AD73360在电力负荷控制终端中的应用

2011-03-26 16:16:20来源: 互联网

AD73360是适用于工业电表和多路输入系统的可编程三相电量测试IC器件。文中介绍了ADSP-BF531与AD73360组成的多路数据采集系统电力负荷控制终端中的设计和应用方法。

关键词:数据采集;电力负荷;AD73360;ADSP-BF53l

O 引言

电力负荷控制终端是安装于用户端的监控设备,担负着电力负荷管理系统的数据采集、用户控制、信息交流等重要任务,是电力负荷管理系统的基础。它不仅可以接受负荷管理中心的遥控命令,按照中心发来的购电量或计划用电指标实现当地功率和电量控制,而且也可将用户的用电情况返回给中心。

在电力负荷控制终端中,数据采集精度直接影响着系统的工作性能。而在周期性电参量的测量中,进行同步采样是准确测量实时信号的关键。除了要检测每相电压和电流值,它还要检测彼此之间的相位,因此会要求对几路信号进行同时采样。本文在电力负荷控制终端产品开发中,选用数字信号处理器ADSP-BF531作为系统的技术核心,同时选用16位A/D转换器AD73360作为系统的前向通道的核心器件。实践表明,AD73360适用于作为电力参数测量的模拟前端器件,对电力参数的测量具有很好的精度和稳定性。

1 AD73360简介

AD73360是ADl公司推出的可编程通用6通道16位精度串行模拟输入前端处理器,是应用于工业电表或多路输入系统的三相电量测试IC器件。它的每个通道均由信号调理器、PGA (可编程增益放大器)、模拟∑-△调制器、抽样器及串行端口等组成。由于其具有内部PGA和独立模拟前端,故可直接对微小的传感器信号进行调理采集;∑-△型ADC一般不要求高精度的模拟电路。但需要将普通的信号转化为差动信号后才可接入采集。而AD73360在前端设计了信号调理模块,它允许用户的输入信号为单端或差动形式。因而可以有效减小外围电路的数目和复杂程度。

AD73360特别适合于要求同时采样的工业控制应用,它不仅适合于大信号应用,也适合于小信号应用。AD73360具有六个可同时采样的模拟量输入信道,这六个信道可同时采样,并且无须CPU干预.从而可有效地减少由于采样时间不同而产生的相位误差。各个信道的采样速率可以方便地利用控制字在8 kHz、16 kHz、32 kHz和64kHz中进行设定.所以特别适合于三相制电力运行参数测控类应用(三个相电压和三个相电流同时采样)系统。

此外,与并行接口相比,AD73360使用六线工业标准同步串行接口与CPU连接,因而其硬件连接线可以大为减少,这不仅可以减少印制电路板的面积,还可以减少电磁干扰,从而提高系统的可靠性和稳定性。

2 采样电路设计

交流电压、电流的采集是整个采样装置的核心之一。它的采样精度将直接影响到电能计算的精度。由于负荷管理终端要经常工作在恶劣的环境下,因此,在设计过程中,要考虑EMC电磁兼容性设计和去干扰尖脉冲,以利于FFT算法操作,并减少误差。

本设计由互相隔离的5 V模拟电源和3.3 V的数字电源分别为芯片供电。由于芯片的参考电压的稳定程度直接影响到采样的精度,所以电路外接了TI公司的电压基准源REF3040来为芯片AD73360提供参考电压基准,并在基准电路中添加了电容对地滤波以消除干扰。由于是直接对电网的信号进行采集。电网中可能出现的浪涌电压或电流会对采集电路造成很大的冲击,所以,在互感器前端添加了扼流圈和压敏电阻以增强其抗浪涌干扰的能力。

由于AD73360使用的是过采样技术(oversam-piing),其前端信号通道只需要用简单的一阶低通滤波器即可消除混叠效应。在图1所示的电压采样电路中。UAl和UN是电压互感器的输入信号,是工网的电压信号。其中的SMBJ5.OCA可起到稳压和去尖脉冲的作用。三个电容起滤波和平滑作用。该电压互感器的精度为0.1级。而在图2所示的电流采样电路中。IAl和INl是电流互感器二次侧的电流信号,它可由26Ω(1%)的高精度电阻转换成电压信号.并送入AD73360进行采样。电容的作用也是起滤波和平滑的作用。电流互感器的精度也是0.1级。

