基于DSP的高速采样系统设计毕业设计

攀枝花学院专业课课程设计实验报告基于DSP的高速采样系统设计学生姓名： xxxx 学生学号： xxxxxxxxxxxxx 院（系）： xxxxxxxxxxxxxxx 年级专业： 电子信息工程x 指导教师： 二一三年十二月摘 要交流采样是电网进行微机保护的重要一步，交流采样方法的优劣直接影响到微机保护的效果。本系统应用DSP制作交流采样电路，使其实现高速、准确的交流采样，通过软件控制实现模拟微机保护跳闸功能。本文介绍了应用DSP实现对交流信号的采样硬件电路设计，论文总共分为四个部分。（1）介绍交流采样的基本结构，设计思路，并分析目前交流采样的几种方式；（2）通过对交流采样对象的分析，确定采样的参数大小并设计基于F2812的采样电路；（3）运用CCS3.1利用设计的程序对采样电路进行试验，得出电路的误差并进行分析；（4）通过上述设计，能够完成对交流信号的采集、处理并将所需数值显示出来。满足设计要求。由于时间、水平有限，本系统没有实现与计算机的数据通信，将在日后工作与学习中进一步完善。关键词：交流采样，DSP,微机保护ABSTRACTThe exchange sampling is the electrical network carries on the microcomputer to protect importantly one step, the exchange sampling methods protects fit and unfit quality immediate influence the effect which to the microcomputer. This system applies the DSP manufacture exchange sampling circuit, causes it to realize high speed, the accurate exchange sampling, realizes the simulation microcomputer protective trip function through the software control.This article introduced realizes using DSP to exchanges the signal sampling hardware circuit design, the paper altogether divides into four parts. (1) introduced that the exchange sampling the basic structure, the design mentality, and analyzes the present exchange sampling several ways; (2) through to exchanges the sampling object analysis, the definite samplings parameter size and designs based on the F2812 sampling circuit; (3) carries on the experiment using CCS3.1 using the design procedure to the sampling circuit, obtains electric circuits error and carries on the analysis; (4) through the above design, can complete to exchanges signal gathering, processing and will need the value to demonstrate, satisfies the design requirements.Because the time, the level are limited, this system has not realized with computers data communication, will be working in the future and in the study further consummates.KEY WORDS: Exchange sampling, DSP, microcomputer protection3目 录第一章 绪 论11.1研究背景与意义11.2研究现状11.3课题的总体设计思路2第二章 交流采样系统的器件介绍32.1 DSP芯片介绍32.1.1 DSP的特点32.1.2 DSP TMS320 F2812芯片的技术指标42.1.3 