摘要：提出一種應(yīng)用于無(wú)功與諧波自動(dòng)補(bǔ)償裝置的信號(hào)采集及分析計(jì)算的方案，詳細(xì)敘述A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器及雙數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)數(shù)據(jù)交換電路的設(shè)計(jì)方法，給出相應(yīng)的接口程序。用實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證了方案的正確性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD7864)；數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(AD7841)；無(wú)功；諧波

1 引言
    隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴(yán)重。許多電力電子裝置的功率因數(shù)很低，給電網(wǎng)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)并影響供電質(zhì)量。因而，消除諧波污染和提高功率因數(shù)成為電力電子技術(shù)中的重要研究課題?，F(xiàn)在可行的方案是設(shè)置無(wú)功與諧波補(bǔ)償裝置。在無(wú)功與諧波補(bǔ)償裝置中，需要對(duì)系統(tǒng)的三相電源電壓、電流信號(hào)和負(fù)載電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析和計(jì)算；需要根據(jù)采集的電壓、電流信號(hào)算出主電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；需要對(duì)主電路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制以達(dá)到補(bǔ)償?shù)男Ч?。筆者設(shè)計(jì)了一種信號(hào)采集及分析計(jì)算的方案，它由8通道A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路和分別用一個(gè)DSP來(lái)進(jìn)行運(yùn)算和控制的雙DSP硬件電路、輔以相應(yīng)的采樣、A/D、D/A轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 硬件電路組成及其工作原理
    設(shè)計(jì)方案的硬件電路由AD7864型模，數(shù)轉(zhuǎn)換器、AD7841型數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、CY7C024型雙口RAM、TMS320F2407型和TMS320C33型(以下分別簡(jiǎn)稱為F2407和C33)DSP組成。電路的總體工作過(guò)程為：A/D采樣電路實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的三相電源電壓、電流和負(fù)載電流信號(hào)，F(xiàn)2407根據(jù)軟件計(jì)算出的時(shí)間間隔啟動(dòng)AD7864對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行模，數(shù)轉(zhuǎn)換；然后，F(xiàn)2407通過(guò)雙口RAM把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳給C33，C33對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并把計(jì)算出的補(bǔ)償裝置主電路的開(kāi)關(guān)模式傳給F2407，F(xiàn)2407根據(jù)接收到的開(kāi)關(guān)模式控制主電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。本文把電路的總體工作過(guò)程分為以下三部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2．1 AD7864對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換
    有源濾波器通過(guò)實(shí)時(shí)采集三相電源電壓、電流和負(fù)載電流計(jì)算出指令電流。由于采用全數(shù)字化控制，算法比較復(fù)雜，而且對(duì)實(shí)時(shí)性、快速性和精確性有很高的要求，為了避免電流和電壓采樣時(shí)間不一致引起有功或無(wú)功測(cè)量誤差，選用了2個(gè)AD7864對(duì)各相電壓和電流同時(shí)采樣。

    AD7864是一款高速、低功耗、單電源、4路模擬輸入同步采樣、12位模，數(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有1個(gè)1．65μs的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、4路跟蹤，保持放大器、2．5V參考電平、片上時(shí)鐘振蕩器、信號(hào)調(diào)整電路及1個(gè)高速并行接口。

    AD7864可對(duì)4個(gè)通道的模擬輸入信號(hào)同步采樣，并將4個(gè)通道的采樣信息保存下來(lái)。AD7864的轉(zhuǎn)化啟動(dòng)信號(hào)從引腳CONVST輸入，上升沿觸發(fā)。當(dāng)其有效時(shí)，跟蹤，保持器被置為“保持”，同時(shí)按增序轉(zhuǎn)換被選擇的通道(通過(guò)軟件或硬件選擇)。EQC信號(hào)表明單個(gè)通道轉(zhuǎn)換的結(jié)束，而BUSY信號(hào)表明被選擇的所有通道轉(zhuǎn)換的結(jié)束，二者都是低電平有效。

    AD7864具有高速12位數(shù)據(jù)總線，能直接與16位DSP相連。AD7864與F2407的接口電路如圖1所示。其工作過(guò)程是首先由F2407對(duì)電源電壓頻率實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相，產(chǎn)生ADC觸發(fā)信號(hào)同時(shí)啟動(dòng)2個(gè)AD7864，然后AD7864分別對(duì)4個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成后BUSY信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?，而后F2407產(chǎn)生中斷并讀取經(jīng)AD7864轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

