【正文】 包含的不同頻段的頻率特征，這樣就可以省去在信號調(diào)理單元復雜的硬件濾波器設(shè)計，以濾除特定頻段范圍的高頻噪聲。另一方面在后續(xù)信號處理模塊選用16位高精度、雙極性模擬輸入的ADC芯片AD7656作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，模擬信號在輸入之前無需經(jīng)過單極性調(diào)整過程，而且可用通用運算放大器代替高精度、低漂移運算放大器。這在很大程度上降低了系統(tǒng)復雜度和成本。根據(jù)需求分析，對電流信號進行調(diào)理，輸入額定電流有效值IN=5A，－100A，測量誤差要求在5A時≤。系統(tǒng)選用兵字TA1420立式穿芯小型精密交流電流互感器，互感器變比為6000：1，它具有全封閉、機械和耐環(huán)境性能好、電壓隔離能力強、安全可靠等優(yōu)點。 電流信號調(diào)理電路原理圖 Schematic diagram of current regulation circuit對電壓信號進行調(diào)理，輸入額定相電壓有效值UN=，－，測量誤差要求同極性輸入電壓60V時≤%。本系統(tǒng)選用兵字TV10131型微型精密交流電壓互感器，互感器變比為1:1。在對電流及電壓信號隔離互感后，每一路輸入信號都經(jīng)過了一級電壓跟隨，用以增大輸入阻抗，減少外界擾動影響。 電壓信號調(diào)理電路原理圖 Schematic diagram ofvoltage regulation circuit 信號處理模塊設(shè)計信號處理模塊是整個錄波設(shè)備的核心，它負責數(shù)字測量算法的實施和信號的實時判據(jù)，錄波設(shè)備是否能正確判斷電力系統(tǒng)故障并且精確為故障點定時完全依靠信號處理模塊的處理能力。于是本文將信號處理模塊所要完成的任務總結(jié)一下：(1)數(shù)據(jù)采集；(2)原始數(shù)據(jù)波形保存；(3)數(shù)字測量算法實現(xiàn)；(4)故障判據(jù)；(5)故障定時。有了信號處理模塊的這些任務，設(shè)計方向就比較明確了。信號處理模塊以DSP芯片作為核心，輔以適當?shù)耐鈬O(shè)備(時鐘電路、復位電路、存儲器擴展電路和電源管理電路等)，來實現(xiàn)我們所期望功能要求。下面介紹詳細設(shè)計。 DSP處理器DSP處理器選用TMS320C33 DSP芯片。TMS320C33 DSP芯片是TI公司的浮點處理器，是TMS320C3x系列的新一代浮點DSP。它是在TMS320C31浮點DSP的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個新版本，具有高速、低成本、低功耗、易于開發(fā)等特點，并支持32位浮點運算。、因此功耗比原有型號降低了大約一個數(shù)量級。TMS320C33分為TMS320C33120和TMS320C33150 兩個版本，分別具有120MFLOPS和150MFLOPS的運算能力。TMS320C33采用了改進的哈佛結(jié)構(gòu)[38. TMS320C33 Digital Signal Processor [M], Texas Instruments Incorporated, 2004,37]，首先是采用了獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，但在程序總線和數(shù)據(jù)總線中采用了交叉連接，允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)運算指令直接使用，增強了芯片的靈活性，提高了運算速度，只要調(diào)度好連個獨立的總線就可使處理能力得到提高，實現(xiàn)全速運行。TMS320VC33并沒有擴展總線，但仍然將通過多路切換后通過外部引腳所體現(xiàn)的總線稱為主總線，它包括32位數(shù)據(jù)線、24位地址線、讀寫信號R/W、外部存取選通信號STRB、頁選通信號PAGE0PAGE就緒信號RDY、保持信號HOLD和保持回答信號HOLDA。其中頁選通信號是由芯片的地址線A22和A23經(jīng)過一碼產(chǎn)生的，外部存取選通信號也是由地址線決定的，RDY、HOLD是總線狀態(tài)的控制信號，R/W根據(jù)數(shù)據(jù)總線的輸入輸出狀態(tài)而取不同電平。