DSP F2812开发板的管脚功能说明42.2 运算放大器LM324介绍62.2.1 LM324工作原理62.2.2 LM324的引脚、结构及其典型运用82.3开关式稳压电源芯片LM2596介绍122.3.1 LM2596的特点132.3.2 LM2596的引脚及主要性能参数132.4 稳压芯片TL431介绍142.4.1 TL431工作原理152.4.2 TL431的引脚和其主要性能参数152.5 LED八段数码管显示器152.5.1 LED数码管的分类162.5.2数码管驱动方式162.5.3数码管的显示段码172.6 74LS164移位寄存器介绍182.6.1 74LS164工作原理182.6.2 74LS164的引脚及级联19第三章 基于DSP的交流采样系统硬件的总体设计方案203.1 硬件电路设计思路203.2 总体电路的布局203.3 电流互感器、电压互感器电路的设计213.4运放电路的设计213.4.1 跟随电路223.4.2 二阶低通有源滤波电路223.4.3 偏置电路243.4.4 反相电路253.5 TL431 5V偏置电压产生电路的设计253.6 LM2596 5V电源的设计263.7 继电保护电路的设计273.8 合闸电路的设计273.9 数码管显示电路的设计283.10 系统软件的设计28第四章 系统的硬件调试和系统测试304.1 系统硬件的调试304.1.1 采样电路的调试304.1.2显示电路的调试304.1.3 继电保护电路的调试304.2调试过程中存在的问题及解决方法31结 束 语32参考文献3333第一章 绪 论1.1研究背景与意义电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路。电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运行状态。故障和不正常运行状态都可能在电力系统中引起事故，系统事故的发生，除了由于自然条件的因素以外，一般都是由于设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当而引起的。在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性意外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性的切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。继电保护装置到目前为止大部分都被电子元件或计算机代替，在微机保护系统当中，交流采样装置是微机保护很重要的一部分，其采样精度直接影响到了微机保护的准确度。近几年来随着半导体技术的高速发展，各种种类的新型处理器相继问世，让开发运用在电力系统中的高速采样系统成为了可能。随着数字信号处理器（DSP）的不断普及，其优异的性能逐渐被人们所知，将DSP运用于电力系统的各个环节已经是一种趋势。本课题介绍的交流采样系统使用运算放大器和DSP对交流信号进行采样，具有实时性好、高准确高的优点，研究一种高实时性、高准确性的采样系统，对提高微机保护的性能至关重要，这是本课题研究的意义。1.2研究现状在电力系统的实际运行中，随着电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，电网存在谐波，还会有各种顺势干扰，采用时间继电器、电流继电器、信号继电器等组成的采样系统，存在硬件电路复杂等诸多弊端，因此本系统求取系统中交流参数采用软件代替硬件，进一步优化了交流采样系统，做到了简化硬件、提高实时性，并能快速、准确地采集各种电力参数，具有一定的应用价值。随着国家GDP快速增长，电力系统的供电负荷日益增大，对其稳定性的要求越来越高，对电网的建设的投入也相当的大，在厂矿企业中，对电的需求十分的大，供配电的稳定性直接与效益挂钩。随着微型计算机、DSP系统价格的逐步降低和技术的不断成熟，在工厂用电中，6.3kV、380V电压等级的继电保护设备也逐步向微机保护发展，基于DSP的交流采样系统将大量运用于此类场合。1.3课题的总体设计思路本设计是一个交流电压、电流采样、继电保护系统。要求是明确该系统的基本构成，了解均方根算法等相关控制算法，熟悉DSP采样原理，完成采样电路硬件设计，实现交流采样。其设计要求如下：1） 用数码管显示当前线路的电压、电流和功率2） 电压峰值采样范围为0V-480V,电流峰值采样范围为0-7.07A。3） 当采样所得电流或电压超出设定范围时，继电器动作，切断负载线路。文章介绍了以DSP F2812为核心的交流采样系统的设计，该设计采用了两路AD转换器以同时检测电流与电压的大小，并在程序上进行监控。控制部分使用继电器切断线路。