第38卷第13期電力系統保護與控制Vol.38No.132010年7月1日PowerSystemProtectionandControlJul.1,2010基于DSP的高速數據采集系統設計與實現左麗霞1,鄧芳芳1,盧山2(1.華東交通大學,江西南昌330013;2.浙江大學控制科學與工程學系,浙江杭州310027摘要:設計了一種基于TMS320LF2407DSP芯片和14位A/D芯片MAX125的高速數據采集系統。詳細設計了硬件電路的核心部分:交流信號處理電路和AD轉換控制電路,并利用74LVC4245芯片解決了DSP和MAX125的電平匹配問題。本系統還采用了實時操作系統μC/OS-II,并詳細設計了系統應用程序的任務模塊。實踐證明,該系統在采集速度、精度方面具有良好的性能,且結構簡單、可靠,成本低廉,將得到廣泛的應用。關鍵詞:DSP;數據采集;A/D轉換;MAX125;μC/OS-IIDesignandimplementationofahigh-speeddataacquisitionsystembasedonDSPZUOLi-xia1,DENGFang-fang1,LUShan2(1.EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China;2.SchoolofControlScienceandEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,ChinaAbstract:Ahigh-speeddataacquisitionsystembasedonthe14bitsA/DchipMAX125andtheDSPchipTMS320LF2407madeinTIincorporationispresented.Thispaperdesignsthecoreofthehardwarecircuit,includingsignalprocessingcircuitandcontrolcircuitofA/DconvertT.hechip74LVC4245isusedtosolvethevoltageproblembetweenDSPandMAX125.TheRTOSμC/OS-IIisusedinthesystemandt,hetaskmodulesrealizationofthesystemisdetailed.Andtheresultshowsthatthissystemhasthecharacteristicsoffineperformanceinprecision,high-speedandsynchronoussamplingplusitssimpledesignandlowcost.Thissystemwillbewidelyused.Keywords:DSP;dataacquisition;A/Dconvert;MAX125;μC/OS-II中圖分類號:TM76文獻標識碼:B文章編號:1674-3415(201013-0108-050引言數據采集系統是電力系統微機繼電保護裝置中最基本的功能,而保護裝置能否準確、快速地動作,在很大程度上取決于數據采集的實時性和精確性[1]。目前,廣泛采用DSP芯片作為數據采集系統的核心,它是一種能夠快速實現各種數字信號處理算法控制的微處理器。在本文所設計的數據采集系統中,選用了TI公司TMS320系列的TMS320LF2407A芯片(以下簡稱F2407A作為數據采集系統的CPU,它是一款16位的定點DSP,主要具有以下特性:40MHz的主頻、片內有高達32KFLASH和2.5KSRAM、豐富的片上外設(主要包括2個事件管理器EVA/B、基金項目:華東交通大學校立科研基金資助(09DQ03;江西教育廳科技項目(GJJ0920310位×16通道的AD、1通道SCI/SPI/CAN[2]。考慮到F2407A內部的AD只有10位,不能很好地解決數據采集系統的精度問題,所以外擴了一片美國MAXIM公司出品的14位AD轉換芯片MAX125來完成模擬量輸入采樣轉換。MAX125具有以下的特性:8個模擬量輸入通道、單路轉換時間3μs、內部集成4個同步采樣保持器[3]。實踐證明,數據采集系統采用DSP+MAX125結構,完全能達到系統的設計要求,在采集精度和速度上具有良好的性能,下面將詳細介紹系統的軟硬件設計方案。