基于DSP的跟蹤頻率變化的交流有樣技術

基于DSP的跟蹤頻率變化的交流有樣技術

摘要：在電力系統交流采樣系統中，經常要測量電網頻率，再根據頻率/周期的變化調整采樣周期。本文在簡單分析TMS320F240片內定時器、捕獲器的使用原理后，提出一種全新的跟蹤頻率變化的交流采樣技術。
　　關鍵詞：交流采樣頻率變化DSPTMS320F240
　　
　　在交流采樣系統中，通常是一個周波采樣64點或128點的電量值，然后對這些數據進行處理。如果電網頻率恒定，則采樣間隔t=T/N(T為周期，N為采樣點)，而電網的頻率通常有一定的波動，所以要不斷調整采樣間隔。
　　
　　在單片機系統中，一般采用過零觸發(fā)電路和單片機的外部中斷來檢測電量周波的開始和結束時間，再利用內部定時器計算出周期和采樣間隔，在采樣間隔定時中斷程序中啟動一次采親。這種方案有兩個缺點：其一，電路實現復雜；其二，精度不高，因為要考慮中斷能否實時響應。過零觸發(fā)電路產生的中斷響應具有不確定性。
　　
　　我們在使用TMS320F240DSP開發(fā)交流采樣系統時，巧妙地利用該款DSP的定時器、捕獲器和不中屏蔽中斷（NMI）實現了跟蹤頻率變化的交流采樣。
　　
　　1NMI中斷、定時器、捕獲器的簡單分析
　　
　　（1）NMI中斷
　　
　　TMS320F24X系列有一個不可屏蔽中斷（NMI）引腳。當該引腳有跳變信號時（可編程為上升沿或下降沿觸發(fā)），立即進入中斷程序，可以用于緊急事件的處理。本文中用于跟蹤被測電量的頻率。
　　
　　（2）定時器介紹
　　
　　TMS320F240有3個通用定時器，每個通用定時器有6種計數方式：①停止/保持模式，模式0；②單增計數模式，模式1；③連續(xù)增計數模式，模式2；④定向增/減計數模式，模式3；⑤單增/減計數模式，模式4；⑥連續(xù)增/減計數模式，模式5。
　　
　　設fc是CPU的時鐘頻率，則定時時間t=脈沖個數/（fc/分頻系數），脈沖個數與定時周期寄存器的值或比較寄存器的值有關。工作過程是：①根據CPU的頻率、定時時間確定計數寄存器的初值TxNT、周期寄存器的初值TxPER、比較寄存器的初值TxCMP。②啟動定時器計數。③計數到比較寄存器的值發(fā)生比較匹配中斷，同時使TxCMP引腳發(fā)生跳變。本文中利用T3CPU的跳變去啟動一次A/D轉換。④計數到周期寄存器的值發(fā)生周期匹配中斷。
　　
　　定時器一旦開始工作就不受程序影響，準確性高，保證每隔固定間隔進行采樣。
　　
　　（3）捕獲器介紹
　　
　　捕獲單元用于捕獲引腳上電平的變化并記錄發(fā)生的時間，記錄事件發(fā)生的時間以定時器的計數器作時基。當捕獲引腳發(fā)生跳變時，捕獲單元將該時刻時基的計數寄存器T2CNT的值裝入相應的FIFO隊列中。FIFO隊列可以裝入兩個值，第三個裝入時會將第一個值擠出。如果將捕獲器的跳變輸入信號和NMI輸入信號并聯（見圖2），則可以在NMI中斷程序中讀取跳變時的時基值（讀FIFOx寄存器）。例如：以T2作時基，引腳電平第一次上跳時，T2計數寄存器T2CNT的值為X1，第二次為X2，T2分頻系數為D，CPU頻率為fc,則變化時間間隔為
　　
　　t=D/fc×(X2-X1)
　　
　　2設計思想
　　
　　過零觸發(fā)電路的輸出接TMS320F240外部不可屏蔽中斷引腳NMI，確保了中斷的實時響應；同時，過零觸發(fā)電路的輸出還接到捕獲器1的輸入端CAP1，T2定時器作捕獲器的時基，捕獲器可以捕獲兩個脈沖間隔的時間（用T2計數器的變化量表示），這樣可以計算出周波的周期/頻率。
　　
　　用一個定時器T3完成定時觸發(fā)采樣，每隔一個采樣周期T3定時器的比較匹配輸出端T3CMP輸出一個下降沿脈沖去啟動ADC進行一次A/D轉換，所以T3CMP的啟動信號的間隔具有確定性。
　　
　　下面對頻率/周期和采樣間隔的計算作出推導。
　　
　　（1）頻率和周期
　　
　　捕獲器用T2作時基，CAP1端每出現一個上升沿脈沖表示一個周波開始，同時立刻進入NMI中斷程序，在中斷程序中讀取FIFO1寄存器的值賦給T3的周期寄存器。要注意的是：FIFO1總是初始化為0，所以FIFO1的值是在剛過去的周波內T2計數器的增加值；而T2的分頻系數為128，假設DSP的工作頻率為20MHz，這樣就可以計算出上一個周波的周期T和頻率f：
　　
　　T=(1/20)μs×128×（FIFO1）=
　　
　　（128/20）×10-6×（FIFO1）s
　　
　　f=1/T=(20×106)/[128×(FIFO1)]=156250/(FIFO1)Hz
　　
　　（2）跟蹤頻率變化的采樣間隔
　　
　　
　　
　　
　　如果T2工作在定時/計數狀態(tài)下，給T2的周期寄存器T2PER賦初值為FIFO1寄存器的值，則T2的周期中斷時間即是上一個周波的周期；而在NMI中斷程序中將FIFO1寄存器的值賦給T3的周期寄存器T3PER.注意：T2的分頻系數為128，T3的分頻系數為1，所以T3的周期中斷時間是一個周期的電量的1/128；而采樣周期用T3作時基，T3的周期中斷即是采樣中斷。從而實現了一個周期的128點采樣，即實現了跟蹤頻率變化的交流采樣，當然，有一個周波的滯后。
　　
