0 引言
基本电量的采集作为电力系统实时控制、监测、调度自动化的前提环节, 毫无疑问具有重要的作用[1]。如何准确快速地采集电力系统中的各个模拟量并加以分析，以达到实时报警甚至预防事故的发生，一直都是电力系统研究中的热点。
系统选用美国TI公司的TMS320C6711D做为主要的计算核心器件，该芯片具有900M FLOPS 高速浮点运算能力和类似RISC的指令集，采用VelociTI 先进VLIW结构内核：8个独立的功能单元，6个ALU，2个乘法器，浮点支持IEEE标准单精度和双精度浮点运算，可以每周期执行8条32bit指令，带有32个32bit通用寄存器。片内集成64K RAM，32bit 高性能外部存储器接口（EMIF）提供了与SDRAM、FLASH等同步/异步存储器的直接接口，并提供多种集成外设。TMS320C6711支持多种复位加载模式（Boot），提供3种节电模式（POWER DOWN），内置灵活的PLL锁相时钟电路，支持IEEE-1149.1（JTAG）边界扫描接口，其内核采用1.26V供电，周边I/O采用3.3V供电[2]。
A/D转换电路的核心是芯片ADS8364，它是高速、低功耗，六通道完全独立的16位逐次逼近式模数转换器。它采用＋5V工作电压，并带有80dB共模抑制的全差分输入通道以及六个4μs连续近似的模数转换器、六个差分采样放大器。六个模拟输入分为三组（A，B和C），每个输入端都有一个ADCs保持信号以用来保证几个通道能同时进行采样和转换[3]。
当ADS8364采用5MHz的外部时钟来控制转换时，它的取样率是250kHz，同时对应于4μs的最大吞吐率，这样，采样和转换共需花费20个时钟周期。因此，为了得到最大的输出数据率，读取数据可以在下一个转换期间进行[3]。
1 基于TMS320C6711D+ADS8364的系统设计
整个系统可分为三相同步锁相电路、AD转换电路、组合逻辑电路以及DSP核心部分电路等四大部分组成。实现数据采集以及各种核心算法，并可以通过高速数据总线（HPI）将计算所得的数据实时传递。
原理框图如下：

图1 系统整体原理框图

1．1 三相同步锁相电路
同步电路主要完成频率跟踪的功能，以AD每周期采样256点为例，该电路可以保证在一个工频周期内为AD提供256点的采样信号，从而实现同步锁相的功能。
如图2所示，电压信号经过一系列滤波、过零比较后，得到一个与输入信号同频率的TTL电平的方波信号进入选相电路。
选相电路完成A，B，C三相的相别优先选择，并根据选中相别的电压产生过零信号提供给后续的电路，以实现256倍的锁相倍频采样。在频率变化的情况下，电路也能保证每周波256点的同步采样。当三相电压全部失去后，产生中断信号通知DSP，由DSP自主产生同步采样信号，以50Hz工频进行256点的采样。

图2 同步采样电路原理框图

1．2 A/D 模数转换电路
模拟变换、信号调理及AD转换构成整个A/D模数转换电路，此电路是整个采样系统的基础，它实现了电压互感器、电流互感器二次侧的信号隔离、变换适合于AD采样的模拟输入信号；AD转换器则将经过调理的模拟信号转换成DSP能够识别的对应的二进制数字信息。
互感器信号采用差分输入方式，这种输入方式抗干扰能力很强。其连接的原理图如图3所示。当±Vin输入最大为-2.5V~2.5V的交流信号, Vref使用＋2.5V的基准时, 使得调理输出±Vout范围在0~5V，该电路参数可以正好满足所选AD芯片ADS8364的输入要求。

图3 差分输入信号调理回路电路

AD转换结束后产生一个中断信号EOC以通知DSP读取数据，DSP通过地址选择相应AD芯片及相关通道后，将16位数据读回（如图2）。DSP以AD转换器采集转换后的三相电压、三相电流实时数据作为计算的根本。
1．3 CPLD可编程逻辑
为实现DSP外围接口芯片的译码工作，这包括AD芯片、FLASH程序存储器、通用异步串口芯片的地址译码以及选相逻辑、系统采样信号选择、十六进制计数器、HPI相关控制信号的组合逻辑及信号时序匹配等功能，系统采用CPLD可编程逻辑器件XC9572XL。
该芯片具有低功耗、7ns低延时等特点。使用可编程逻辑器件可以将输入的逻辑信号进行相应的组合后输出，大大简化了硬件的设计，增加了硬件设计的灵活性，另外，通过CPLD的加密功能，可以进行硬件加密处理。
系统中实现硬件同步采样的逻辑组合（选相逻辑、系统采样信号选择、十六进制计数器）电原理图，如图4：