1系統的硬件設計與實現1.1總體構架本文設計的整體硬件總體結構如圖1所示,主要包括DSP處理器、數據采集模塊和DSP外圍擴展電路部分。左麗霞,等基于DSP的高速數據采集系統設計與實現-109-系統的數據采集模塊是由DSP控制驅動MAX125A/D轉換器進行同步采樣工作,并對A/D轉換器讀寫以及編程操作,主要包括了交流信號調理電路、AD轉換芯片和電平轉換電路。整個系統對外可提供8路的A/D轉換通道,下面將詳細介紹系統的交流采樣模塊。圖1數據采集系統硬件結構圖Fig.1Hardwarestructureofdataacquisitionsystem1.2交流調理電路本系統主要測量對象是電網上的三相交流電壓以及電流等信號,這些信號的幅值都很大,故不能直接測量。首先,通過電壓、電流互感器將原邊的高電壓或大電流變換為次邊的100V電壓或5A電流信號。然后,在DSP交流采樣板上,通過第二級互感器將要采集的100V或5A信號,變換為DSP可以處理的小信號(2mA左右的電流信號。最后,在AD采樣電路前端加入調理電路,以縮小和平移要采樣的信號。如圖2所示,以電壓調理電路為例,其中PT采用了北京霍遠公司的測量型高精度電壓互感器HPT205B。圖2電壓調理電路Fig.2Circuitofvoltageconversion1.3交流AD轉換電路來自PT、CT的交流電壓、電流信號,經RC濾波后,再經運放連接到MAX125芯片的輸入端上進行模數轉換,本系統的AD接口圖如圖3所示。由于MAX125的數字信號為5V電平,而TMS320LF2407A為3.3V,故需采用電平轉換電路實現5~3.3V的雙向轉換。74LVC4245為三態雙轉換總線接收發器,專門用于3V電平和5V電平的轉換,其A端數據為5V電平,B端數據為3V電平,由DIR管腳確定其傳輸方向。MAX125的輸出接入74LVC4245鎖存后進行電平轉換,再進入DSP。74LVC4245的1DIR、2DIR接MAX125的W/R引腳,輸出允許/OE端接MAX125的/IS信號端。DSP以I/O口方式訪問MAXl25,當DSP訪問MAXl25時,/IS信號有效,74LVC4245的/OE端有效,74LVC4245工作;其他情況下,74LVC4245呈高阻狀態。TMS320LF2407A的引腳IOPF6和IOPA2分別接MAX125的/CONVST和/INT引腳。DSP通過/CONVST信號線同時啟動A/D轉換器進行同步采樣工作,并通過/INT信號引腳線來判斷轉換是否結束;最后由DSP數據線來讀取經過電平轉換后的采集數據。74LVC4245圖3AD接口圖Fig.3InterfacegraphofAD2系統的軟件設計與實現本系統是在CCS3.3集成開發環境下調試的,采用了嵌入式實時操作系統μC/OS-II,來提高整個系統的實時性。首先,要實現μC/OS-II在TMS320LF2407A上的移植。2.1μC/OS-II在TMS320LF2407A上的移植μC/OS-II的移植,主要就是根據TMS320-110-電力系統保護與控制LF2407A的特點編寫與處理器相關的代碼[4],包括:os_cpu.h,os_cpu_a.asm,os_cpu_c.c。μC/OS-II移植要點如下:定義函數OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL;定義函數OS_TASK_SW,執行任務切換;定義OSCtxSw,實現用戶級上下文切換;定義函數OSIntCtxSw,實現中斷任務切換;定義函數OSTickISR,時鐘節拍ISR;定義OSTaskStkInit,初始化任務的堆棧。移植代碼編寫結束后,下一步工作就是測試。一旦多任務調度和內核通信調試成功運行,以后再添加應用程序的任務就是非常簡單的工作了,下面將詳細介紹采樣程序的設計。2.2基于μC/OS-II的應用程序的設計首先,根據系統的功能規劃好整體軟件框架。其次,按照層次化和模塊化要求將系統的功能劃分為多個獨立任務。最后,通過μC/OS-II提供的功能強大的同步與互斥機制進行合作,從而實現整個軟件系統。本系統的應用軟件分為3個中斷(ISR和6個用戶任務(TASK。在Vectors.asm文件中定義中斷矢量表,如表1所示。