本系统由硬件设计和软件变成构成，一下逐步对整个系统的软硬件作出介绍。第二章 交流采样系统的器件介绍2.1 DSP芯片介绍 我们通常所说的DSP有两个含义：其一是Digital Signal Processing的简称，是指数字信号处理技术，它不仅涉及许多学科，还广泛应用于多种领域。特别是20世纪60年代，随着计算机和信息技术的迅猛发展，进一步推动了数字信号处理技术的理论和应用领域的发展；DSP的第二个含义是 Digital Signal Processor的简称，即数字信号处理器，也称为DSP芯片，它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度远远超过通用微处理器。他是一种适合于数字信号处理的高性能微处理器。数字信号处理其已经成为数字信号处理技术和实际运用之间的桥梁，并进一步促进了数字信号处理技术的发展，也极大地拓展了数字信号处理技术的应用领域。在微电子技术发展的带动下，DSP芯片的功能日益强大，性能价格比不断提高，开发环境日臻完善，应用领域不断扩大。在步入数字化时代的进程中，数字信号处理器扮演着举足轻重的角色。2.1.1 DSP的特点为了实现快速的数字信号处理，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构。TMS320系列DSP主要采取了哈佛结构、流水线技术、硬件乘法器和特殊DSP指令等。哈佛结构：哈佛结构是一种并行体系结构，主要特点是将程序和数据储存在不同的存储空间，对程序和独立编址，独立访问。而且在DSP内部设置了数据和程序两套总线，使得存取指令和执行能完全重叠运行，提高数据吞吐量。为了进一步提高速度和灵活性，TMS320系列产品中，在哈佛结构上作了改进，一是允许程序存储在高速缓存中，提高指令读取速度；二是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强芯片的灵活性。另外，DSP仲的双口RAM及独立读写总线使数据存取速度提高。流水线技术：DSP芯片广泛采用流水线技术，增强了处理器的处理能力。TMS320系列流水线深度为26级不等，也就是说，处理器在一个时钟周期可以并行处理2-6条指令，在每条指令处于流水线的不同阶段。在流水线操作中，取指令、指令译码和执行可以独立处理，这样DSP可以同时处理多条指令，只是每条指令处于不同的阶段。例如在取N条指令是，前一条指令处于译码阶段，而前两条指令则处于执行阶段。硬件乘法器：在数据信号处理的许多算法中，（如FFT和FIR等），需要做大量的乘法和加法。显然，乘法速度越快，数据处理能力就越强。在通用的微处理器中，有些根本没有乘法指令，有乘法指令的处理器，其乘法指令的执行时间也较长。相比而言DSP芯片一般都有一个硬件乘法器。在TM320系列中，一次乘累加最少可以在一个时钟周期完成。特殊DSP指令：DSP芯片的另外一个特点就是采用了特殊的寻址方式和指令。比如，TMS320系列的位返转寻址方式，LTD、MPY、RPTK等特殊指令。采用这些适合于数字信号处理的寻址方式和指令，进一步减少了数字信号处理的时间。另外，由于DSP的时钟频率提高，执行周期的缩短，加上以上一些DSP结构特征使得DSP实现实时数字信号处理成为可能。2.1.2 DSP TMS320 F2812芯片的技术指标1、芯片运行速度为150M；2、工作速度可达150MIPS；3、片上RAM 18k16bit；4、片上扩展RAM存贮空间64K16Bit；5、自带16路12bit A/D,最大采样速率12.5msps；6、2路的DAC7528转换，10M/S，8Bit；7、一路UART串行接口，符合RS232标准；8、16路PWM输出；9、1路CAN接口通信；10、片上12816bit FLASH，自带128位加密位；11、设计有用户可以自定义的开关和测试指示灯；12、4组标准扩展连接器，为用户进行二次开发提供条件；13、具有IEEE1149.1相兼容的逻辑扫描电路，该电路仅用于测试和方针14、+12V电源输入，内部+3.3V、+1.8V电源管理；2.1.3 DSP F2812开发板的管脚功能说明F2812有四个用于二次开发的34芯外扩总线，分辨是J12、J13、J18、J19。J12扩展插座包含16根地址线和16跟数据线，可以用于读出和输出并行的数据；J13扩展插座包括F2812外部扩展总线的控制线、McBSP接口线、外部中断和外部复位等重要的引脚信号；J18扩展插座主要是AD和DA接口，J18仲扩展了所有的AD和DA引脚；J19扩展插座主要是扩展F2812开发板上空闲的DSP外设引脚，以便于制定硬件环境。由于交流采样系用只需要用到J18和J19扩展插座，下表就对J18和J19的管脚定义进行说明。