基于DSP的高速数据采集系统设计与实现

第38卷第13期电力系统保护与控制Vol.38 No.13 2010年7月1日 Power System Protection and Control Jul.1, 2010 基于DSP的高速数据采集系统设计与实现

左丽霞1，邓芳芳1，卢 山2

（1.华东交通大学，江西 南昌 330013；2.浙江大学控制科学与工程学系， 浙江 杭州 310027）

摘要：设计了一种基于TMS320LF2407 DSP 芯片和14 位A/Ｄ芯片MAX125的高速数据采集系统。详细设计了硬件电路的核心部分：交流信号处理电路和AD 转换控制电路，并利用74LVC4245芯片解决了DSP和MAX125的电平匹配问题。本系统还采用了实时操作系统μC/OS-II，并详细设计了系统应用程序的任务模块。实践证明，该系统在采集速度、精度方面具有良好的性能，且结构简单、可靠，成本低廉，将得到广泛的应用。

关键词：DSP；数据采集；A/D 转换；MAX125；μC/OS-II

Design and implementation of a high-speed data acquisition system based on DSP

ZUO Li-xia1，DENG Fang-fang1，LU Shan2

（1. East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China;

2. School of Control Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China）

Abstract：A high-speed data acquisition system based on the 14bits A/D chip MAX125 and the DSP chip TMS320LF2407 made in TI incorporation is presented．This paper designs the core of the hardware circuit，including signal processing circuit and control circuit of A/D convert T

．he chip 74LVC4245 is used to solve the voltage problem between DSP and MAX125．The RTOS µC/OS-II is used in the system and t

，he task modules realization of the system is detailed．And the result shows that this system has the characteristics of fine performance in precision，high-speed and synchronous sampling plus its simple design and low cost．This system will be widely used．

Key words：DSP；data acquisition；A/D convert；MAX125；μC/OS-II

中图分类号： TM76 文献标识码：B 文章编号： 1674-3415(2010)13-0108-05

0 引言

数据采集系统是电力系统微机继电保护装置中最基本的功能，而保护装置能否准确、快速地动作，在很大程度上取决于数据采集的实时性和精确性[1]。目前，广泛采用DSP 芯片作为数据采集系统的核心，它是一种能够快速实现各种数字信号处理算法控制的微处理器。

在本文所设计的数据采集系统中，选用了TI 公司TMS320系列的TMS320LF2407A芯片（以下简称F2407 A）作为数据采集系统的CPU，它是一款16位的定点DSP，主要具有以下特性：40 MHz 的主频、片内有高达32 K FLASH和2.5 K SRAM、丰富的片上外设（主要包括2个事件管理器EV A/B、

基金项目：华东交通大学校立科研基金资助(09DQ03); 江西教育厅科技项目(GJJ09203) 10位×16通道的AD、1通道SCI/ SPI/CAN）[2]。考虑到F2407A内部的AD只有10位，不能很好地解决数据采集系统的精度问题，所以外扩了一片美国MAXIM 公司出品的14位AD 转换芯片MAX125来完成模拟量输入采样转换。MAX125具有以下的特性：8个模拟量输入通道、单路转换时间3μs、内部集成4个同步采样保持器[3]。实践证明，数据采集系统采用DSP+ MAX125结构，完全能达到系统的设计要求，在采集精度和速度上具有良好的性能，下面将详细介绍系统的软硬件设计方案。

1 系统的硬件设计与实现

1.1 总体构架

本文设计的整体硬件总体结构如图1所示，主要包括DSP 处理器、数据采集模块和DSP外围扩展电路部分。

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系统的数据采集模块是由DSP 控制驱动MAX125 A /D 转换器进行同步采样工作，并对A /D 转换器读写以及编程操作，主要包括了交流信号调理电路、AD 转换芯片和电平转换电路。整个系统对外可提供8 路的A /D 转换通道，下面将详细介绍系统的交流采样模块。

图1 数据采集系统硬件结构图

Fig.1 Hardware structure of data acquisition system

1.2 交流调理电路

本系统主要测量对象是电网上的三相交流电压以及电流等信号，这些信号的幅值都很大，故不能直接测量。首先，通过电压、电流互感器将原边的高电压或大电流变换为次边的100 V 电压或5 A 电流信号。然后，在DSP 交流采样板上，通过第二级互感器将要采集的100 V 或5 A 信号，变换为DSP 可以处理的小信号（2 mA 左右的电流信号）。最后，在AD采样电路前端加入调理电路，以缩小和平移要采样的信号。如图2所示，以电压调理电路为例，其中PT采用了北京霍远公司的测量型高精度电压互感器HPT205B。

图2 电压调理电路

Fig.2 Circuit of voltage conversion

1.3 交流AD转换电路

来自PT、CT的交流电压、电流信号，经RC 滤波后，再经运放连接到MAX125芯片的输入端上进行模数转换，本系统的AD接口图如图3所示。

1.3.1 电平转换

由于MAX125的数字信号为 5 V电平，而TMS320LF2407A为3.3 V，故需采用电平转换电路实现5~3.3 V的双向转换。74LVC4245为三态双转换总线接收发器，专门用于3 V电平和5 V电平的转换，其A端数据为5 V电平，B端数据为3 V电平，由DIR管脚确定其传输方向。

MAX125的输出接入74LVC4245锁存后进行电平转换，再进入DSP。74LVC4245的1DIR、2DIR 接MAX125的W/R引脚，输出允许/OE端接MAX125的/IS信号端。DSP以I/O口方式访问MAXl25，当DSP访问MAXl25时，/IS信号有效，74LVC4245的/OE端有效，74LVC4245工作；其他情况下，74LVC4245呈高阻状态。

1.3.2 DSP对A/D的控制

TMS320LF2407A的引脚IOPF6 和IOPA2 分别接MAX125的/CONVST 和/INT 引脚。DSP通过/CONVST信号线同时启动A/D转换器进行同步采样工作，并通过/INT 信号引脚线来判断转换是否结束；最后由DSP数据线来读取经过电平转换后的采集数据。

74LVC4245

图3 AD接口图

Fig.3 Interface graph of AD

2 系统的软件设计与实现

本系统是在CCS3.3 集成开发环境下调试的，采用了嵌入式实时操作系统μC/OS-II，来提高整个系统的实时性。首先，要实现μC/OS-II在TMS320 LF2407A上的移植。

2.1 μC/OS-II在TMS320LF2407A上的移植

μC/OS-II的移植，主要就是根据TMS320