表1中斷矢量表Tab.1Interruptvectortable中斷跳轉地址注釋RESETB_c_int0不可屏蔽,復位中斷INT1B_c_can_isr(CAN通信報文接收中斷INT2B_c_max125_isr(MAX125芯片AD采樣周期中斷INT3B_OSTickISR系統時鐘節拍周期中斷μC/OS-II可以管理64個任務,其中包括兩個任務已經被系統所占用了,即空閑任務和統計任務,其余62個任務可根據需要來創建。在ftu_cfg.h頭文件中,可以用宏定義來管理各個任務的優先級和堆棧大小,如表2所示。表2任務堆棧及優先級Tab.2Stackandpriorityoftasks任務優先注釋Pd_Task(3處理AD轉換的采樣值,將采樣點放入采樣緩沖區供給計算來源Mmi_Task(4處理人機交互,協調各任務之間的同步與互斥Io_Task(5通信任務,用來處理通信報文Ph_Task(6對采樣點進行分析計算,得出電壓電流有效值、有功、無功功率等Debug_Task(7調試任務,輸出調試信息Rtc_Task(8實時時鐘任務,用來處理時間程序中的主程序,所要完成的功能僅僅是初始化硬件和變量,并建立所需的任務,然后啟動系統內核,把CPU控制權交給操作系統,永遠不會返回至主程序,這是與傳統軟件結構的最大區別[5],系統多任務啟動流程如圖4所示。圖4多任務啟動流程圖Fig.4Flowdiagramofmultitaskstart2.3主要采樣程序的實現(1AD采樣中斷程序max125_isr(AD采樣是在GPTimer3的周期中斷中完成的,當MAX125全部8路通道AD轉換后,發消息給Pd_Task(任務進行采樣點處理。AD采樣中斷程序程序應盡可能短小,其示意代碼如下所示:voidmax125_isr(void{Port1=0x03;//選擇A組4路通道//啟動轉換,IOPF6上升沿*PFDATDIR|=0X0040;//IOPF6=1*PFDATDIR&=0XFFBF;//IOPF6=0*PFDATDIR|=0X0040;//IOPF6=1//查詢轉換是否完成while(*PADATDIR&0X0004{KICKDOG;}//保存A組轉換值for(i=0;i<4;i++AD_Data[i]=port1;//同理,讀取B組通道的采樣值//發送消息隊列通知Pd_Task(任務處理OSQPost(PdEventque,(void*tmsg;}(2采樣值處理任務Pd_Task(MAX125是14位AD,而F2407A是16位。為了分析數據方便,要先將采樣值進行移位,再推入FIFO緩沖區,當采樣點數超過一定周波即可通知Ph_Task(任務進行數值計算。Pd_Task(任務的示意性代碼如下:左麗霞,等基于DSP的高速數據采集系統設計與實現-111-voidPd_Task(void*pData{Pdinit(;//Pd_Task(任務的初始化while(1{//將AD結果轉換成16位,推入緩沖區rmsg=(structpdmsg*OSQPend(PdEventque,0,&err;ADtoInt16(rmsg,temp16;Puttofifo(temp16;//判斷當采樣滿10周波,發信號量If(CheckOver10PeriodWaveOSSemPost(Semephore[SEMEPHOREID_PH];}}(3數值計算任務Ph_Task(數值計算內容包括有效值、諧波分量等。在本系統中,采用了全波FFT變換,對采樣數據進行諧波分析。Ph_Task(任務的示意性代碼如下:voidPh_Task(void*pData{Phinit(;//Ph_Task(任務的初始化while(1{OSSemPend(Semephore[SEMEPHOREID_PH],0,&err;Cal_Rms(;//FFT計算電參量//發送消息隊列給Mmi_Task(OSQPost(MmEventque,(void*tmsg;}}3系統測試本文中選用了微機保護測試儀TEST2000作為信號源,設定電壓Ua的輸出信號為:Ua=220sin(2πft+66sin(6πft+55sin(10πft+44sin(14πft+33sin(18πft+22sin(22πft+15sin(26πft+11sin(30πft+9sin(34πft+7sin(38πft用示波器觀察Ua的波形,如圖5所示。選擇每周波采樣64點(采樣頻率3200Hz,通過CCS的View->Graph->Time/Frequncy功能,查看以采樣緩沖區為首地址的采樣波形,如圖5。