表2.1 J18的管脚定义和说明管脚号管脚名说明管脚号管脚名说明1VCCA模拟电源+5V18AGND模拟地2VCCA模拟电源+5V19ADINB6模拟输入通道B63CAP1CAP输入端120ADINB7模拟输入通道B74CAP2CAP输入端221ADREFIN测试引脚5ADINA2模拟输入通道A222ADCREFLO模拟参考低电压输入6ADINA3模拟输入通道A323ADINA0模拟输入通道A07ADINA4模拟输入通道A424ADINA1模拟输入通道A18ADINA5模拟输入通道A525DAOUT1模拟输出通道19ADINA6模拟输入通道A626DAOUT2模拟输出通道210ADINA7模拟输入通道A72711ADINB0模拟输入通道B02812ADINB1模拟输入通道B129CAP3CAP输入端313ADINB2模拟输入通道B230CAP4CAP输入端414ADINB3模拟输入通道B331CAP5CAP输入端515ADINB4模拟输入通道B432CAP6CAP输入端616ADINB5模拟输入通道B533AGND模拟地17AGND模拟地34AGND模拟地表2.2 J19的管脚定义和说明管脚号管脚名说明管脚号管脚名说明1+5V电源由POWER提供的电源18GND地线2+5V电源由POWER提供的电源19T2CTRP定时器2比较输出3PWM1PWM1输出引脚20T3CTRP定时器3比较输出4PWM2PWM2输出引脚21T4CTRP定时器4比较输出5PWM3PWM3输出引脚22C1CRTIP比较器1比较输出6PWM4PWM4输出引脚23C2CRTIP比较器2比较输出7PWM5PWM5输出引脚24C3CRTIP比较器3比较输出8PWM6PWM6输出引脚25TDIRA定时器计数方向A9PWM7PWM7输出引脚26TCKINA定时器时钟输入A10PWM8PWM8输出引脚27SCITXB异步串口TX端B11PWM9PWM9输出引脚28SCIRXB异步串口RX端B12T1PWMT1输出引脚29SPSIMASPI主收主发端13T2PWMT2输出引脚30SPSOMASPI主发从收端14T3PWMT3输出引脚31SPICLKASPI时钟15T4PWMT4输出引脚32SPISTEASPI Slave发送使能16T1CTRP定时器1比较输出33GND地线17GND地线34GND地线2.2 运算放大器LM324介绍2.2.1 LM324工作原理LM324系列运算放大器是价格低廉的带差动输入功能的四运算放大器，可工作在单电源下。与某些单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。LM325具有以下优点：1.短路保护输出2.真差动输入级3.可单电源工作：3V-32V4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）5.每封装含四个运算放大器。6.具有内部补偿的功能。7.共模范围扩展到负电源8.行业标准的引脚排列9.输入端具有静电保护功能LM324内部集成四个运算放大器，每个运放相互独立，可以单独使用。从原理上说，集成运算放大电路实质上就是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。他的内部通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图所示。以下简单介绍个部分的功能。图2.1 集成运放的基本组成部分1) 输入级集成运放的输入级对于他的许多指标注入输入电阻、共模输入电压、差模输入电压和共模抑制比等等，起着决定性的作用，因此是提高集成运放质量的关键。为了发挥集成电路内部元件参数匹配较好、易于补偿的优点，输入级大都采用差分放大电路的形式。2) 中间级中间级的主要任务是提供足够大的电压放大倍数。从这个目标出发，不仅要求中间级本身具有较高的电压增益，同时为了减少对前级的影响，还应具有较高的输入电阻。尤其当输入级采用有源负载时，中间级的输入电阻问题更为重要，否则将使输入级的电压增益大为降低，失去了有源负载的优点。另外，中间级还应向输出级提供较大的推动电流，并能根据需要实现双端输入至单端输出的转换。为了提高电压放大倍数，集成运放中间级经常利用三极管作为有缘负载。另外，中间级的放大管有时采用复合管的结构形式。3) 输出级集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载的需要，同时还应具有较低的输出电阻以便增强带载能力，也应有较高的输入电阻，以免影响前级的电压放大倍数。一般不要求输出级提高很高的电压放大倍数。由于输出级工作在大信号状态，应设法尽可能减少出书波形的失真。此外，输出级应有过载保护措施，以防输出端意外短路或负载电流过大而烧毁功率管。