基于DSP28335的电能质量监测仪器设计

第30卷第4期杭州电子科技大学学报V ol.30,N o.4 2010年08月Journal　of　Hangzh ou　Dianzi　University Aug.2010　
基于DSP28335的电能质量监测仪器设计
楼晓春,何丽莉
(杭州职业技术学院,浙江杭州310018)
摘要:该文介绍一种基于DSP28335和单片机的新型电能质量监测装置,设计了能够提供8路200K
bit/s的检测速度,并给出了具体的实现方案。

该装置可完成国标规定的电能质量指标的测量,并
有数据显示、存储、通信和简单录波等功能,该方案结构简单、经济实用。

软件采用模块化思想设
计,便于调试与修改。

实用表明,该方案是可行的。

关键词:电力质量;信号处理器;单片机;监测
中图分类号:T M933 文献标识码:A 文章编号:1001-9146(2010)04-0146-07
0　引　言
电力质量监测终端根据除《暂时过电压和瞬时过电压》之外的5个电能质量国家标准设计[1,2]。

传统的电能质量分析仪大多采用定点DSP作为处理内核,定点DSP处理数据时需要时刻关注溢出的发生,耗费了大量的程序空间和执行时间。

TI公司新推出的28335浮点DSP用硬件实现浮点算法,动态范围大,计算精度高,总线宽,硬件资源也更为丰富,较定点DSP有着十分明显的优势。

1　系统的硬件设计
本电能质量监测装置的设计方案采用DSP+MC U的实现方法,将DSP的高速数字信号处理功能和MC U完善的管理、通讯、丰富的接口功能相结合。

基本工作原理如下:模拟电路模块将电网中的电力信号转化为ADC的输入信号,送到A/D转换模块进行同步采样。

转换后的采样数据送到DSP进行分析处理,具体包括电力参数的测量、谐波分析等工作,以及原始数据的储存和相关需要的通讯,然后DSP 把相应的计算数据和MC U的数据进行交换[1-3]。

MC U主要完成LC D显示、实时时钟、电表功能选择、菜单设置、按键处理等,具体设计原理如图1所示。

1.1　DSP系统设计
系统采用TI公司的T MS320F28335浮点DSP作为运算核心。

T MS320F28335具有150MH z的高速处理能力,具备32位浮点处理单元,6个DMA通道支持ADC、McBSP和E MIF,有多达18路的PW M输出,其中有6路为TI特有的更高精度的PW M输出(HRPW M),12位16通道ADC[4]。

新型F2833x浮点控制器与TI前代领先数字信号控制器相比,性能平均提高50%,并与定点C28x控制器软件兼容。

它内部资源丰富,存储器容量大,接口丰富。

该部分内容较为成熟常见。

原理图略。

1.2　S D卡储存模块
考虑系统的可移动存储的需求,需要对DSP采集到的原始数据进行保存,系统采用高速的SPI接口
收稿日期:2010-03-31
基金项目:杭州市重点学科建设资助项目(2008014),杭州市社会发展科研攻关资助项目(2009133B04)
作者简介:楼晓春(1971-),男,浙江义乌人,副教授,电气控制技术.
图1　系统结构图
与P B375A 芯片连接,外部接口支持U 盘读写的US B 接
口,以及S D 卡接口,方便系统灵活采用存储设备。

P B375A 优盘/S D 卡读写芯片,是一款集成US B H OST 、
S D 卡读写、文件系统、LDO 等功能于一体的单芯片U 盘
/S D 卡读写解决方案,具有方便、高速、简单的SPI 接口
和UART 接口,使开发更加简单,功能更加强大。

电路
如图2所示,US B 接口如图3所示。

1.3　MC U 模块
MC U 系统设计采用美国Silabs 公司的C8051F340
单片机,系统包括LC D 显示电路、键模块电路、EEPROM
电路、实时时钟电路等,主要用于设定参数、显示电能
质量检测结果和人机对话。

C8051F340是完全集成的
混合信号片上系统型MC U ,具有高达48MI/s 速率、流
水线结构的8051兼容微控制器内核:全速、非侵入式的
在线调试接口;多达64kB 的片内Flash 存储器;4352
字节片内RAM ;接口多样、功能丰富,可详见数据手册,
很好得满足了系统的要求。

