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基于DSP的通信电源监控系统的设计

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基于DSP的通信电源监控系统的设计
尹波 王兆敏 泰开集团山东泰开成套电器有限公司
在现代通信系统中, 通信电源对于确保通信系统运行的稳定性和可靠性, 显得尤为重要, 对于电源的监测和控制是通信系统中一个重要的环节。 在通信电源的监测系统中不但要对线路中的电压量、 电流量、 供电频率以及开关量的状态进行监测, 而且还要计算出线路的有功功率、 无功功率、 功率因数以及电网中的谐波分量。在数据采集时要保证对电压信号、 电流信号同步进行采样, 以保留接收到的各路信号之间的相位信息, 从而在随后的处理中解算出各路信号之间的时延关系。基于此目的我们设计了以DSP芯片TMS320VC5416、 A/D转换器AD73360为核心的6路同步信号采样系统。
一、 系统总体方案
系统总体构成如图1所示, 在系统中信号调理模块将外部输入信号进行放大

图1 系统总体构成
调理以满足A/D转换器模拟信号输入的量程要求; A/D转换模块采用AD73360芯片, 将输入的模拟量数字化, 并经过其同步串口MCBSP口输出至DSP; 时钟模块采用DS1305芯片, 经过其自身的SPI接口与DSP进行数据传输, 时钟模块为整个系统提供时基; 看门狗模块用于提高系统的可靠性; 通信模块采用TLC16C552器件, 为系统提供两个串行口, 实现系统间的通信; FLASH模块采用AMD29LV800BT, 容量为512K-16BIT, 一方面用于永久存储重要数据和参数, 另外FLASH还用于存放系统程序, 以供DSP上电引导; SRAM 模块采用CY7C1041, 容量为256K-16BIT, 用于暂存数据; 开关量输入输出模块为系统提供24个I/O接口, 用于监测外部开关量的状态, 并对外部设备进行控制; CPLD模块用于实现系统间的逻辑控制和地址映射; DSP芯片TMS320VC5416为系统核心器件, 用于实现系统的控制和数据的运算处理。DSP芯片具有处理速度快、 灵活、 精确、 抗干扰能力强、 体积小及可靠性高等优点,满足了对信号快速、 精确、 实时处理及控制的要求。
系统数据采集处理工作过程是: 外部输入信号经过信号调理模块进入A/D转换模块, 转换后的数据经同步串口MCBSP进入DSP, 经过DSP片内集成的DMA通道, 将数据读入缓存, 当缓存内数据数量达到处理要求, DSP产生中断, 对数据进行处理保存。经过DSP的DMA技术和中断技术实现数据边采集边运算。
二、 DSP与A/D变换器AD73360的接口设计
1. DSP TMS320VC5416 MCBSP原理及控制
TMS320VC5416片上提供3个MCBSP口, 该串行口是一种高速、 同步、 带缓冲的串行接口, 它支持多种通信方式, 在硬件连接上能够配置为SPI接口, 该串口能够根据设计者的不同需求方便的与其它器件接口。MCBSP口物理上包括6 个引脚, 分别是串行数据发送信号DX、 串行数据接收信号RX、 发送时钟信号CLKX、 接收时钟信号CLKR、 发送帧同步信号FSX 和接收帧同步信号FSR。由于MCBSP内带有一个可编程的采样和帧同步时钟产生器, 因此串口接收、 发送时钟和帧同步等信号既可由内部产生, 也能够由外部输入。能够看出, 该串口接口方便简单, 能够实现器件间高速通信, 特别对于高分辨率的A/D转换器件大多采用MCBSP接口。它的主要特点如下: 全双工的串行通信; 连续的发送和接收数据流功能; 具有外部时钟输入或内部可编程时钟两种时钟控制方式; 可独立编程的发送和接收帧同步; 多通道数据传输( 最多可达128个通道) ; 可选的数据宽度: 8、 12、 16、 24、 32位; 用于数据压缩的μ律和A律压缩扩展; 可编程的时钟和帧同步极性。
MCBSP发送接收原理如图2所示: 在发送数据时, 首先将要发送的数据写到发送寄存器中, 若发送移位寄存器为空( 说明上一次发送的数据已经由DX引脚送出) , 则将发送寄存器中的数据拷贝到发送移位寄存器中; 然后在发送帧同步FSX和发送时钟CLKX 的作用下 将发送移位寄存器中的数据逐位移到DX引脚输出。在数据从发送寄存器复制到发送移位寄存器后, 就能够将下一个要发送的数据写到发送寄存器中, 从而能够保证数据的连续发送。串口接收数据的原理与发送基本类似, 区别是数据移动方向相反, 而且多通道串口的接收带三个缓冲器。

