【正文】 ................................................................................... 25 TL431 5V偏置電壓產(chǎn)生電路的設(shè)計 ................................................................................. 25 LM2596 5V電源的設(shè)計 .................................................................................................... 26 繼電保護(hù)電路的設(shè)計 ....................................................................................................... 27 合閘電路的設(shè)計 .............................................................................................................. 27 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計 ................................................................................................... 28 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 ............................................................................................................ 28 2 第四章 系統(tǒng)的硬件調(diào)試和系統(tǒng)測試 .............................................................................................. 30 系統(tǒng)硬件的調(diào)試 .............................................................................................................. 30 采樣電路的調(diào)試 ................................................................................................... 30 .................................................................................................... 30 繼電保護(hù)電路的調(diào)試 ............................................................................................ 30 .................................................................................. 31 結(jié) 束 語 ...................................................................................................................................... 32 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................... 33 1 第一章 緒 論 研究背景與意義 電力系統(tǒng)在運(yùn)行中，可能發(fā)生各種故障 和不正常運(yùn)行狀態(tài)，最常見同時也是最危險的故障是發(fā)生各種形式的短路。電力系統(tǒng)中電氣元件的正常工作遭到破壞，但沒有發(fā)生故障，這種情況屬于不正常運(yùn)行狀態(tài)。故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)都可能在電力系統(tǒng)中引起事故，系統(tǒng)事故的發(fā)生，除了由于自然條件的因素以外，一般都是由于設(shè)備制造上的缺陷、設(shè)計和安裝的錯誤、檢修質(zhì)量不高或運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)而引起的。 在電力系統(tǒng)中，除應(yīng)采取各項積極措施消除或減少發(fā)生故障的可能性意外，故障一旦發(fā)生，必須迅速而有選擇性的切除故障元件，這是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的最有效方法之一。繼電保護(hù)裝置到目前為止大部分都 被電子元件或計算機(jī)代替，在微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)當(dāng)中，交流采樣裝置是微機(jī)保護(hù)很重要的一部分，其采樣精度直接影響到了微機(jī)保護(hù)的準(zhǔn)確度。