1.3.1　LC D 电路设计
由于液晶显示器具有轻薄、体积小、低耗电量等特
点,在嵌入式系统
,特别是一些低功耗系统中运用得越 图2　P B375A 电路 图3　US B 接口电路
来越广泛。

在本项目设计中,电能质量监测装置需要一个非常友好的用户界面来显示电能质量检测结果以及其他设置与参数,系统采用了一块15C M LC D 显示模块。

该模块只需占用MC U 较小的资源,就可以实现丰富的界面显示,电路如图4所示。

1.3.2　按键模块电路设计
按键是在嵌入式设备中,人机交互的重要方式,也是最常用的方式。

针对本系统中需要实现18个按键功能的输入,针对系统中所需要的按键数量较多,为了减少I/O 的占用,系统采用3×6矩阵键盘。

电路如图5所示。

741第4期 楼晓春等:基于DSP28335的电能质量监测仪器设计
图4　LC D 接口 图5　矩阵键盘电路
1.3.3　实时时钟电路设计
电能质量监测装置,作为一个数据采集、数据分析、数据记录,需要提供给界面上的时钟显示,更在数据储存时需要记录数据的采集时刻,因此非常需要一个实时时钟电路。

DS1302是美国DA LLAS 公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片,用于数据记录,特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上,能实现数据与出现该数据的时间同时记录,广泛应用于测量系统中,因此本系统也采用DS1302实时时钟芯片为系统提供时钟,实时时钟电路如图6所示。

1.4　双CPU 数据共享与能信设计
在本系统设计中,采用DSP +MC U 的方案,双CPU 之间需要进行大量的数据交换,故采用双端口RAM 数据交换方式在本系统中具有极其重要的作用。

本系统基于DSP 的电能质量分析仪,要求实时显示电能质量分析结果以及参数的设置,采用电路设计相对简单的专用双端口I DT 7134RAM 芯片方案。

由于I DT 7134为5V 供电的,DSP 的I O 电压为3.3V ,故需要电平转换,电平转换芯片采用74LVX4245,童半导体公司的74LVX4245,采用5V 、3.3V 双电压供电的双向驱动器,实现电平转换。

MC U 的I O 电压也为3.3V ,但可以承受5V 电压,故不用进行3.3-5V 的电压转换。

具体电路如图7所示。

图6　实时时钟电路 图7　双端口RAM 电路
1.5　AD 采样
根据设计要求,系统需要达到8路200kH z 频率的数据采样,故装置中选用了两片ADS8364芯片。

ADS8364的最大工作频率可达5MH z ,采样/转换可在20个转换时钟周期内完成。

ADS8364的6个通道可以同时进行采样/转换。

吞吐率最大可达250ksps [5-7]。

ADS8364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6个4μs 连续近似的模数转换器、6个差分采样放大器。

本设计中采用灵
活的控制逻辑,即将A0、A1、A2连接到总线A15、A16、A17上,通过一个译码器芯片,分别片选使能两片
8
41 杭州电子科技大学学报 2010年
图8　ADS8364的模数转换电路AD 芯片。

每片AD 让所有的转换信号共用一
个同步脉冲启动信号,这样每片AD 的12个
通道同时工作,等所有通道都发出转换完毕
中断低电平后,DSP 可选择对应的通道读取转
换数据。

ADS8364的模数转换电路设计如图
8所示。

1.6　模拟采样前置电路
模拟前置电路模块主要完成对电网中电
压、电流的转换,信号缩放调整,前期滤波等,
使电力信号转化为合适的ADC 输入信号,并
送到A/D 转换模块进行同步采样。

本设计中
实现对4路电压、4路电流的采样,输入电压
和输入电流的设计范围分别是:为0-1000V ,
而AD 芯片ADS8364的参考电压为+2.5V ,差
分输入,故AD 的输入电压范围为-2.5-+2.5V 之间,因此需要对电网输入的电压进行调整,使其调整输出后的电压在满足AD 输入要求且精度合适范围内。

模拟电路调整模块对4路电压调整使其满足上述要求、对4路电流首先使其转化为电压信号,再进行调整使其满足上述要求,如图9所示为一相电压、
电流的转换电路。

图9　单相电压、电流转换电路
1.7　电源
整个系统所需电压分别为AD 的+12V 和-12V 、DSP 的1.9V ,3.3V ,单片机的3.3V ,ADS8364模数转换芯片的5V ,以及2.5V 参考电压,以及其他芯片所需的5V 、3.3V 电压。

因此电源管理电路必须在12V 输入电压后提供足够功率的5V 、3.3V 、2.5V 、1.9V 电压。

其中+12V 、-12V 的电路如图10所示。

5V 电压输出采用美国国家半导体的LM2596-5电源管理芯片,该芯片为最大输出可达3A 电流的降压开关型集成稳压电路,内含固定频率振荡器(150kH z )和基准稳压器(1.23V ),最高电压输入为40V ,并具有完善的保护电路,包括电流限制以及热关断电路等,利用该器件只需要极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

