基于DSP的多通道同步DAS及其应用

王世闻，吴捷，林炯康，马艺玮　　摘要：鉴于dsp在结构和技术性能上的特点，本文提出了一种基于dsp的多通道同步数据采集系统的设计方法。该系统采用锁相环（pll）实时频率跟踪实现数据的同步采样，采用专门的a/d芯片实现多通道的同步，采用专门的开关电容滤波器提高采样系统的性能。通过初步的试验，验证了系统的性能，为进一步的研究奠定了基础。
　　关键词：dsp,多通道,锁相环
0前言　　近年来，集成电路技术和制造工艺的突飞猛进，高速数字信号处理(dsp)技术的发展及其制造成本的降低，使数字信号处理技术在电力系统的各个研究领域得到了广泛的应用。依据目前我国电力系统的供电现状，如何提高和保证电能质量已经是摆在我们面前的一项重大问题。通过对电能质量进行在线实时监测和分析，可以为改善电能质量和制定有关电能质量治理措施提供必要的依据，也为后续确定电能质量治理装置的相关技术参数提供重要的依据，正是这些迫切的需要使得电能质量在线监测成为必然。用户对电能质量的要求也使得我们不得不在实时性、测量精度、运算速度、处理能力以及自动化、网络化方面做些努力。　　本文介绍了一种基于tms320f2812 dsp的多通道同步数据采集系统的设计思路，该数据采集系统采用了16-bit精度的a/d转换芯片、32位定点dsp芯片进行数据的处理，另外还采用了专门的抗混叠滤波芯片，能够灵活地设置和选择滤波特性，以便能进行比较精确的谐波测量。该数据采集系统具有成本低、精度高、实时性好、处理能力强等优点，且能实现基于锁相环频率跟踪的多通道同步采样，完全适合电力系统中进行电量监测。1系统的基本结构1.1 系统框图　　本系统包括以下六个部分：三相电压、电流传感器部分，输入限幅单元，同步方波变换及锁相环倍频单元，滤波单元，a/d转换单元以及中央cpu单元．　　该系统的cpu采用ti公司最新推出的tms320f2812 dsp芯片，其负责控制a/d芯片的采样转换以及对a/d转换结果的处理，其中包括一些实现谐波测量和电压波动、闪变等的专门的软件算法。a/d芯片采用ti公司为电力系统三相电压控制专门生产的芯片ads8364，其提供的六个通道正好满足三相电压、三相电流控制的测量。fig1. block diagram of sample system1.2 原理介绍　　来自三相电压电流传感器的低电压信号（共6路），经由输入限幅单元后先进行信号的滤波处理，然后由专门的采样芯片ads8364进行a/d转换，同时，将限幅单元输出信号经一定处理后引至锁相环模块（pll）以便进行频率跟踪，此频率倍频后将提供给ads8364作为采样点的控制信号，a/d转换的数据送到dsp进行运算处理。1.3 a/d转换芯片ads8364以及tms320f2812 dsp的特点及性能　　ads8364是ti公司生产的一款特别适合于三相电压控制的a/d芯片，其具有以下特点：　　1）提供6个输入通道，且各通道独立工作，配置6个独立的16-bit adc，可以实现对六个通道的同步采样。全部通道均采用差分输入方式，共模抑制比高（50khz时达到80db）。　　2）4μs的单通道通过时间，最大250khz的转换速度，完全满足电力系统中进行电量监测的采样速度要求。　　3）450mw超低功耗，5v工作电源，数字信号接口采取5v、3.3v两种电平模式，可以很方便地连接到ttl或cmos电平控制。　　tms320f2812是ti公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点dsp芯片，其特点如下：　　1）采用多总线哈佛结构，有6级深度流水线。该芯片最高可在150mhz主频下工作，并带有18k×16位等待周期片上sram和128k×16位片上flash。同时tms320f2812带有存储扩展总线，可外扩大于1m×16位程序和数据存储器。　　2）丰富的片上外设，其中包括：2×8路12位adc（最快80ns转换时间）、2路sci、1路spi、1路mcbsp、1路ecan，两个事件管理模块（eva、evb），分别包括6路pwm输出、2路qep、3路cap输入、2个16位定时器（txpwm/txcmp）。另外，该器件还有3个独立的32位cpu定时器，以及多达56个独立编程的gpio引脚。2系统的硬件设计2.1 输入限幅单元　　为了使得a/d芯片安全工作，出于保护器件的需要，通常要对输入信号进行限幅，其详细电路可参考相关资料。2.2 抗混叠滤波　　奈奎斯特定理指出：时间连续信号转换成离散信号时，需要在一个周期内的采样次数多于2次。如果采样次数不够，将无法恢复丢失的信息。以200khz采样率对190khz信号进行采样的情况，所得信号是一个完好的正弦波，但频率是错误的。频率的改变正是由于混叠现象导致的。图3给出了混叠现象在频域的表现形式，所有频率f高于fs/2(fs为采样频率)的信号均将映像到fs/2区域内。实际应用中一般考虑采样频率为原始信号频率的3～4倍。　　由此可见，带外杂散高频成分引起