摘要:本文介紹了一種用于TCR裝置中的數(shù)據(jù)采集卡，給出了數(shù)據(jù)采集卡的硬件接口電路，并介紹了采集軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明，這種數(shù)據(jù)采集卡有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞:TCR；數(shù)據(jù)采集；硬件接口電路；軟件設(shè)計(jì)；

　   Abstract： The paper introduces the data acquisition card of TCR, It gives hardware interface circuit of the data acquisition card, The design and implementation of software is also introduced in this paper. The practice proved the card features with a wide application in the future.

      Keywords: TCR；data acquisition；hardware interface circuit；software design；

　　1引言

　　近年來(lái)，隨著大功率非線性負(fù)荷的不斷增加，電網(wǎng)的無(wú)功沖擊和諧波污染呈不斷上升的趨勢(shì)，無(wú)功調(diào)節(jié)手段的缺乏使得母線電壓隨運(yùn)行方式的改變而變化很大，導(dǎo)致電網(wǎng)的線損增加，電壓合格率降低。采用TCR型靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)對(duì)于消除軋機(jī)和其他大型電動(dòng)機(jī)等對(duì)稱性負(fù)載所產(chǎn)生的無(wú)功沖擊是很有效的，并廣泛應(yīng)用于冶金、采礦和電氣化鐵路等重要場(chǎng)合中。

　　數(shù)據(jù)采集單元是整個(gè)TCR裝置最為重要的部分之一，它的任務(wù)是要快速、準(zhǔn)確地完成采集現(xiàn)場(chǎng)三相電壓、電流信號(hào)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理的任務(wù)，它決定了TCR裝置能否精確、快速地進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)。以往的高壓無(wú)功補(bǔ)償裝置中數(shù)據(jù)采集部分通常僅由MCS51或96系列單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。采用單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這樣不僅因?yàn)閱纹瑱C(jī)集數(shù)據(jù)采集、處理、控制判斷與輸出于一身而負(fù)擔(dān)較重，而且因其沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的浮點(diǎn)計(jì)算單元和16位精度的限制，使得計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)且精度不高，不能滿足復(fù)雜的控制算法的需要，另外，由于電路外圍元器件較多，其控制方式的復(fù)雜也使得控制線增多，浪費(fèi)單片機(jī)資源，增加了成本。

　　為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型數(shù)據(jù)采集卡，其具有采集時(shí)間快、轉(zhuǎn)換精度高、控制方法簡(jiǎn)單、硬件電路少、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)。

　　2 TCR數(shù)據(jù)采集卡組成結(jié)構(gòu)

　　TCR數(shù)據(jù)采集卡主要由三相電壓、電流互感器、隔離運(yùn)放電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、譯碼電路、DSP電路組成，組成框圖如圖1所示。TCR裝置首先通過(guò)三相電壓、電流互感器取樣得到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)三相電壓、電流信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)隔離放大器隔離后送入A/D轉(zhuǎn)換器中，而此時(shí)DSP則發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)譯碼器來(lái)控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，把轉(zhuǎn)換結(jié)果送入DSP中，DSP會(huì)根據(jù)當(dāng)前的電壓、電流數(shù)據(jù)計(jì)算出系統(tǒng)有功、無(wú)功情況并發(fā)出控制命令，調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功。

　　　　圖1TCR數(shù)據(jù)采集卡組成框圖

　　3 TCR數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

　　3.1主要芯片電路簡(jiǎn)介

　　圖2是數(shù)據(jù)采集卡中的電壓采集轉(zhuǎn)換電路連接圖（另一電流采集轉(zhuǎn)換電路連接圖與此相同），其中的DSP芯片采用TI公司新一代芯片TMS320F2812，其數(shù)據(jù)總線寬度為32位，地址總線寬度為24位，速度躍升到150M，芯片內(nèi)置18K×16位SRAM，128K×16位FLASH，4K×16位BootROM，1K×16位OTPROM，還具有2×8通道、12-位、80ns轉(zhuǎn)換時(shí)間、0～3V量程的ADC，CAN總線收發(fā)器及12路PWM輸出等豐富的外設(shè)。A/D轉(zhuǎn)換電路選用的是是美國(guó)AnalogDevice公司的生產(chǎn)的AD7864，該A/D轉(zhuǎn)換器是一種高速、高精度、低功耗、四通道同步采樣的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用+5V供電。芯片內(nèi)部有一個(gè)12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，4個(gè)跟蹤／保持放大器，內(nèi)部2．5V參考電壓，片上時(shí)鐘振蕩器和一個(gè)高速并行接口。AD7864的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.65us/CH，采樣保持時(shí)間為0.35us，單通道最高采樣頻率為500kSPS。集成電路AD780為高精度參考電壓輸出，譯碼電路則選用74F138。