LM2596-5电源管理电路如图11所示。

1.9V 以及3.3V 电压的输出采用TI 公司的TPS767D318电源管理芯片,该芯片为双电源输出,一路为固定的3.3V 、一路为可调输出,本设计中将其输出为1.9V 。

每路电源的最大输出电流为1A ,完全满
941第4期 楼晓春等:基于DSP28335的电能质量监测仪器设计
图10　正负12V
电源
图11　5V 电源管理电路
足系统要求。

芯片还提供两个宽度为200ms 的低电平复位脉冲。

本设计中的DSP 上电复位由芯片TPS767D318产生,另加按键组成手动复位电路。

该电路在芯片使用手册中说明详细,故略。

2.5V 基准电压的输出采用美信公司的MAX6225基准电压芯片,该芯片具有很低的温度系数、低噪声、低功耗、动态阻抗低、工业级、长期稳定性好等特点,非常适合本设计中长时间精确数据采集的需求。

MAX6225基准电压电路图如图12所示。

图12　MAX6225基准电压电路
2　软件设计
在DSP 软件中主要包括两大部分:其一,初始化和数据采集部分。

这部分的软件有DSP 初始化、AD 初始化、数据采集、数据通讯以及数据存储等;其二,数据处理部分,主要为电能质量分析算法。

本文主要讨论电能质量分析仪的硬件设计以及底层软件开发,对算法部分不做具体讲解。

故本文中包括DSP 软件以下几个程序模块:DSP 各模块初始化程序(SCI 、G PI O 、外部中断、E MIF 等)、AD 数据采集程序设计、U 盘/S D 卡存储模块程序设计。

2.1　DSP 各模块初始化程序
DSP 片上外设的初始化主要包括SCI 模块,用于RS232以及RS485通讯;G PI O 模块;E MIF 模块,用于RAM 外扩以及双端口RAM ;PW M 模块;外部中断;SPI 模块初始化等。

SCI 模块,设置SCI B 用于
51 杭州电子科技大学学报 2010年
RS485通讯,SCI A 用于RS232通讯,初始化波特率均为9600bps ,数据位为8位,1位停止位,无校验位和流控制位[8]。

E MIF 模块初始化位16位总线模式,用于系统读取外扩RAM 以及双端口RAM 。

PW M 设置为占空比为50%的方波,频率为5M ,用于产生时钟提供给ADS8364[9]。

外部中断,设置为下降沿有效,用于AD 转换完成后中断程序里进行数据读取以及下次AD 转换的启动。

SPI 模块初始化,设置为8位模式,波特率为200k ,用于对U 盘/S D 卡读取芯片的操作。

2.2　AD 数据采集程序设计
根据系统的硬件设计,AD 数据采集程序主要包括AD 初始化、AD 启动、AD 数据读取等操作。

其中AD 初始化主要完成触发ADS8364的复位引脚RST 可以确保读指针指向第一个数据位置。

作为T MS320F28335初始化的一部分,由T MS320F28335的通用输入输出口提供给ADS8364的引脚RST 。

当系统时钟稳定后,被触发为低电平,从而确保了从ADC 输出的数据对应于通道A0、A1、B0、B1、C0、C1的排列。

之后通过DSP 的PW M 模块提供4M 的时钟给ADS8364提供工作时钟。

对于每一个转换通道,E OC 均是低电平信号。

ADS8364可为T MS320F28335提供3个脉冲。

每个脉冲信号表明一个转换的结束。

当ADC 的这3个引脚同时置低时,三个通道被认为有效并同时进行转换。

另外,E OC 引脚也可被连接到T MS320F28335的一个中断引脚,以触发一个读周期。

ADS8364的片选CS 是一个有源低电平输入信号。

当CS 为高时,并行输出引脚处于高阻态。

当CS 为低时,并行数据线反映了输出缓冲器的当前状态。

为了正确地从ADS8364的并行数据总线上读取数据,ADS8364必须被片选CS 选中后才能进行读操作。

ADS8364的读(RD )信号端也是有源低电平信号。

当CS 为低时,在读信号(RD )的下降沿,ADS8364中寄存器的内容将被更新。

这意味着在每个读序列之前,RD 信号必须被触发,这样才能更新输出缓冲器。

通过T MS320F28335的中断子程序将ADS8364的RD 引脚置低可以读取AD 转换后的数据,之后可再将RD 引脚置高。

ADS8364程序流程图如图13所示。

2.3　MC U 程序设计
MC U 软件中主要完成LC D 人机界面程序设计、按键模块程序设计、实时时钟程序设计、EEPROM 程序设计以及双端口RAM 程序设计。

从而构成一个友好、直观的用户界面,且用户根据所需的不同功能可操作,满足了电能质量分析的整套用户管理功能。

2.3.1　MC U 各模块初始化程序
MC U (C8051F340)初始化包括MC U 时钟,I/O 分配,看门狗等初始化工作。

片上外设的初始化主要包括I/O 初始化、IIC 初始化、E MIF 初始化等,主要用于矩阵键盘扫描、实时时钟电路、EEPROM 读写、LC D 显示、双端口RAM 数据读取等。

