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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，并通过其同步串口MCBSP口输出至DSP；时钟模块采用DS1305芯片，通过其自身的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：外部输入信号通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，通过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。通过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，在硬件连接上可以配置为SPI接口，该串口可以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，所以串口接收、发送时钟和帧同步等信号既可由内部产生，也可以由外部输入。可以看出，该串口接口方便简单，可以实现器件间高速通信，尤其对于高分辨率的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， 就可以将下一个要发送的数据写到发送寄存器中，从而可以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，并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通过片上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，通常由外部时钟驱动，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，通常作为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， 通常用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， 通常用于输出转换的数据。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，通过分频产生SCLK；接收移位时钟引脚CLKR0、发送移位时钟引脚CLKX0通过程序设置为发送、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通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，通过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。通过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， 还可以减少电磁干扰，从而有利于系统更加稳定的工作。