： 基于TMS320VC33芯片的DSP電路設(shè)計原理圖 DSP circuit design schematic diagram based on TMS320VC33 CPLD電路邏輯控制單元選用Xilinx公司3200門的XC95144XL實現(xiàn)所需的邏輯控制指令[39. XC95144XL High Performance CPLD[M], XILINX, 1998,19]。CPLD實現(xiàn)的控制信號包括：對DSP外部存儲空間的片選及讀寫信號，軟件方式實現(xiàn)DSP看門狗，以及ADC的選通、啟動和開關(guān)量變化的檢測。 CPLD邏輯控制單元電路設(shè)計原理圖 Circuit design schematic diagram of CPLD logic control unitCPLD對DSP芯片的地址線A1A1A1A14和頁選通管腳nPG0、nPGnPG3和DSP讀寫信號進行譯碼，并根據(jù)各個DSP外部芯片的時序來給出這些芯片的片選信號和讀寫信號。 AD轉(zhuǎn)換電路AD7656是ADI公司生產(chǎn)的16位雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[40. 250kSPS,6channel,simultaneous,Sampling,Bipolar 16bit AD7656[M], ANALOG DEVICES, 2006, 34]，它采用iCMOS工藝制造，是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC?；趇COMS技術(shù)制造的ADC可以滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω叻直媛?、多通道、高轉(zhuǎn)換速率和低功耗的要求。它還包含一個低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T/H)，以便處理輸入頻率高達8MHz的信號。該AD7656還具有高速并行和串行接口，可以與微處理器(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)連接。該器件的功耗比最接近的同類雙極型ADC降低了60%，在每通道250kS/s的采樣速率下采樣精度 (177。4LSB最大值積分線性誤差) 是同類產(chǎn)品的2倍。AD7656具體參數(shù)為16位、23通道雙極性高阻模擬輸入，通道最高吞吐率可高達250ksps?？蛇x雙極性模擬輸入范圍：177。10V、177。5V?！?，～，～。 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計原理圖 Circuit design schematic diagram of A/D converting circiut模數(shù)轉(zhuǎn)換采用兩片AD7656高速采樣芯片分別采集電力系統(tǒng)的電流與電壓信號。AD7656支持并口和高速串口通信兩種方式，本設(shè)計為獲得較高的傳輸速率采用并口方式將轉(zhuǎn)換后的ADC數(shù)據(jù)線掛接到DSP數(shù)據(jù)總線上。每片AD只用到了V1V4作為輸入，對四路電壓和四路電流信號采樣。兩片AD7656同時獲得的兩路轉(zhuǎn)換結(jié)果，分別作為數(shù)據(jù)總線上低16位和高16位直接送入DSP。采用AD7656實現(xiàn)的A/。 AD7656芯片工作時序圖 Time sequence diagram of AD7656AD7656采樣過程是DSP向CPLD發(fā)出訪問ADC的信號，控制ADC完成采樣和轉(zhuǎn)換，具體過程是，首先將ADC芯片CONVSTx管腳置為高電平至少550ns，這時候ADC芯片會自動完成采樣急轉(zhuǎn)換的工作，在此期間ADC會產(chǎn)生一個高電平BUSY信號，表示自己正在工作，接著，DSP就可以從ADC讀數(shù)據(jù)了，先產(chǎn)生低電平CS片選信號，再在RD讀信號低電平期間完成讀數(shù)據(jù)操作。 SRAM存儲電路為了擴展TMS320VC33的存儲能力，外擴了CYPRESS公司的CY7C1041CV33 SRAM存儲芯片。這款芯片擁有256K 16bit的存儲能力，設(shè)計和使用都比較方便。本設(shè)計使用了兩片CY7C1041CV33，由于它是16bit的，所以分別將兩片SRAM的數(shù)據(jù)線作為數(shù)據(jù)總線的低16位和高16位，與DSP數(shù)據(jù)線相連。這樣一來就可以方便的存取32位數(shù)據(jù)信息了。