基于DSP的跟蹤頻率變化的交流有樣技術(shù)
關(guān)鍵詞：交流采樣 頻率變化 DSP TMS320F240
在交流采樣系統(tǒng)中，通常是一個(gè)周波采樣64點(diǎn)或128點(diǎn)的電量值，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果電網(wǎng)頻率恒定，則采樣間隔t=T/N(T為周期，N為采樣點(diǎn))，而電網(wǎng)的頻率通常有一定的波動(dòng)，所以要不斷調(diào)整采樣間隔。
在單片機(jī)系統(tǒng)中，一般采用過零觸發(fā)電路和單片機(jī)的外部中斷來檢測(cè)電量周波的開始和結(jié)束時(shí)間，再利用內(nèi)部定時(shí)器計(jì)算出周期和采樣間隔，在采樣間隔定時(shí)中斷程序中啟動(dòng)一次采親。這種方案有兩個(gè)缺點(diǎn)：其一，電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；其二，精度不高，因?yàn)橐紤]中斷能否實(shí)時(shí)響應(yīng)。過零觸發(fā)電路產(chǎn)生的中斷響應(yīng)具有不確定性。
我們?cè)谑褂肨MS320F240 DSP開發(fā)交流采樣系統(tǒng)時(shí)，巧妙地利用該款DSP的定時(shí)器、捕獲器和不中屏蔽中斷（NMI）實(shí)現(xiàn)了跟蹤頻率變化的交流采樣。
1 NMI中斷、定時(shí)器、捕獲器的簡單分析
（1）NMI中斷
TMS320F24X系列有一個(gè)不可屏蔽中斷（NMI）引腳。當(dāng)該引腳有跳變信號(hào)時(shí)（可編程為上升沿或下降沿觸發(fā)），立即進(jìn)入中斷程序，可以用于緊急事件的處理。本文中用于跟蹤被測(cè)電量的頻率。
（2）定時(shí)器介紹
TMS320F240有3個(gè)通用定時(shí)器，每個(gè)通用定時(shí)器有6種計(jì)數(shù)方式：①停止/保持模式，模式0；②單增計(jì)數(shù)模式，模式1；③連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，模式2；④定向增/減計(jì)數(shù)模式，模式3；⑤單增/減計(jì)數(shù)模式，模式4；⑥連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式，模式5。
設(shè)fc是CPU的時(shí)鐘頻率，則定時(shí)時(shí)間t=脈沖個(gè)數(shù)/（fc/分頻系數(shù)），脈沖個(gè)數(shù)與定時(shí)周期寄存器的值或比較寄存器的值有關(guān)。工作過程是：①根據(jù)CPU的頻率、定時(shí)時(shí)間確定計(jì)數(shù)寄存器的初值TxNT、周期寄存器的初值TxPER、比較寄存器的初值TxCMP。②啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)數(shù)。③計(jì)數(shù)到比較寄存器的值發(fā)生比較匹配中斷，同時(shí)使TxCMP引腳發(fā)生跳變。本文中利用T3CPU的跳變?nèi)?dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換。④計(jì)數(shù)到周期寄存器的值發(fā)生周期匹配中斷。
定時(shí)器一旦開始工作就不受程序影響，準(zhǔn)確性高，保證每隔固定間隔進(jìn)行采樣。
（3）捕獲器介紹
捕獲單元用于捕獲引腳上電平的變化并記錄發(fā)生的時(shí)間，記錄事件發(fā)生的時(shí)間以定時(shí)器的計(jì)數(shù)器作時(shí)基。當(dāng)捕獲引腳發(fā)生跳變時(shí)，捕獲單元將該時(shí)刻時(shí)基的計(jì)數(shù)寄存器T2CNT的值裝入相應(yīng)的FIFO隊(duì)列中。FIFO隊(duì)列可以裝入兩個(gè)值，第三個(gè)裝入時(shí)會(huì)將第一個(gè)值擠出。如果將捕獲器的跳變輸入信號(hào)和NMI輸入信號(hào)并聯(lián)（見圖2），則可以在NMI中斷程序中讀取跳變時(shí)的時(shí)基值（讀FIFOx寄存器）。例如：以T2作時(shí)基，引腳電平第一次上跳時(shí)，T2計(jì)數(shù)寄存器T2CNT的值為X1，第二次為X2，T2分頻系數(shù)為D，CPU頻率為fc,則變化時(shí)間間隔為
t=D/fc×(X2-X1)