图2 MCBSP发送接收原理
对于同步串口的控制主要经过片上MCBSP控制寄存器及子地址寄存器来完成。配置FSR、 FSX、 CLKR、 CLKXY引脚为输入还是输出以及它们的极性; 配置传输数据是单相位还是双相位帧同步; 配置每帧所包含的数据个数; 配置传输数据的字宽( 若为双相位帧同步, 每一相位对应的字宽可设为不一样) ; 配置第一个帧同步之后的帧同步是否被忽略; 配置数据位的延迟; 配置数据的符号扩展方式; 配置所选择的传输通道; 若采用内部产生时钟和帧同步信号, 还需要对时钟和帧同步产生器进行配置。对于DSP和MCBSP之间数据传输一般采用的DMA通道和中断技术来完成。
2. 串行A/D转换器AD73360原理及控制
AD73360是AD公司生产的6通道输入带MCBSP接口的同步A/D转换器, 输出数据分辨率为16位, 最大采样率为64K/S,该器件采用Σ-Δ转换原理, 具有良好的内置抗混叠性能, 由于其采样率和输入信号增益都是可编程的, 采样率可分别设置为64K、 32K、 16K、 8K 输入时钟为16.384M时) 信号增益可在0dB到38SdB之间选择, 因而它既适合于大信号的应用, 也适合于小信号的应用。AD73360 能保证6路模拟信号同时采样, 且在变换过程中延迟很小。
在数字接口方面, 除了与DSP有相同的串口引脚外, AD73360还提供了串口使能引脚SE、 主时钟输入引脚MCLK、 串行输出时钟引脚SCLK。SE为高电平时MCBSP口被使能, MCLK 为外部时钟输入信号, 一般由外部时钟驱动, MCLK进入AD73360之后, 首先被分频产生DMCLK , 然后由DMCLK 分频产生串口时钟信号SCLK, 它们的分频因子都是可编程的; SCLK 为串口时钟信号, 一般作为DSP同步串口的输入时钟信号; SDI和SDIFS为数据输入和输入帧同步信号, 一般见于接收初始化控制字; SDO和SDO为数据输出和输出帧同步信号, 一般见于输出转换的数据。AD73360有三种工作模式: 编程模式、 数据模式和混合模式。在编程模式下只接收控制字, 输出无效的转换数据; 在数据模式下, 输入的控制字被忽略, 输出有效的转换数据; 在混合模式下, 允许在数据转换过程中接收控制字。
3. MCBSP与AD73360硬件接口设计
在系统中DSP有三个Mcbsp口, 在设计中Mcbsp0与AD73360接口( Mcbsp1配置为SPI口与DS1305接口) , 硬件接口原理如图3所示, 图中XF引脚为控制

图3 MCBSP与AD73360硬件接口原理
信号, XF为低电平时复位AD73360, 串口无效, XF为高电平时使能串口; MCLK引脚外接16.384MHz时钟, 经过分频产生SCLK; 接收移位时钟引脚CLKR0、 发送移位时钟引脚CLKX0经过程序设置为发送、 接收时钟信号由外部提供, 它们的时钟均由SCLK引脚输入; 接收帧同步信号引脚FSR0 、 发送帧同步信号引脚FSX0经过程序设置为发送、 接收帧同步信号由外部提供, 它们的帧同步信号均由SDOFS引脚输入。
三、 MCBSP与A/D变换器AD73360接口软件设计
DSP与AD73360的接口软件主要包括两个方面, 对MCBSP进行配置, 经过MCBSP配置AD73360 。对MCBSP进行配置主要包括以下几个方面: 配置发送、 接收时钟和帧同步等信号都为输入; 为单相位的接收和发送; 帧同步且传送每个字的宽度为16 位。经过MCBSP配置AD73360主要包括以下几个方面: 设置分频因子配置发送时钟SCLK, 设置A/D的采样率; 使能参考电平输出; 使能A/D转换通道, 及相应通道增益; 配置模拟通道输入方式。由于篇幅所限, 仅给出寄存器配置值。
对MCBSP各寄存器配置如下:
RCR1=XCR1=0040h 每帧一个字, 字宽为16位;
RCR2=XCR2=0001h 单相位帧同步, 无压扩, 第一个帧同步后的帧同步不忽略, 一位数据延迟;
PCR=0000h 发送和接收帧同步, 时钟都由外部输入, 发送和接收帧同步为高有效, 发送和接收数据在上升沿采样;
MCR1=0001h 所有的接收通道被禁止, 所需要的通道由RP( A/B) BLK和RCER( A/B) 选择;
MCR2=0001h 所有的发送通道被禁止且被屏蔽, 所需要的通道由 XP( A/B) BLK和XCER( A/B) 选择;
RCERA=0001h 仅打开接收通道0, 关闭其它通道;
RCERB=0000h
XCERA=0001h 仅打开发送通道0, 关闭其它通道;
XCERB=0000h
SPCR1=0001h 使能串口接收, 接收中断由RRDY标志触发;
SPCR2=0103h 使能串口发送, 发送中断由XRDY标志触发。
对AD73360各寄存器配置如下:
CRB=05h DMCLK=MCLK SCLK=DMCLK/4 SR( 采样率) = DMCLK/1024;
CRC=41h 使能参考电平输出, 全局上电;
CRD=88h 通道1和通道2上电, 增益为0dB;
CRE=88h 通道3和通道4上电, 增益为0dB;
CRF=88h 通道5和通道6上电, 增益为0dB;
CRG=80h 通道1至6通道为单端输入方式;
CRH=00h 通道1至6通为同相输入方式;
CRA=01h 使能AD73360为数据模式。
四、 结束语
笔者将该系统应用于通信电源, 对线路中的3路模拟电压量和3路模拟电流量进行同步采样, 采样后的数据送往DSP实时处理后, 对于计算出的电力参数达到满意效果。另外, 同并行接口相比, 采用串行接口的硬件连线大大减少, 不但减少了印制电路板的面积, 还能够减少电磁干扰, 从而有利于系统更加稳定的工作。