　　每個周期會產生一次NMI（不可屏蔽中斷），在NMI中斷程序中將T2CNT的增加值（在FIFO寄存器）讀出來賦給T3的周期寄存器。因為T2的分頻系數為128，這樣T3的周期中斷時間即為一個周期的1/128，實現了一個周期采樣128點的目的。
　　
　　3硬件設計
　　
　　（1）互感器電路及設計注意事項
　　
　　利用互感器電網的二次高壓和電流交換成0～5V或-5～+5V的電壓送入A/D轉換器，具體電路如圖1所示。
　　
　　圖1中，電壓互感器的原邊100V，副邊輸出2mA電流經OP07轉換成-3.5～+3.5V的電壓量（注意：幅值范圍為-5～+5V）。電流互感器的原邊輸入5A的電流，副邊輸出2mA的電流經運放轉換成-3.5～+3.5V的電壓量。
　　
　　D11、D12，D21、D22為運放輸入限幅保護電路；C11、R14，C21、R23為互感器相移補償電路。因采樣時只要保證一個周波采樣N點，什么時候開始并不重要，所可以省去相移補償電路。
　　
　　R11，R12、R13，R21、R22的值可以通過以上給出的電流、電壓值計算出來：R11=100V/2mA，R12+R13=R21+R22=3.5V/2mA。運放的輸出端可以接一電容進行濾波。
　　
　　運放的輸出可以再接一級電壓跟隨器（如圖2的U1A）起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。
　　
　　（2）過零觸發(fā)電路
　　
　　具體電路如圖2所示。U1A構成的電壓跟隨器的作用如上所述，它的正端輸入來自互感器電路的輸出。U2A構成一個過零比較電路，D2穩(wěn)壓二極管使比較器的輸出為0～5V，將模擬信號轉換成數字信號送入DSP的捕獲器輸入端CAP1和不可屏蔽中斷端NMI。
　　
　　（3）A/D轉換器和DSP的接口電路
　　
　　電路原理如圖3所示。ADC芯片采樣14位的MAX125。TMS320F240的定時比較器輸出端T3CMP接MAX125的啟動轉換器CONVST；MAX125轉換結束產生中斷，通過INT腳接DSP的XINT1腳向DSP申請中斷，DSP在中斷程序中讀取轉換結果。DSP對MAX125的操作是通過端口訪問完成的，MAX125的片選端CS4接譯碼器的一個輸出端，譯碼器的輸入和使能端由DSP的地址線和I/O信號LS控制。
　　
　　每隔一個采樣周期（T/N）T3CMP端輸出一個下降沿脈沖，啟動MAX125進行一次A/D轉換。采樣間隔會根據電網頻率的變化自動調整。
　　
　　4軟件設計
　　
　　下面給出幾個程序函數。具體數據處理的函數因系統功能不同而異，限于篇幅這里不作討論。
　　
　　（1）定時器、捕獲器初始化程序：
　　
　　voidinit_TimerCapturet()
　　
　　{*T2CNT=0;/*計數寄存器初始化*/
　　
　　*T3CNT=0；
　　
　　*T3CMP=1000；
　　
　　*T2PER=30000；
　　
　　T3PER=4000；/T2PER、T3PER會在NMI中斷程序中根據電量頻率的變化作出相應的調整*/
　　
　　*CAPCON=0XBC55；/*設置捕獲器*/
　　
　　*GPTCON=0X186A;
　　
　　*T2CON=0X17CA；/*方式2，分頻系數為128*/
　　
　　*T3CON=0X10CA；/*方式2，分頻系數為1*/
　　
　　*NMI_CR=0X64；/*設置不可屏蔽中斷*/
　　
　　}
　　
　　（2）ADC轉換結束中斷響應程序
　　
　　
　　
　　
　　>voidc_int1()
　　
　　{inti;/*其余為全局或靜態(tài)變量*/
　　
　　/*程序中讀取ADC的轉換結果*/
　　
　　if(AChanel==1)/*讀A組3路的轉換結果*/
　　
　　{outport(0x01,0x03);/*輸出MAX125的控制字*/
　　
　　inport(0x01,&ADC_Data[0]);
　　
　　inport(0x01,&ADC_Data[1]);
　　
　　inport(0x01,&ADC_Data[2]);
　　
　　AChanel=0；
　　
　　}
　　
　　else
　　
　　{/*如上讀取B組3路的轉換結果*/
　　
　　}
　　
　　/*將14位的結果轉換為16位的（初碼存放）*/
　　
　　for(i=1;i<6;i++)
　　
　　ADC_Data[i]=ADC_Data[i]<<2/4;
　　
　　}
　　
　　(3)不可屏蔽中斷的中斷程序
　　
　　voidc_int7(){
　　
　　asm("SETCINTM");/*禁止中斷*/
　　
　　*T2CNT=0;/*作捕獲器的時在，一個周波開始時其值為0*/
　　
　　*T3PER=*FIFO1;/*T3的計數周期是一個周波周期的1/128*/
　　
　　asm("CLRCINTM")；/*使能中斷*/
　　
　　}
　　
　　本文充分利用了TM320F240的片內資源，巧妙地實現了動態(tài)跟蹤頻率變化的交流采樣，希望對使用該系列DSP進行測控領域開發(fā)的技術人員有所啟發(fā)。
　　
　　
　　
　　

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