2 設(shè)計(jì)思想
過零觸發(fā)電路的輸出接TMS320F240外部不可屏蔽中斷引腳NMI，確保了中斷的實(shí)時(shí)響應(yīng)；同時(shí)，過零觸發(fā)電路的輸出還接到捕獲器1的輸入端CAP1，T2定時(shí)器作捕獲器的時(shí)基，捕獲器可以捕獲兩個(gè)脈沖間隔的時(shí)間（用T2計(jì)數(shù)器的變化量表示），這樣可以計(jì)算出周波的周期/頻率。
用一個(gè)定時(shí)器T3完成定時(shí)觸發(fā)采樣，每隔一個(gè)采樣周期T3定時(shí)器的比較匹配輸出端T3CMP輸出一個(gè)下降沿脈沖去啟動(dòng)ADC進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，所以T3CMP的啟動(dòng)信號(hào)的間隔具有確定性。
下面對(duì)頻率/周期和采樣間隔的計(jì)算作出推導(dǎo)。
（1）頻率和周期
捕獲器用T2作時(shí)基，CAP1端每出現(xiàn)一個(gè)上升沿脈沖表示一個(gè)周波開始，同時(shí)立刻進(jìn)入NMI中斷程序，在中斷程序中讀取FIFO1寄存器的值賦給T3的周期寄存器。要注意的是：FIFO1總是初始化為0，所以FIFO1的值是在剛過去的周波內(nèi)T2計(jì)數(shù)器的增加值；而T2的分頻系數(shù)為128，假設(shè)DSP的工作頻率為20MHz，這樣就可以計(jì)算出上一個(gè)周波的周期T和頻率f：
T=(1/20) μs×128×（FIFO1）=
（128/20）×10 -6×（FIFO1）s
f=1/T=(20×10 6)/[128×(FIFO1)]=156250/(FIFO1)Hz
（2）跟蹤頻率變化的采樣間隔
如果T2工作在定時(shí)/計(jì)數(shù)狀態(tài)下，給T2的周期寄存器T2PER賦初值為FIFO1寄存器的值，則T2的周期中斷時(shí)間即是上一個(gè)周波的周期；而在NMI中斷程序中將FIFO1寄存器的值賦給T3的周期寄存器T3PER.注意：T2的分頻系數(shù)為128，T3的分頻系數(shù)為1，所以T3的周期中斷時(shí)間是一個(gè)周期的電量的1/128；而采樣周期用T3作時(shí)基，T3的周期中斷即是采樣中斷。從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期的128點(diǎn)采樣，即實(shí)現(xiàn)了跟蹤頻率變化的交流采樣，當(dāng)然，有一個(gè)周波的滯后。
每個(gè)周期會(huì)產(chǎn)生一次NMI（不可屏蔽中斷），在NMI中斷程序中將T2CNT的增加值（在FIFO寄存器）讀出來賦給T3的周期寄存器。因?yàn)門2的分頻系數(shù)為128，這樣T3的周期中斷時(shí)間即為一個(gè)周期的1/128，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)周期采樣128點(diǎn)的目的。
3 硬件設(shè)計(jì)
（1）互感器電路及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
利用互感器電網(wǎng)的二次高壓和電流交換成0～5V或-5～+5V的電壓送入A/D轉(zhuǎn)換器，具體電路如圖1所示。
圖1中，電壓互感器的原邊100V，副邊輸出2mA電流經(jīng)OP07轉(zhuǎn)換成-3.5～+3.5V的電壓量（注意：幅值范圍為-5～+5V）。電流互感器的原邊輸入5A的電流，副邊輸出2mA的電流經(jīng)運(yùn)放轉(zhuǎn)換成-3.5～+3.5V的電壓量。
D11、D12，D21、D22為運(yùn)放輸入限幅保護(hù)電路；C11、R14，C21、R23為互感器相移補(bǔ)償電路。因采樣時(shí)只要保證一個(gè)周波采樣N點(diǎn)，什么時(shí)候開始并不重要，所可以省去相移補(bǔ)償電路。
R11，R12、R13，R21、R22的值可以通過以上給出的電流、電壓值計(jì)算出來：R11=100V/2mA，R12+R13=R21+R22=3.5V/2mA。運(yùn)放的輸出端可以接一電容進(jìn)行濾波。
運(yùn)放的輸出可以再接一級(jí)電壓跟隨器（如圖2的U1A）起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。
（2）過零觸發(fā)電路