图 4 CPLD可编程逻辑

1．4 DSP核心部分电路
DSP及其外围接口电路是整个系统的核心，它由32位浮点DSP、振荡器于锁相倍频器、电压监测及看门狗电路、片外SDRAM、片外FLASH、片外铁电存储器等电路组成。
如图5，看门狗电路由MAX706RESA、74HC08逻辑与门和CPLD可编程逻辑芯片一起实现了整个系统的上电复位、看门狗、电压检测以及扩展管理芯片对系统复位的功能。
外部的25MHz振荡器通过倍频芯片和二进制计数器实现对DSP和ADC的同步工作时钟。
片外SDRAM是DSP存储AD采样数据、进行数据运算输出的中间及最终结果、通信等数据缓存的场所。在DSP上电后需要对SDRAM进行自检，以避免SDRAM单元出错造成工作不正常或数据出错。
片外FLASH是存储程序地方。DSP在上电复位以后，首先通过EDMA方式自动加载FLASH前1k字节的Bootload程序，在该Bootload程序里写入后续加载程序的入口地址，即可实现应用程序的自动加载工作。
铁电存储器（FRAM）可以实现在失电下保存数据（>10年），并且读写次数超过1012次，可以实现无延时写入。该FRAM通过DSP的McBSP接口相连，存储ADC每个模拟通道的DC偏移、精度修正的数据以及运行时的接线方式等参数。

图 5 DSP核心部分电路框图

2 采样系统的软件设计
系统的软件设计基于TMS320C6711D芯片指令集, 充分利用其高速 ,支持浮点运算, 流水线操作等特点, 采用C语言和汇编语言混合编程, 遵循模块化、自顶向下、逐步细化的编程思想[4]。程序使用模块化设计，主要包括采集模块、主循环模块和HPI交互协议模块3大模块，流程框图分别见图6、图7、图8。
主循环模块中首先对DSP的CPU和外设进行初始化和自检，并且将自检结果存放在HPI交互协议模块的自检结果区供扩展MCU读取。
在中断服务子程序中，DSP将ADC转换后所得数据读入所分配的数据缓冲区，待总采集时间到后，以数据就绪标志通知主循环模块可以提取数据用于计算。主循环模块对数据进行处理，再调用各计算子程序，计算电力系统基本量以及电能质量其他各项指标，并将计算结果存放在缓冲区内，当一个主循环完成后再将结果搬运至HPI的数据交互区供扩展MCU进行读取。
程序框图如下：

图6 采集模块程序框图


图7 主循环模块程序框图

图8 HPI交互协议模块程序框图

3 结论
上述系统已经通过各种功能、EMC以及型式实验的测试, 并在长沙威胜电子有限公司的WPQ1000A型、WPQ1030A型电能质量监测仪产品上成功使用, 精确检测电压电流有效值、功率、2~50次电压电流谐波的有效值、相位、电压波动与闪变、三相不平衡等各项电能质量参数, 基本精度达到0.2级，谐波监测精度达到A级。该设计方案使用方便、实时性好、抗干扰能力强、测量精度高、性价比优, 可在电力系统中广泛应用。


参考文献
[1] 张 红,王成梅. 电力系统常用交流采样方法比较[J].华北电力技术,1999(4):25～27
Zhang hong，Wang Chengmei, the comparison of the common methods of alternating currentsampling in the power system[J], the Northern Electric Technology, 1999(4):25～27
[2] 李方慧,王 飞,何佩琨. TMS320C6000系列DSPs原理与应用, 电子工业出版社, 2003
Li Fanghui,Wang Fei, He Peikun, the DSPs Principle and application of the TMS320C6000 series, Electronic Industries Press, 2003.
[3] ADS8364EVM Users Guide，SLAU084 . Texas Instruments Inc.,April. 2002
ADS8364EVM 用户指南，SLAU084, 得克萨斯器械公司，2002，4。
[4] 周雪松,何彦民,马幼捷等.
TMS320F2812在电力系统多通道同步交流
采样中的应用. 电子技术应用,
2005(4):39~42Zhou Xuesong, He Yanmin,
Ma Youjie et al.,The application of
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alternating current sampling in the power
system, Electronic Technology Application,
2005(4):39~42