由于电力负荷控制终端常常要工作于恶劣的环境中.因而必须正确处理“模拟地”和“数字地”。由于数字电路是非线性的,其逻辑门的开关都会产生电流冲击,因而在数字地上的高频会产生强烈扰动,因此,数字地和模拟地不能有共同路径或者环路,只应单点连接。为了尽量减小A/D模拟部分和数字部分间的干扰,可采取数字和模拟部分单独供电的方式。其中,数字电源和模拟电源与地线之间都应用0.01μF的陶瓷电容和4.7μF的钽电容并联去耦。图3所示是模拟地和数字地之间的连接电路。

3 接口设计

这样合适的处理器芯片是谐波电能计量结果准确性的重要保证。三相多功能谐波电能表要求能准确计量基波和2~21次谐波的各次电能,其要求的采样频率为fs≥2fmax=2x21x50 Hz=2 100 Hz。FFT算法通常取采样点数为2N。根据AD73360的转换速度以及ADSP-BF53l的数据处理速度。本设计取N=9,即采样点数为29=512。ADSPBF531在主频300 MHz时可实现每秒6亿次乘加,完全可以满足对AD73360的各种控制、数据转换、读取和保存等各项操作指令的时间要求。

ADSP-BF53l处理器有2个SPI兼容端口,能够使控制器与多个SPI兼容的设备通信。SPI端口提供有全双工的同步串行接口,可支持主从模式和多主环境。另外,SPI的波特率和时钟相位/极性都是可编程的,而且都集成有一个DMA控制器,可配置为发送或接收数据流。而SPI的DMA控制器在任意给定时间,只能进行单向访问。故在传输过程中,SPI端口在2个串行数据线上可以通过移入和移出数据.来同时完成发送和接收工作。它的串行时钟线可以保持2条串行数据线上的数据移位和采样同步。

AD73360和ADSP-BF53l的接口电路如图4所示。由于AD73360和ADSP-BF531都支持工业标准的六线同步串行口。因而两者之间的接口电路非常简单。图4中的四个帧同步信号连接成帧同步返回环方式,即让AD73360的输出帧同步信号SDOFS输出到AD73360的输入帧同步信号SDIFS,而让BF531的发送帧同步信号TFS输出到接收帧同步信号RFS。这样,无论是发送帧同步信号还是接收帧同步信号,都会被强迫与SDOFS保持同步。AD3360的数据输入信号SDI和数据输出信号SDO分别与BF531的数据发送信号DX和数据接收信号DR相连。BF53l的标志输出信号XF连接到AD73360的使能信号SE和复位信号。

4 软件设计

本系统的软件流程如图5所示。AD73360有编程模式、数据模式和混合模式3种工作模式。在编程模式,它只接收控制字,输出无效的转换数据;数据模式下,输入的控制字被忽略,可输出有效的转换数据;混合模式下,允许在数据转换过程中接收控制字。AD73360的串行接口可连接到工业标准ADSP-BF531设备上,串口的连接速率可由DSP芯片接口编程设定。

AD73360在程序数据模式下工作时,将首先进入程序方式并向AD73360写控制字,然后再切换成数据方式,但在从AD73360读数据后,系统将不再切换回程序方式。而在混合模式下,系统总是在程序方式和数据方式之间不断的切换工作,以在AD73360读数据期间改变其配置。

AD73360的同步串行接口能够识别长度为16位且来自DSP的控制字。由于AD73360的控制字和转换数据都是16 bit,因此,BF531传送的每个字的宽度也应设置为16 bit。AD73360内部共有八个控制寄存器,分别是CRA~CRH,其占用的地址分别为0~7,每个长度为8位。BF53l的一个重要功能是可支持DMA传输。而且此时可以不需要CPU的干预来进行数据存贮和访问。在传输过程中。每帧数据包括6通道采样值。并采用DMA方式进行数据接收,同时在其六个通道接收完成后产生一个中断。

5 结束语

本文对芯片AD73360在电力负荷控制终端中的应用进行了分析和研究,并已将研究方案应用于实际的产品之中,从而实现了电力负荷控制终端中数据的稳定采集,而且效果良好。

关键字:应用

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0326/article_6180.html
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