領域以及實驗室。

1 整機設計原理

1.1 工作原理

0.02級交直流多功能標準表原理模塊框圖如圖1 所示。

圖1 0.02 級交直流多功能標準表原理模塊框圖

為保證測量精度且可靠，將模擬信道和測量信道分離。模擬信道中，測量電壓由精密電壓采樣模塊轉換為小電壓信號，測量電流由電流互感器采樣并將其轉換為小電壓信號。然后分別將交直流模擬信號轉換后的小信號送入各自的測量信道中進行測量計算。其中模擬信道還執行通道中的檔位自動切換功能。

交流信號采集電路主要采用16 位A/D 轉換器，獨立的6 路A/D 采集電路能夠同時獲得6 路測量信號的采樣結果，由CPLD EPM1270 控制6路A/D，分別對每路交流電壓信號和交流電流信號進行轉換，并最終通過串行方式發送到DSP ADI BF532。

直流信號采集電路主要采用24 位A/D 轉換器，獨立的2 路A/D 采集電路能夠同時獲得2 路測量信號的采樣結果，由ARM LPC2114 控制2 路A/D，分別對直流電壓信號和直流電流信號進行轉換，并最終通過SPI 串行方式發送到DSP ADI BF532。

在本設計中，DSP 嵌入實時操作系統，設計人性化中文操作界面，能夠高速完成對交流信號采樣數據實時處理并將結果在系統平臺上顯示出來。ARM7 LPC2114 處理直流信號的采集與數據的實時處理，并將結果傳送至DSP 實時系統平臺上顯示。DSP 系統還支持RS232 通訊規約與上位機軟件通訊。

1.2 測量原理

交流信號采用軟件同步法同步采樣，首先測出被測信號的周期T，用該周期除以1 個周期內采樣點數N，即Ts=T/N 得到采樣間隔，然后再精確定時采樣。在采樣點的正值與負值間采用插值法，通過逐次逼近方法發現零點。由于零點和第一次的類似采樣點之間的時間已經獲得，測量信號的頻率在1 個周期的采樣點的基礎上可以計算。

直流信號采用多次采樣、統計后再平均，然后進行數據轉換計算。

2 采樣電路

A/D 采樣電路的設計是該設備非常關鍵的一步，它直接影響模型測量的穩定性、線性度、噪聲水平以及每個功能的實現。本文設計的標準表采用硬件低通濾波器和差分電路〔4〕以及電位調整電路設計采樣保持電路，以確保信號不受共模干擾和高頻干擾，且符合A/D 輸入值范圍。

2.1 AD8139 交流采樣和保持電路

由AD8139 構成的低噪聲采樣保持電路，采用差分信號輸入，有效抑制共模干擾，并在輸出端加低通濾波器，濾除高頻干擾。6 路通道分別通過各自A/D 轉換器轉換，這種使用獨立AD 采樣的方案，使各通道同步采樣，既可以提高各通道的采樣精度，也避免了共用通道而引起的誤差。采樣保持電路原理如圖2。

圖2 AD8139 采樣電路

模擬信號轉換數字離散信號時，A/D 轉換器會帶來量化誤差。A/D 轉換器的位數越少，相鄰量化類間的差異就會越大，因此量化誤差就越大，同時其輸入輸出特性也對采樣電路影響很大。為了使A/D 采樣電路對測量回路的影響減少，應提高A/D 轉換器電路的輸入阻抗。

2.3 交流采樣A/D 轉換模塊AD7688

AD7688 是16 位串行A/D 轉換器，500 千次/s的采樣率，其內部集成了非線性校正電路以及脈沖信號控制電路，采樣的啟動信號、時鐘信號及矯正開始信號都由外部CPU 提供。

在使用A/D 轉換器時，為了得到較高的精度，應該采用合適的采樣頻率，同時1 個周期內采樣點的分布應該是平均的。A/D 轉換的實質是比較模擬電壓與基準電壓的大小，然后確定比較位。只有這樣A/D 轉換器轉換結果產生的誤差才會小。

轉換器AD7688 使用的外部基準是max6250，這種芯片有恒溫槽，具有較高的長期穩定性和較好的溫度特性。至于數字信號噪聲對A/D 轉換器的干擾問題，實際上只要處理好數字地與模擬地的連接問題就可以了。

2.3 直流采樣保持電路

由于直流電壓電流的輸入存在正負方向的問題，且由于A/D7787 應用于0～5 V 的采集電路，故需要加輸入A/D 轉換模塊的電平調整至0～5 V之間，在此采用低噪聲運放OP07，調節A/D 輸入電平，并在輸出級加上低通濾波電路。其原理如圖3。