可見,Ua采樣波形與模擬輸入波形基本一致。圖5Ua實際波形與采樣波形的比較Fig.5ComparisonofUarealwaveandsamplingwaveUa采樣波形經過數值計算后,可以得到各次諧波分量的幅值,如圖6所示。在表3中,詳細給出了電壓Ua信號中3~19次諧波的幅值。圖6Ua各諧波的幅值Fig.6AmplitudeofUaharmonicwave從表3中的值可以看出,基波的測量誤差只有0.6%,系統對諧波含有率測量也很小,最大誤差不超過2%,并且隨著諧波含有率的減小,測量誤差也減小。根據國家標準GB/T14549.1993《電能質量共用電網諧波》中關于測量諧波的方法、數據處理及測量儀器的規定,可知本系統的測量精度達到國家B級標準。表3基波和各次諧波的幅值Tab.3Amplitudeoffundamentalwaveandharmonicwave基波3次5次21.84914.9210.9438.9576.977誤差/%0.61.10.9820.8184結束語本文設計的數據采集系統采用了DSPTMS320LF2407+MAX125結構,能完成8路交流信號的采集和數據處理。系統具有體積小、速度快、處理能力強、可靠性高以及功耗低等許多優點,同時滿-112-電力系統保護與控制足電力系統中電壓電流信號計算精度要求。另外,系統中還采用了嵌入式操作系統,可極大地方便系統以后的升級和擴展。參考文獻[1]李波,陳劍云,等.基于TMS320LF2407的高速數據采集系統設計與實現[J].繼電器,2008,36(5:59-62.LIBO,CHENJian-yun,etal.Designandimplementa-tionofahigh-speeddataacquisitionsystembasedonTMS320LF2407[J].JiangsuElectricalEngineering,2008,36(5:59-62.[2]劉和平,等.TMS320240xDSP結構、原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.LIUHe-ping,etal.TMS320240xDSPconfiguration,principleandapplication[M].Beijing:BeijingUniversityofAstronauticsandAeronauticsPress,2002.[3]MaximIntegratedProducts.MAX125/MAX126上的移植[J].微型電腦應用,2005,21(3:54-56.WANGJian-fei,YANJian-guo,LUJing-chao.μC/OS-IIportingonTMS320LF2407[J].MicrocomputerApplications,2005,21(3:54-56.[5]王國梁,胡紅兵,齊維紅,等.基于數字信號處理和μC/OS-II的饋線終端設備設計方案[J].江蘇電機工程,2009,28(2:47-49.WANGGuo-liang,HUHong-bing,QIWei-hong,etal.ThedesignoffeederterminalunitbasedonDSPandμC/OS-II[J].JiangsuElectricalEngineering,2009,28(2:47-49.收稿日期:2009-07-30;修回日期:2009-09-30作者簡介:盧山(1991-,男,本科,研究方向為控制科學。(上接第107頁continuedfrompage107[6]王海濱,王占朝,鄭曉波,等.圖形輔助智能開票專家系統的設計與實現[J].繼電器,2007,35(23:35-38.WANGHai-bin,WANGZhan-chao,ZHENGXiao-bo,etal.Designandrealizationofexpertsystemofgraphicsaidedintelligentswitchgeneration[J].Relay,2007,35(23:35-38.[7]張建國,劉智廣,陸杏全,等.電網調度智能化檢修票和操作票系統的設計與實踐[J].電力系統自動化,2004,28(7:78-81.ZHANGJian-guo,LIUZhi-guang,LUXing