    由于使用了2個(gè)AD7864，所以將2個(gè)BUSY信號(hào)通過(guò)1個(gè)或門接到F2407的外部中斷口。當(dāng)2個(gè)AD7864的8個(gè)通道都完成轉(zhuǎn)換后，向F2407發(fā)出中斷信號(hào)。F2407響應(yīng)中斷，先選中其中1個(gè)ADC，再連續(xù)執(zhí)行4次讀ADC操作，就可得到各個(gè)通道的采樣值；然后對(duì)另1個(gè)ADC執(zhí)行同樣的操作，即可得到8個(gè)通道的同步采樣數(shù)據(jù)。

2．2 AD7841對(duì)中間變量進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換
    由于控制算法均由控制軟件完成，各中間變量無(wú)法用示波器直接觀測(cè)，而F2407內(nèi)部沒(méi)有DAC，因此選用AD7841作為系統(tǒng)的D/A輸出單元，將中間變量轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出，便于系統(tǒng)的調(diào)試和監(jiān)控。

    AD784l是Analog Devies公司生產(chǎn)的14位數(shù)據(jù)并行輸入，4路模擬輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。采用雙電源±15V供電，參考電壓范圍為-5V~十5V，輸出電壓范圍為-10V~+10V。

    按照分配給AD7841的I/O地址空間，通過(guò)A0、Al、A2選擇數(shù)據(jù)寄存器輸入數(shù)據(jù)，即可在相應(yīng)的DAC通路上得到模擬輸出。

2．3 F2407與C33通過(guò)雙口RAM進(jìn)行通信
    本文所述的無(wú)功與諧波補(bǔ)償裝置的主控電路采用由F2407和C33構(gòu)成的雙DSP控制電路。C33的運(yùn)算能力很強(qiáng)，但片內(nèi)資源和對(duì)外I/O端口較少，邏輯處理能力也較弱，主要用于浮點(diǎn)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理；而F2407正好相反，其片外接口資源豐富，I/O端口使用方便，但其精度和速度有一定限制，所以用于數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制。2個(gè)DSP通過(guò)雙端口RAM完成數(shù)據(jù)交換。通過(guò)這2個(gè)DSP的互補(bǔ)結(jié)合，可充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，使控制系統(tǒng)達(dá)到最佳。

    應(yīng)用雙DSP控制電路涉及雙。DSP之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的問(wèn)題，雙DSP間的數(shù)據(jù)交換由雙口RAM實(shí)現(xiàn)，圖2為數(shù)據(jù)交換單元的結(jié)構(gòu)框圖。CY7C024具備的電路特點(diǎn)和存儲(chǔ)特性簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)交換單元的電路設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)交換協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)數(shù)據(jù)流向做了合理的安排，相應(yīng)地在雙口RAM中開(kāi)辟了2個(gè)緩沖區(qū)BUFl和BUF2，其中BUF1作為F2407向C33傳遞數(shù)據(jù)的通道，BUF2作為C33
向F2407傳遞數(shù)據(jù)的通道。

    當(dāng)F2407的數(shù)據(jù)需要向C33傳遞時(shí)，F(xiàn)2407將數(shù)據(jù)寫入BUF2，然后向特定地址的信箱MBX2(對(duì)F2407，地址為Ox8FFE)寫1個(gè)任意數(shù)，此時(shí)由CY7C024內(nèi)部電路產(chǎn)生、1個(gè)中斷信號(hào)INTL給C33；C33在檢測(cè)到INTL信號(hào)時(shí)響應(yīng)中斷，從BUF2讀出數(shù)據(jù)并訪問(wèn)MBX2清除中斷信號(hào)。當(dāng)C33處理完數(shù)據(jù)并需將結(jié)果傳送給F2407時(shí)，將數(shù)據(jù)存入BUF1，然后再向信箱MBX1(對(duì)F2407，地址為0x8FFF)寫1個(gè)任意數(shù)，此時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)INTR，引起F2407中斷；F2407在檢測(cè)到INTR信號(hào)時(shí)響應(yīng)中斷，從BUF1讀出數(shù)據(jù)并訪問(wèn)MBX1，清除中斷信號(hào)。

3 程序設(shè)計(jì)
    與本設(shè)計(jì)方案的硬件電路對(duì)應(yīng)的軟件程序包括主程序、信號(hào)采集及A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序、D/A轉(zhuǎn)換中斷子程序和雙DSP通信中斷子程序4部分。

    雙DSP通信中斷子程序和數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序的軟件流程如圖3和圖4所示。

    A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序如下：
   

4 結(jié)束語(yǔ)
    理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文介紹的數(shù)據(jù)采集及分析計(jì)算方案能夠?qū)θ嚯娫措妷?、電流和?fù)載電流進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)、分析和計(jì)算，從而為無(wú)功與諧波自動(dòng)補(bǔ)償裝置主電路中的四象限變流器提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)信號(hào)，保證無(wú)功與諧波自動(dòng)補(bǔ)償裝置的正常工作。