具體電路如圖2所示。U1A構(gòu)成的電壓跟隨器的作用如上所述，它的正端輸入來自互感器電路的輸出。U2A構(gòu)成一個(gè)過零比較電路，D2穩(wěn)壓二極管使比較器的輸出為0～5V，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入DSP的捕獲器輸入端CAP1和不可屏蔽中斷端NMI。
（3）A/D轉(zhuǎn)換器和DSP的接口電路
電路原理如圖3所示。ADC芯片采樣14位的MAX125。TMS320F240的定時(shí)比較器輸出端T3CMP接MAX125的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器CONVST；MAX125轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生中斷，通過INT腳接DSP的XINT1腳向DSP申請(qǐng)中斷，DSP在中斷程序中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。DSP對(duì)MAX125的操作是通過端口訪問完成的，MAX125的片選端CS4接譯碼器的一個(gè)輸出端，譯碼器的輸入和使能端由DSP的地址線和I/O信號(hào)LS控制。
每隔一個(gè)采樣周期（T/N）T3CMP端輸出一個(gè)下降沿脈沖，啟動(dòng)MAX125進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換。采樣間隔會(huì)根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化自動(dòng)調(diào)整。
4 軟件設(shè)計(jì)
下面給出幾個(gè)程序函數(shù)。具體數(shù)據(jù)處理的函數(shù)因系統(tǒng)功能不同而異，限于篇幅這里不作討論。
（1）定時(shí)器、捕獲器初始化程序：
void init_TimerCapturet()
{*T2CNT=0; /*計(jì)數(shù)寄存器初始化*/
*T3CNT=0；
*T3CMP=1000；
*T2PER=30000；
T3PER=4000； /T2PER、T3PER會(huì)在NMI中斷程序中根據(jù)電量頻率的變化作出相應(yīng)的調(diào)整*/
*CAPCON=0XBC55； /*設(shè)置捕獲器*/
*GPTCON=0X186A;
*T2CON=0X17CA； /*方式2，分頻系數(shù)為128*/
*T3CON=0X10CA； /*方式2，分頻系數(shù)為1*/
*NMI_CR=0X64； /*設(shè)置不可屏蔽中斷*/
}
（2）ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷響應(yīng)程序
void c_int1()
{int i;/*其余為全局或靜態(tài)變量*/
/*程序中讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果*/
if(AChanel= =1) /*讀A組3路的轉(zhuǎn)換結(jié)果*/
{ outport(0x01,0x03);/*輸出MAX125的控制字*/
inport(0x01,&ADC_Data[0]);
inport(0x01,&ADC_Data[1]);
inport(0x01,&ADC_Data[2]);
AChanel=0；
}
else
{/*如上讀取B組3路的轉(zhuǎn)換結(jié)果*/
}
/*將14位的結(jié)果轉(zhuǎn)換為16位的（初碼存放）*/
for(i=1;i<6;i++)
ADC_Data[i]=ADC_Data[i]<<2/4;
}
(3)不可屏蔽中斷的中斷程序
void c_int7() {
asm("SETC INTM");/*禁止中斷*/
*T2CNT=0;/*作捕獲器的時(shí)在，一個(gè)周波開始時(shí)其值為0*/
*T3PER=*FIFO1;/*T3的計(jì)數(shù)周期是一個(gè)周波周期的1/128*/
asm("CLRC INTM")；/*使能中斷*/
}
本文充分利用了TM320F240的片內(nèi)資源，巧妙地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤頻率變化的交流采樣，希望對(duì)使用該系列DSP進(jìn)行測(cè)控領(lǐng)域開發(fā)的技術(shù)人員有所啟發(fā)。
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