摘 要：鉴于DSP在结构和技术性能上的特点，本文提出了一种基于DSP的多通道同步数据采集系统的设计方法。该系统采用锁相环（PLL）实时频率跟踪实现数据的同步采样，采用专门的A/D芯片实现多通道的同步，采用专门的开关电容滤波器提高采样系统的性能。通过初步的试验，验证了系统的性能，为进一步的研究奠定了基础。
关键词：DSP,多通道,锁相环
0前言
近年来，集成电路技术和制造工艺的突飞猛进，高速数字信号处理(DSP)技术的发展及其制造成本的降低，使数字信号处理技术在电力系统的各个研究领域得到了广泛的应用。依据目前我国电力系统的供电现状，如何提高和保证电能质量已经是摆在我们面前的一项重大问题。通过对电能质量进行在线实时监测和分析，可以为改善电能质量和制定有关电能质量治理措施提供必要的依据，也为后续确定电能质量治理装置的相关技术参数提供重要的依据，正是这些迫切的需要使得电能质量在线监测成为必然。用户对电能质量的要求也使得我们不得不在实时性、测量、运算速度、处理能力以及自动化、网络化方面做些努力。
本文介绍了一种基于TMS320F2812 DSP的多通道同步数据采集系统的设计思路，该数据采集系统采用了16-bit的A/D转换芯片、32位定点DSP芯片进行数据的处理，另外还采用了专门的抗混叠滤波芯片，能够灵活地设置和选择滤波特性，以便能进行比较的谐波测量。该数据采集系统具有成本低、高、实时性好、处理能力强等优点，且能实现基于锁相环频率跟踪的多通道同步采样，完全适合电力系统中进行电量监测。
1系统的基本结构
1.1 系统框图
本系统包括以下六个部分：三相电压、电流传感器部分，输入限幅单元，同步方波变换及锁相环倍频单元，滤波单元，A/D转换单元以及中央CPU单元．
该系统的CPU采用TI公司推出的TMS320F2812 DSP芯片，其负责控制A/D芯片的采样转换以及对A/D转换结果的处理，其中包括一些实现谐波测量和电压波动、闪变等的专门的软件算法。A/D芯片采用TI公司为电力系统三相电压控制专门生产的芯片ADS8364，其提供的六个通道正好满足三相电压、三相电流控制的测量。
Fig1. block diagram of sample system
1.2 原理介绍
来自三相电压电流传感器的低电压信号（共6路），经由输入限幅单元后先进行信号的滤波处理，然后由专门的采样芯片ADS8364进行A/D转换，同时，将限幅单元输出信号经一定处理后引至锁相环模块（PLL）以便进行频率跟踪，此频率倍频后将提供给ADS8364作为采样点的控制信号，A/D转换的数据送到DSP进行运算处理。
1.3 A/D转换芯片ADS8364以及TMS320F2812 DSP的特点及性能
ADS8364是TI公司生产的一款特别适合于三相电压控制的A/D芯片，其具有以下特点：
1）提供6个输入通道，且各通道独立工作，配置6个独立的16-bit ADC，可以实现对六个通道的同步采样。全部通道均采用差分输入方式，共模抑制比高（50KHz时达到80db）。
2）4μs的单通道通过时间，250KHz的转换速度，完全满足电力系统中进行电量监测的采样速度要求。
3）450mW超低功耗，5V工作电源，数字信号接口采取5V、3.3V两种电平模式，可以很方便地连接到TTL或CMOS电平控制。
TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，其特点如下：
1）采用多总线哈佛结构，有6级深度流水线。该芯片可在150MHz主频下工作，并带有18K×16位等待周期片上SRAM和128K×16位片上FLASH。同时TMS320F2812带有存储扩展总线，可外扩大于1M×16位程序和数据存储器。
2）丰富的片上外设，其中包括：2×8路12位ADC（快80ns转换时间）、2路SCI、1路SPI、1路McBSP、1路eCAN，两个事件管理模块（EVA、EVB），分别包括6路PWM输出、2路QEP、3路CAP输入、2个16位定时器（TxPWM/TxCMP）。另外，该器件还有3个独立的32位CPU定时器，以及多达56个独立编程的GPIO引脚。
2系统的硬件设计
2.1 输入限幅单元
为了使得A/D芯片安全工作，出于保护器件的需要，通常要对输入信号进行限幅，其详细电路可参考相关资料。
2.2 抗混叠滤波
奈奎斯特定理指出：时间连续信号转换成离散信号时，需要在一个周期内的采样次数多于2次。如果采样次数不够，将无法恢复丢失的信息。以200kHz采样率对190kHz信号进行采样的情况，所得信号是一个完好的正弦波，但频率是错误的。频率的改变正是由于混叠现象导致的。图3给出了混叠现象在频域的表现形式，所有频率f高于fS/2(fS为采样频率)的信号均将映像到fS/2区域内。实际应用中一般考虑采样频率为原始信号频率的3～4倍。
由此可见，带外杂散高频成分引起的混叠现象直接影响着A/D转换的，它将是进行A/D设计时面临的重大问题。这样，抗混叠滤波电路的设计显得尤为重要。考虑到常规的阻容滤波特性不好，参数选择也不容易掌握，元器件的参数很不稳定，并且多通道工作时各通道之间很难保持一致性，因此我们这里采取了专门的开关电容滤波芯片MAX7419，这
Fig2. signal with sub-nyquist sampling Fig3. Anti-alias happened in frequency domain
是一款具有Bessel特性的5阶、低通开关电容滤波器，截止频率可以通过两种方式选择：一是在CLK引脚与GND之间外接电容COSC得到；二是按照fCLK ：fC＝100：1的比例直接在芯片的CLK引脚接一方波信号，显然，这样可以使得控制更加，滤波特性会更好。
Fig4. typical circuit of switch-capacitor filter Fig5. the effect of MAX7419