： SRAM存儲器電路設(shè)計原理圖 Circuit design schematic diagram of SRAM memory 通信調(diào)度模塊設(shè)計通信調(diào)度模塊是連接錄波設(shè)備與遠程監(jiān)控子系統(tǒng)的橋梁，它將從DSP處理器傳送來的故障數(shù)據(jù)做一定的調(diào)度與處理，把它們存儲在外擴的非易失性存儲器中，并將這些數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)、GPRS無線網(wǎng)、CAN總線、485總線等方式傳輸給遠程監(jiān)控子系統(tǒng)。當然它還有轉(zhuǎn)發(fā)遠程監(jiān)控子系統(tǒng)下達的判據(jù)定制信息給信號處理模塊的功能。在通信調(diào)度模塊的設(shè)計中選用了ARM處理器作為核心。采用這種設(shè)計是出于保證錄波設(shè)備的實時性和精確性來考慮的。眾所周知DSP的計算能力出眾，但是控制能力卻比較欠缺，不能勝任大任務量的數(shù)據(jù)傳輸。但是這一點卻是ARM處理器的強項。并且為保證DSP運行效率，將DSP從繁瑣的事務性工作中解脫出來，讓它專注于完成判據(jù)算法，采用了ARM處理器作為通信調(diào)度模塊核心的設(shè)計。這樣一來錄播設(shè)備就成為了DSP+ARM的設(shè)計體系。 ARM處理器ARM(Advanced RISC Machines)公司是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，該公司設(shè)計了許多高性能、廉價、低功耗的RISC處理器IP核，及其相關(guān)技術(shù)和軟件，并將相應的知識產(chǎn)權(quán)出售給世界各地的知名半導體、軟件和OEM廠商。同時，ARM構(gòu)架又是面向低成本預算設(shè)計的第一款RISC處理器。從1985年至今，已經(jīng)有超過10億片ARM芯片被銷往世界各地。最成功的ARM內(nèi)核之一——ARM7TDMI，具有最高120 Dhrystone MIPS的性能、較高的代碼密度和低功耗等特點，使它成為嵌入式設(shè)備的最佳選擇。 STR710芯片電路設(shè)計原理圖 Circuit design schematic diagram of STR710本文選用的ARM處理器是ST公司的STR710芯片，它是STR7系列中的一個常用產(chǎn)品。這款芯片就是基于高性能的ARM7TDMI內(nèi)核的產(chǎn)品[41. STR71x Microcontroller Reference Manual[M], STMicroelectronics, 2004, 1621]，擁有豐富的外設(shè)和增強I/O功能。這款芯片包括片上高速單電壓FLASH存儲器和高速RAM存儲器。由于內(nèi)嵌ARM內(nèi)核，所以它與所有的ARM開發(fā)工具和軟件兼容，同時ST公司還提供了一些軟件開發(fā)包，使得開發(fā)方便簡單。STR710內(nèi)部總線和兩條APB總線將片上系統(tǒng)和外設(shè)資源緊密地連接起來，其中內(nèi)部總線是主系統(tǒng)總線，連接了CPU、存儲器和系統(tǒng)時鐘等，APB1總線(APB1橋連接的APB總線)連接高速外設(shè)，APB2總線(APB2橋連接的APB總線)連接系統(tǒng)通用外設(shè)和中斷控制。I/O端口包括P0、PP2三個16位的端口，其他的外設(shè)接口引腳都與I/O端口的引腳功能復用。另外，外部存儲器接口(EMI)提供了16條數(shù)據(jù)線接口和24條地址線接口，可擴展4組16MB空間的外部存儲器。 以太網(wǎng)模塊STR710內(nèi)部沒有以太網(wǎng)控制器，要實現(xiàn)以太網(wǎng)功能并保證傳輸速率，主要有兩種方法，一是用ARM處理器運行操作系統(tǒng)，使用系統(tǒng)自帶的TCP/IP協(xié)議棧，來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，二是外擴以太網(wǎng)控制模塊。雖然一些現(xiàn)有應用表明，第一種方法可以取得很好的效果，但是要以大量的系統(tǒng)資源為代價。本文直接選用WIZnet公司的NM7010A以太網(wǎng)模塊用極小的系統(tǒng)資源快速實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。