　　3.2數(shù)據(jù)采集卡硬件設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，數(shù)據(jù)采集卡中的DSP（TMS320F2812）首先通過(guò)地址線A15—A13發(fā)出譯碼地址，并將其送入到譯碼電路（74F138）中，經(jīng)過(guò)譯碼后從74F138的Y1—Y3輸出A/D轉(zhuǎn)換電路的控制信號(hào)RD1、RD2、CONVST，分別控制兩片AD7864來(lái)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理，此時(shí)，三相電壓、電流信號(hào)已經(jīng)分別輸入到兩片AD7864中，只要控制信號(hào)發(fā)出啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的命令，AD7864便開(kāi)始進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到TMS320F2812的D0—D11數(shù)據(jù)總線上。另外，A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓電路AD780的輸入端接入5V電壓同時(shí)對(duì)地并聯(lián)兩個(gè)濾波電容C1、C2，容值分別為10uF和0.1uF，用來(lái)濾除5V電源中的干擾電平信號(hào)，通過(guò)out引腳輸出2.5V的參考電壓，并將該電平連接到AD7864的VREF腳（參考電平輸入端），R1、R15、R16為AD7864的上拉電阻，阻值為10KΩ，U1—U3是三相電壓采樣值，已經(jīng)輸入到AD7864的VIN1—VIN3中，此時(shí)，將AD7864的軟硬選擇信號(hào)H/SSEL置低，這時(shí)被選擇的轉(zhuǎn)換通道就由硬件通道信號(hào)的狀態(tài)來(lái)決定，由于需要對(duì)3路信號(hào)進(jìn)行采樣，所以把SL1—SL3的3路通道全部選通。AD7864的12位數(shù)據(jù)DB0-DB11經(jīng)過(guò)緩存與DSP數(shù)據(jù)線的低12位D0-D11相連，DSP另外高4位則始終為邏輯低；譯碼器74F138的Y3腳接到AD7864的CONVST引腳，CONVST信號(hào)由軟件控制來(lái)啟動(dòng)AD7864的模數(shù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)片選信號(hào)為低電平時(shí)，則AD7864被選中，此時(shí)可以對(duì)AD7864進(jìn)行讀寫(xiě)操作。譯碼器74F138的Y2腳和AD7864的片選信號(hào)的組合作為AD7864的讀信號(hào)。全部通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)保存在AD7864內(nèi)部相應(yīng)的鎖存器中。當(dāng)AD7864被片選，且RD為低時(shí)，DSP就可以按照轉(zhuǎn)換順序從數(shù)據(jù)總線D0-D11上并行讀取數(shù)據(jù)了。

　　圖2數(shù)據(jù)采集卡電路連接圖

　　3.3數(shù)據(jù)采集卡軟件設(shè)計(jì)

　　在軟件設(shè)計(jì)中只要求對(duì)交流通道進(jìn)行采樣，而啟動(dòng)后的A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)連接于DSP的外部中斷腳，因此，數(shù)據(jù)采樣的工作由中斷采樣程序來(lái)完成。主程序首先對(duì)DSP寄存器進(jìn)行初始化,包括IO口寄存器的配置、看門(mén)狗、定時(shí)器配置，清內(nèi)部和外部RAM，初始化配置AD7864轉(zhuǎn)換通道數(shù)等，然后開(kāi)中斷，進(jìn)入循環(huán)，等待中斷。在中斷子程序中，定時(shí)中斷程序用于定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，然后讀取數(shù)據(jù)總線上的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)采用轉(zhuǎn)換完成后讀取數(shù)據(jù)格式。由于AD7864輸出數(shù)據(jù)編碼為二進(jìn)制補(bǔ)碼，因此在數(shù)據(jù)空間開(kāi)辟了兩個(gè)緩沖區(qū)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)置位緩沖區(qū)滿標(biāo)志，當(dāng)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)處理完之后，緩沖區(qū)滿標(biāo)志被清零，這樣可以防止數(shù)據(jù)在沒(méi)有被處理時(shí)被新的數(shù)據(jù)覆蓋。此外，DSP數(shù)據(jù)線有16位，而AD7864只有12位，并且數(shù)值都是以補(bǔ)碼表示的，由于在硬件處理中把送到DSP數(shù)據(jù)線高4位上的數(shù)據(jù)都置為0，所以對(duì)于AD7864送給DSP的負(fù)數(shù)，要想在DSP中表示正確，還需要進(jìn)行符號(hào)位擴(kuò)展。具體辦法就是對(duì)AD7864送給DSP的數(shù)據(jù)和0x800進(jìn)行按位與運(yùn)算，如果為真，則表示此數(shù)為負(fù)數(shù)，把此數(shù)和0xF000進(jìn)行按位或運(yùn)算，即在此數(shù)的高4位補(bǔ)上全1，這樣負(fù)數(shù)就能在DSP中正確地表示出來(lái)了。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹一種應(yīng)用于TCR裝置中的數(shù)據(jù)采集卡，并闡述了該數(shù)據(jù)采集卡的硬件電路和工作過(guò)程，說(shuō)明了其軟件的實(shí)現(xiàn)方法。目前該數(shù)據(jù)采集卡已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)踐證明，該數(shù)據(jù)采集卡各通道高速數(shù)據(jù)流能夠正確采集和存儲(chǔ)，運(yùn)行穩(wěn)定，完全滿足TCR裝置高速、高精度數(shù)據(jù)采集要求。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　王國(guó)強(qiáng)（1979-）男工程師/工程碩士研究方向：高壓無(wú)功補(bǔ)償裝置及高壓變頻器控制系統(tǒng)。

　　現(xiàn)任職：哈爾濱九州電氣股份有限公司電網(wǎng)事業(yè)部

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