2.3 同步方波变换及锁相环单元
进 行电能质量监测时，电网频率在不断变化，为了实现对信号周波的定点采样，需要实时跟踪信号频率的变化，锁相环是解决此类问题的选择。另外，考虑到谐波分析的需要以及保证数据处理的，我们设计每周期采样128次，以便准确分析到谐波30次左右。
该部分电路主要由同步方波变换电路和锁相环倍频电路两部分组成，另外还外加一些波形调理电路及控制电路。同步方波变换电路实际上是一个迟滞比较器，其迟滞特性刚好可以消除输入信号过零点的噪声干扰，该电路将输入的正弦信号变为同频率的方波。锁相环倍频电路主要由锁相环芯片CD4046以及二进制计数器CD4020组成，锁相环CD4046实现对输入信号的频率跟踪，CD4020配合CD4046实现对跟踪频率的128倍频，该部分电路的输出信号经波形调理之后送至A/D转换芯片ADS8364，作为采样点的控制信号。值得注意的是，倍频系数可以按照不同的采样需求进行设置，只要简单的改变一下计数器CD4020的引脚连接即可。完整的电路如图6所示。
Fig6. simultaneous rectangular wave transform and frequency doubling circuit with PLL
2.4 ADS8364的启动和时序
ADS8364的6个通道划分为A、B、C 3组，各组可以独立使用，分别由相应的/HOLDX信号启动A/D转换，也可以一起使用，这时候只要将/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC三个引脚连到一起即可。该A/D芯片可以工作在高达5M时钟下，此时单通道转换时间约为3.2μs（16个时钟周期），外加数据读写时间一共为4μs，即转换速度可达250kHz。
当芯片的任何一个HOLD引脚出现持续20ns以上的低电平时，该组通道的ADC将被启动，数据转换完成后将存放在指定的寄存器中，同时/EOC引脚为低，提示CPU作读数操作。ADS8364内置了6*16bit的寄存器供6路通道使用，当单通道工作时，可以设置为FIFO方式读写数据；6个通道一起使用时可以单通道分别读写，也可以使用周期模式循环读写各通道数据；读写模式的选择由地址信号线A0~A2决定。整个工作的时序如图7所示：
Fig7. Timing characteristics table of ADS8364 Fig8. The connection of ADS8364 and F2812
2.5 ADS8364与F2812 DSP的连接
TMS320F2812有丰富的资源可供使用，普通的电平信号均可以使用其GPIO引脚来控制，如ADS8364的/CS、BYTE、ADD、/RESET等信号和三个HOLD信号，这里需要说明一下，ADS8364的HOLD信号在系统实际运行时是连接至锁相环倍频单元的输出，在这里将其连接至F2812的GPIO引脚，是为了调试时的方便，我们在制作PCB板的时候通过跳线的方式改变其连接方式。/EOC引脚作为转换完成的信号将连接至F2812的外部中断输入口XINT1，F2812的PWM1脚提供5MHz的时钟供给ADS8364。具体连接如图8所示：
2.6 设计优化
1）增大线性度：考虑到器件输出幅度的限制，在器件本身允许的条件下，我们提高某些元器件的工作电源，如运算放大器，这样可以增大系统的线性区域，反映在A/D转换上，即是使得A/D器件满量程工作，减小测量的误差。
2）缺相运行时锁相环单元的处理：考虑到电力系统缺相运行的可能性，如果锁相环输入来自一相，这样的话很可能丢失同步信号，为了防止这种现象发生，我们将锁相环单元的输入改为Ua＋Ub－Uc的形式，这样无论哪一相缺相运行，同步采样控制信号都不会丢失。
3）系统的可扩展性：通过多路选择开关可以有效地扩展模拟输入通道数目；同时，DSP丰富的数字I/O接口以及SCI、SPI单元均为系统向网络化、自动化方向发展提供了可能。
3.系统的软件设计
系统的软件设计主要包括数据采样模块和数据处理计算模块两部分。在数据处理方面，采用基于小波变换和傅立叶变换的软件分析处理方法，利用小波消噪方法对信号进行预处理，利用快速傅立叶变换方法对谐波、闪变和纯正弦波电压等典型现象进行分析，具体电能质量分析软件的设计将在另文中发表。
4.结束语
采用快速、高效DSP进行数据处理，在采样系统设计中已经得到了成功应用。结合DSP本身的特点，配合先进的软件算法和分析方法，同时在硬件设计上采取锁相环实时频率跟踪、多通道同步采样A/D芯片以及专门的开关电容滤波器实现抗混叠滤波，使得本数据采集系统具有实时性、快速性、高度等优点，这将在电能质量实时监测中有非常大的发展空间。
[1]. ADS8364 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADS8364_1095420.html.
[2]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[3]. TMS320F2812 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.
[4]. MAX7419 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX7419_1089581.html.
[5]. CD4046 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CD4046_1865288.html.
[6]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
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