近幾年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，各種種類的新型處理器相繼問世，讓開發(fā)運(yùn)用在電力系統(tǒng)中的高速采樣系統(tǒng)成為了可能。隨著數(shù)字信號處理器（ DSP）的不斷普及，其優(yōu)異的性能逐漸被人們所知，將 DSP 運(yùn)用于電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)已經(jīng)是一種趨勢。 本課題介紹的交流采樣系統(tǒng)使用運(yùn)算放大器和 DSP 對交流信號進(jìn)行采樣，具有實時性好、高準(zhǔn)確高的優(yōu)點(diǎn)，研究一種高實時性、高準(zhǔn)確性的采樣系統(tǒng)，對提高微機(jī)保護(hù)的性能至關(guān)重 要，這是本課題研究的意義。 研究現(xiàn)狀 在電力系統(tǒng)的實際運(yùn)行中，隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量的擴(kuò)大使其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，電網(wǎng)存在諧波，還會有各種順勢干擾，采用時間繼電器、電流繼電器、信號繼電器等組成的采樣系統(tǒng)，存在硬件電路復(fù)雜等諸多弊端，因此本系統(tǒng)求取系統(tǒng)中交流參數(shù)采用軟件代替硬件，進(jìn)一步優(yōu)化了交流采樣系統(tǒng)，做到了簡化硬件、提高實時性，并能快速、準(zhǔn)確地采集各種電力參數(shù)，具有一定的應(yīng)用價值。 隨著國家 GDP 快速增長，電力系統(tǒng)的供電負(fù)荷日益增大，對其穩(wěn)定性的要求越來越高，對電網(wǎng)的建設(shè)的投入也相當(dāng)?shù)拇?，在廠礦 企業(yè)中，對電的需求十分的大，供配電的 2 穩(wěn)定性直接與效益掛鉤。隨著微型計算機(jī)、 DSP 系統(tǒng)價格的逐步降低和技術(shù)的不斷成熟，在工廠用電中， 、 380V 電壓等級的繼電保護(hù)設(shè)備也逐步向微機(jī)保護(hù)發(fā)展，基于 DSP的交流采樣系統(tǒng)將大量運(yùn)用于此類場合。 課題的總體設(shè)計思路 本設(shè)計是一個交流電壓、電流采樣、繼電保護(hù)系統(tǒng)。要求是明確該系統(tǒng)的基本構(gòu)成，了解均方根算法等相關(guān)控制算法，熟悉 DSP 采樣原理，完成采樣電路硬件設(shè)計，實現(xiàn)交流采樣。 其設(shè)計要求如下： 1） 用數(shù)碼管顯示當(dāng)前線路的電壓、電流和功率 2） 電壓峰值采樣范圍為 0V480V,電流峰值采樣范圍為 。 3） 當(dāng)采樣所得電流或電壓超出設(shè)定范圍時，繼電器動作，切斷負(fù)載線路。 文章介紹了以 DSP F2812 為核心的交流采樣系統(tǒng)的設(shè)計，該設(shè)計采用了兩路 AD 轉(zhuǎn)換器以同時檢測電流與電壓的大小，并在程序上進(jìn)行監(jiān)控?？刂撇糠质褂美^電器切斷線路。本系統(tǒng)由硬件設(shè)計和軟件變成構(gòu)成，一下逐步對整個系統(tǒng)的軟硬件作出介紹。 3 第二章 交流采樣系統(tǒng)的器件介紹 DSP 芯片介紹 我們通常所說的 DSP 有兩個含義：其一是 Digital Signal Processing的簡稱，是指數(shù)字信號處理技術(shù)，它不僅涉及許多學(xué)科，還廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。特別是 20 世紀(jì) 60 年代，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，進(jìn)一步推動了數(shù)字信號處理技術(shù)的理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展； DSP 的第二個含義是 Digital Signal Processor 的簡稱，即數(shù)字信號處理器，也稱為 DSP 芯片，它不僅具有可編程性，而且其實時運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器。他是一種適合于數(shù)字信號處理的高性能微處理器。數(shù)字信號處理其已經(jīng)成為數(shù)字信號處理技術(shù)和實際運(yùn)用之間的橋梁，并進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，也極大地拓展了數(shù) 字信號處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。 在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動下， DSP 芯片的功能日益強(qiáng)大，性能價格比不斷提高，開發(fā)環(huán)境日臻完善，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在步入數(shù)字化時代的進(jìn)程中，數(shù)字信號處理器扮演著舉足輕重的角色。 DSP 的特點(diǎn) 為了實現(xiàn)快速的數(shù)字信號處理， DSP 芯片一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)。 TMS320 系列 DSP 主要采取了哈佛結(jié)構(gòu)、流水線技術(shù)、硬件乘法器和特殊 DSP 指令等。 