其中E MIF 配置为8位,地址总线独立模式,通过译码器分别对LC D 和双端口RAM 操作。

2.3.2　按键模块程序设计
按键模块程序需要确定矩阵式键盘上何键被按下,采用行扫描法,又称为逐行(或列)扫描查询法,是一种最常用的按键识别方法。

判断键盘中有无键按下将全部行线原理图5中Q0、Q1、Q2置低电平,然后检测列线的状态。

只要有一列的电平为低,则表示键盘中有键被按下,而且闭合的键位于低电平线与6根行线相交叉的3个按键之中。

若所有列线均为高电平,则键盘中无键按下。

判断闭合键所在的位置在确认有键按下后,即可进入确定具体闭合键的过程。

其方法是:依次将行线置为低电平,即在置某根行线为低电平时,其它线为高电平。

在确定某根行线位置为低电平后,再逐行检测各列线的电平状态。

若某列为低,则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

按键模块流程如图14所示。

3　结束语
电能质量问题已经引起了人们的日益重视,准确、实时、全面地分析电能质量是非常必要的。

本文
151第4期 楼晓春等:基于DSP28335的电能质量监测仪器设计
　图13　ADS8364程序流程图 图14　按键流程
研制的基于TI 的新型浮点DSP 处理器T MS320F28335,结合MC U 的电能质量分析装置,可以同时对8路数据高达200k/s 速度进行高速采样,采用大屏幕、高清晰度的LC D 作为显示器,具有电能质量分析、电能计量、时间显示、开关量输入与输出、时间记录等功能,并有多种通信接口,适应了电能质量分析的需求。

相比同类产品,结构简单、方案可行、性价比较高。

参考文献
[1]　熊静,吴在军,胡敏强.基于T MS320C6713的新型多功能电能质量分析仪设计[J ].电力自动化设备,2006,26(5):79
-82.
[2]　余丹,王庆,李晓明.基于DSP 和MC U 的新型电能质量监测装置的设计[J ].仪表技术,2004,(6):13-16.
[3]　侯典立,黄锦安.基于DSP 的电能质量分析仪的设计[J ].鲁东大学学报,2007,23(4):339-342.
[4]　T exas Instruments.T MS320F28335,T MS320F28334,T MS320F28332Digital S ignal C ontrollers Data Manual.[E B/O L ].http ://
/docs/prod/folders/print/tms320f28335.html.
[5]　T exas Instruments.ADS8364Y 225021124009.[E B/O L ].http :///docs/prod/folders/print/ads8364.html.
[6]　谷重阳,汪渤,龙殊颖.并行模数转换器ADS8364与T MS320F2812的接口设计[J ].微计算机信息,2006,(2):137-
139.
[7]　魏怀玺,李兵,渠慎丰,等.基于DSP 和ADS8364的高速数据采集处理系统[J ].电子技术应用,2006,32(6):82-84.
[8]　孙丽明.T MS320F2812原理及其C 语言程序开发[M].北京:清华大学出版社,2008:100-129.
[9]　张菊,张淑娥.基于DSP 的数据采集与处理系统的设计[J ].电力系统通讯,2006,(1):70-74.
Development of Surveillance Equipment
Pow er Q uality B ased on DSP 28335
LOU Xiao 2chun ,HE Li 2li
(Hangzhou Vocational and Technical College ,Hangzhou Zhejiang 310018,China )
Abstract :A surveillance equipment on power quality was introduced and 200kbit/s sam pling velocity for eight channels was designed ,specific scheme was im plemented in the paper by DSP28335technology which can accom 2plish the measure of power quality index stipulated by national standard and have s ome other functions such as data showing ,data saving ,communicating ,sim ple wave recording etc.The structure of the scheme was sim ple and the cost performance was high.The design of s oftware was m odularized s o that the program can debug and m odify easi 2ly.The application has shown that the scheme was success ful.
K ey w ords :power quality ;DSP28335;MC U ;surveillance 2
51 杭州电子科技大学学报 2010年。