圖3 直流采樣保持電路設計

2.4 直流采樣A/D 轉換模塊AD7787

AD7787 是一款適用于低頻測量的低功耗、低噪聲、雙通道、24 位∑－△模數轉換器。它利用片內時鐘電路工作，因而無需用戶提供時鐘源。數據輸出速率可由軟件設置，這一特性使其轉換速率可在9.5～120 Hz 之間變化。現設置在16 Hz，此轉換速率對于直流信號采集的穩定性很好。

2.5 采樣檔位切換模塊

6B595芯片是串行數據輸入，并行輸出。將CMOS 信號轉變寄存器值并數據鎖存，其漏級輸出最高電流達500 mA，主要應用于控制繼電器。如果2 片6B595 系列芯片一起工作，一個16 位的移位寄存器便可以實現。采用6B595 芯片設計檔位切換模塊，繼電器切換可靠，且電路設計簡單。

3 創新點

3.1 寬量限設計

采用模擬多路開關與芯片74HC595 控制繼電器，將大小電壓獨立分開測量，改變取樣保持電路放大倍數，根據輸入電壓大小，自動選擇合適的檔位，使測量信號傳輸到AD 的值保持在輸入范圍內。通過以上方法，將三相交流電壓檔位擴增到1 000 V，三相交流電流擴增到100 A，直流電壓擴增到1 000 V，直流電流擴增到50 A。為保證繼電器切換可靠，將ULN2003 與74HC595 連用。采用74HC595 串轉并芯片，它占用CPU 控制引腳少，且控制簡單可靠性高。框圖如圖4。

圖4 多量限檔位切換框圖

3.2 獨立雙核設計

采用ARM7LPC2114 與DSP ADI BF532 雙核設計該設備，ARM7 負責對直流電壓電流采樣、計算、校準、存儲校準數據以及檔位切換，對于LPC2114 主頻為70MHz 的處理器來說輕而易舉。根據通訊速率與可靠性的考慮，在點對點的通信中，SPI 接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。即通過SPI 通訊方式與DSP通訊將數據上傳，通過DSP 實時系統顯示數據，DSP BF532 主要負責交流電壓電流信號的采集與FFT 計算，交流電壓電流檔位計算與切換以及人機界面與鍵盤控制，這樣既可以減輕DSP 計算的負擔，又可以將交流與直流獨立有效地分開，使交流電壓與電流間互相不受影響。

3.3 數字模擬開關與斬波運算放大器相結合

采用數字模擬開關MAX4053 與斬波運算放大器TLC2652 相結合，通過MAX4053 高精度模擬多路復用器切換不同的斬波運算放大器反饋電阻，從而根據不同的檔位得到相同范圍的采樣值送給AD。TLC2652 以高精度，低零點而得名，它能夠有效地抑制直流放大電路零點漂移。

4 外部接口設計

接口部分是連接內部標準表電路和外部電路的唯一通道，其可靠性直接影響標準表的性能。在通信方面，本設計具有各種物理接口，如RS485 接口，RS232 接口等。RS232 接口具有許多優點:如傳輸效率高、抗干擾能力強、安裝簡單。因此，多功能標準表在國內市場主要采用RS232 接口，它符合湖南省的多功能標準表的技術標準。同時本設計中采取了許多保護措施，如隔離電源、過流保護、過壓保護、與外界隔絕輸出等。

為了進一步確保通信可靠，應降低傳輸速度。標準表的RS232 接口使用9 600 bps 的傳輸速率。此傳輸速率完全可以再提高，但該速率能夠使標準表與上位機軟件安全可靠地傳輸數據。

根據許多公司提供的多功能標準表通訊協議取長補短，嚴格地以安全可靠的原則擬定多功能標準表的通信協議規范，以促進電測計量標準廠家通訊接口與協議的可靠性與規范性，對今后的電測計量標準表領域具有重要意義。

5 電源電路模塊設計

電源模塊是系統的核心部分，其穩定性和可靠性決定了整個系統的運作的穩定性和平穩性。由于開關電源存在紋波大、干擾大的缺點，故本設計中主要采用線性電源。

6 結 論

本文設計的三相寬范圍多功能標準表采用模塊化結構設計，包括模擬信號模塊、ADI BF532－DSP數據采樣模塊、控制模塊、RS232 通信模塊、電源模塊和系統結構模塊。結構模塊化能夠實現每個功能模塊的獨立調整和測試，縮短了整個產品的生產周期，并確保大規模生產。由于采用模塊化結構設計，不同模塊的簡單組合，可以產生一系列不同的多功能標準表產品。

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