哈佛結(jié)構(gòu)：哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)儲存在不同的存儲空間，對程序和獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問。而且在 DSP 內(nèi)部設(shè)置了數(shù) 據(jù)和程序兩套總線，使得存取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行，提高數(shù)據(jù)吞吐量。為了進(jìn)一步提高速度和靈活性，TMS320 系列產(chǎn)品中，在哈佛結(jié)構(gòu)上作了改進(jìn)，一是允許程序存儲在高速緩存中，提高指令讀取速度；二是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)芯片的靈活性。另外， DSP 仲的雙口 RAM 及獨(dú)立讀寫總線使數(shù)據(jù)存取速度提高。 流水線技術(shù)： DSP 芯片廣泛采用流水線技術(shù)，增強(qiáng)了處理器的處理能力。 TMS320 系列流水線深度為 2～ 6 級不等，也就是說，處理器在一個時鐘周期可以并行處理 26條指令，在每條指令處于流水線 的不同階段。在流水線操作中，取指令、指令譯碼和執(zhí)行可以獨(dú)立處理，這樣 DSP 可以同時處理多條指令，只是每條指令處于不同的階段。例如在取 N 條指令是，前一條指令處于譯碼階段，而前兩條指令則處于執(zhí)行階段。 4 硬件乘法器：在數(shù)據(jù)信號處理的許多算法中，（如 FFT 和 FIR 等），需要做大量的乘法和加法。顯然，乘法速度越快，數(shù)據(jù)處理能力就越強(qiáng)。在通用的微處理器中，有些根本沒有乘法指令，有乘法指令的處理器，其乘法指令的執(zhí)行時間也較長。相比而言 DSP芯片一般都有一個硬件乘法器。在 TM320 系列中，一次乘累加最少可以在一個時鐘周期完 成。 特殊 DSP 指令： DSP 芯片的另外一個特點(diǎn)就是采用了特殊的尋址方式和指令。比如，TMS320 系列的位返轉(zhuǎn)尋址方式， LTD、 MPY、 RPTK 等特殊指令。采用這些適合于數(shù)字信號處理的尋址方式和指令，進(jìn)一步減少了數(shù)字信號處理的時間。 另外，由于 DSP 的時鐘頻率提高，執(zhí)行周期的縮短，加上以上一些 DSP 結(jié)構(gòu)特征使得 DSP 實現(xiàn)實時數(shù)字信號處理成為可能。 DSP TMS320 F2812 芯片的技術(shù)指標(biāo) 芯片運(yùn)行速度為 150M； 工作速度可達(dá) 150MIPS； 片上 RAM 18k 16bit； 片上擴(kuò)展 RAM 存貯空間 64K 16Bit； 自帶 16 路 12bit A/D,最大采樣速率 ； 2路的 DAC7528 轉(zhuǎn)換， 10M/S， 8Bit； 一路 UART 串行接口，符合 RS232 標(biāo)準(zhǔn)； 16路 PWM 輸出； 1路 CAN 接口通信； 片上 128 16bit FLASH，自帶 128 位加密位； 1設(shè)計有用戶可以自定義的開關(guān)和測試指示燈； 1 4組標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展連接器，為用戶進(jìn)行二次開發(fā)提供條件； 1具有 相兼容的邏輯掃描電路，該電路僅用于測試和方針 1 +12V 電源輸入，內(nèi)部 +、 + 電源管理； DSP F2812 開發(fā)板的管腳功能說明 F2812 有四個用于二次開發(fā)的 34 芯外擴(kuò)總線，分辨是 J1 J1 J1 J19。 J12 擴(kuò)展插座包含 16 根地址線和 16 跟數(shù)據(jù)線，可以用于讀出和輸出并行的數(shù)據(jù)； J13 擴(kuò)展插座包括 F2812 外部擴(kuò)展總線的控制線、 McBSP 接口線、外部中斷和外部復(fù)位等重要的引腳信 5 號； J18 擴(kuò)展插座主要是 AD 和 DA 接口， J18 仲擴(kuò)展了所有的 AD 和 DA 引腳； J19 擴(kuò)展插座主要是擴(kuò)展 F2812 開發(fā)板上空閑的 DSP 外設(shè)引腳，以 便于制定硬件環(huán)境。 由于交流采樣系用只需要用到 J18 和 J19 擴(kuò)展插座，下表就對 J18 和 J19 的管腳定義進(jìn)行說明。 表 J18 的管腳定義和說明 管腳號 管腳名 說明 管腳號 管腳名 說明 1 VCCA 模擬電源 +5V 18 AGND 模擬地 2 VCCA 模擬電源 +5V 19 ADINB6 模擬輸入通道 B6 3 CAP1 CAP 輸入端 1 20 ADINB7 模擬輸入通道 B7 4 CAP2 CAP 輸入端 2 21 ADREFIN 測試引腳 5 ADINA2 模擬輸入通道 A2 22 ADCREFLO 模擬參考低電壓輸入 6 ADINA3 模擬輸入通道 A3 23 ADINA0 模擬輸入通道 A0 7 ADINA4 模擬輸入通道 A4 24 ADINA1 模擬輸入通道 A1 8 ADINA5 模擬輸入通道 A5 25 DAOUT1 模擬輸出通道 1 9 ADINA6 模擬輸入通道 A6 26 DAOUT2 模擬輸出通道 2 10 ADINA7 模擬輸入通道 A7 27 11 ADINB0 模擬輸入通道 B0 28 12 ADINB1 模擬輸入通道 B1 29 CAP3 CAP 輸入端 3 13 ADINB2 模擬輸入通道 B2 30 CAP4 CAP 輸入端 4 14 ADINB3 模擬輸入通道 B3 31 CAP5 CAP 輸入端 5 15 ADINB4 模