NM7010A以太網(wǎng)模塊由W3100A(硬件TCP/IP芯片)、以太網(wǎng)物理層芯片(RTL8201BL)、MAGJACK(RJ45)以及相關(guān)電路組成[42. NM7010ALF Datasheet [M], Wiznet Corporation, 2006, 511]。它涵蓋了TCP/IP MAC協(xié)議層、物理層和以太網(wǎng)連接器RJ45，支持10/100M ，可以很方便地接入以太網(wǎng)。包含硬件網(wǎng)際協(xié)議：TCP、IP 、UDP、ICMP、ARP和硬件以太網(wǎng)協(xié)議：DLC、MAC。支持MCU總線并行接口和I2C接口，由于內(nèi)嵌硬件以太網(wǎng)協(xié)議，所以將它與STR710數(shù)據(jù)總線相連把NM7010A簡單地看 NM7010A以太網(wǎng)模塊結(jié)構(gòu)圖 Structure of NM7010A Ethernet module成一個外部存儲單元，對它進行讀寫數(shù)據(jù)操作以及有關(guān)的配置，而不必關(guān)心具體的以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)。NM7010A以太網(wǎng)模塊與MCU連接只需兩個雙列28針接口，可以很方便地與系統(tǒng)相連。 NM7010A以太網(wǎng)模塊電路設(shè)計原理圖 Circuit design schematic diagram of NM7010A Ethernet module在使用時通過ARM向以太網(wǎng)模塊寫入數(shù)據(jù)，NM7010A便會自動組織數(shù)據(jù)裝幀打包，遵守TCP/IP協(xié)議發(fā)送到以太網(wǎng)上去。在NM7010A接收到以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)時，它會自動解包出有用數(shù)據(jù)，便于ARM的讀取。因此，可以方便地把NM7010A模塊看成是ARM的一個外擴存儲器。 GPRS模塊在錄播設(shè)備的實際使用中，各個錄播設(shè)備很可能相距比較遠，利用以太網(wǎng)方式連接無形中增加了組網(wǎng)的難度和成本，又由于以太網(wǎng)本身的局限性限值了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，在使用范圍比較廣、錄波設(shè)備較多時問題就比較突出了?？紤]到這種問題，本文將GPRS無線傳輸方式引入了錄波設(shè)備的設(shè)計中。無線的方式成功突破了錄波設(shè)備間距離的限制，并且將錄波設(shè)備安裝到電力系統(tǒng)的各點變得方便，減小了由于有線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)帶來的成本。本文中的無線模塊采用了BenQ公司的M23GPRS無線模塊[43. BenQ M23A GSM/GPRS Wireless Module Technical Datasheet[M], BenQ Corporation, 2005, 2623]。GPRS即General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。通俗地講，GPRS是一項高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，方法是以分組的形式傳送資料到無線終端上。由于使用了分組的技術(shù)，無線終端上網(wǎng)可以免受斷線的痛苦。此外，使用GPRS技術(shù)也十分經(jīng)濟，因為只須利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)來即可。使用了GPRS后，數(shù)據(jù)實現(xiàn)分組發(fā)送和接收，這意味著無線終端總是在線且按流量計費，迅速降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)某杀尽ｋm然GPRS是作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動通信演變的過渡技術(shù)，但是它在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢。其最大優(yōu)勢在于：它的數(shù)據(jù)傳輸速度達到了115Kbps。BenQ M23 。 BenQ M23 GPRS無線模塊電路設(shè)計原理圖 C