集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称放大电路。4) 偏置电路偏置电路的主要作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。一般由三极管组成的电流源电路提供恒定的静态电流和有源负载。2.2.2 LM324的引脚、结构及其典型运用图2.2 LM324管脚图LM324管脚如上图所示，管脚3、5、10、12为“+”端，是四个运放的同相输入端，管脚2、6、9、13为“-”端，是四个运放的反相输入端，1、7、8、14为四个运放的输出端。输出端的电压与反向输入端的信号相位相反，而与同相输入端的信号相位相同。对于理想的运放，工作在线性状态时，输出电压与输入电压的关系为U0=Aod(Ui2-Ui1) （2-1）式中，Aod是运放的开环差模电压放大倍数。由于运放的开环放大倍数很大，所以其线性工作范围很窄。为了让运放能在比较大的输入电压范围内工作在线性区，就必须引入深度负反馈降低运放的放大倍数。当运放工作工作在线性区时，可组成各类信号运算电路，如比例、加减、微分和积分等。2.2.2.1比例运算电路比例运算电路的输出电压与输入电压之间存在比例关系，即电路可以实现比例运算，是其他各种运算电路的基础。比例运算电路根据输入信号解法的不同，有电路三种基本形式：反相输入、同相输入以及差分输入比例运算电路。图2.3 反相比例运算电路上图中，输入电压Ui电阻R1加到集成运放的反相输入端，其同相输入端经电阻R2接地。输出电压U0经Rf接回到反相输入端构成负反馈放大器。集成运放的反相输入端和同相输入端，实际上是运放内部输入级两个差分对管的基级。为了使差动放大电路的参数保持对称，应使两个差分对管基级对地电阻尽量一致，以免静态基流流过这两个电阻时在运放输入端产生附加的偏差电压。因此选择R2的阻值为R2=R1/Rf （2-2）而反比例运算运算电路的电压放大倍数为 （2-3）图2.4 同相比例运算电路上图中，输入电压连接至同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输入电压通过电阻Rf仍接到反相输入端，同时，反相输入端通过R1接地。为了使集成运放反相输入端和同相输入端对地电阻一致，R2电阻仍应为R2=R1/Rf （2-4） 同比例运算电路的电压放大倍数为 （2-5） 图2.5 差分比例运算电路上图中，输入电压Ui和Ui分别加在集成运放的反相输入端和同相输入端，从输出端通过反馈电阻Rf接回到反相输入端。为了保证运放两个输入端对地的电阻平衡，同时为了避免降低共模抑制比，通常要求R1=R1, Rf=Rf （2-6）差分比例运算电路电压放大倍数为 （2-7）2.2.2.2加法和减法运算图2.6 加法电路加法电路电压为 （2-8）若取R1=R2=R3=Rf=R式可简化为 （2-9）图2.7 减法电路减法电路电压为 （2-10）2.2.2.3滤波电路当运放工作在线性区时，还可以组成各式各样的滤波电路。由于集成运放是有源元件，因此由其构成的滤波电路通常称为有源滤波电路。图2.8 有源二阶低通滤波电路二阶有源低通滤波电路的通带电压放大倍数为 （2-11）通带截止频率为 （2-12）2.3开关式稳压电源芯片LM2596介绍LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V， 可调版本可以输出小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在4%的范围内，振荡频率误差在15%的范围内；可以用仅80A的待机电流， 实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）LM2596常常被运用于制作高效率降压调节器、单片开关电压调节器、正负电压转换器等。在本采样系统中，由于LM2596带载能力强，我们选用了LM2596的5V固定输出版本用于给所有需要5V供电的元件供电。2.3.1 LM2596的特点1) 3.3V、5V、12V的固定电压输出和可调电压输出2) 可调输出电压范围1.2V37V4%3) 输出线性好且负载可调节4) 输出电流可高达3A5) 输入电压可高达40V6) 采用150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高7) 低功耗待机模式，IQ的典型值为80A8) TTL断电能力9) 具有过热保护和限流保护功能10) 封装形式：TO-220（T）和TO-263（S）11) 外围电路简单，仅需4个外接元件， 且使用容易购买的标准电感2.3.2 LM2596的引脚及主要性能参数图2.9 LM2596引脚图 图2.1为LM2596的引脚图，每个引脚的极限参数如下：1) 1号管脚为VCC，最大电源电压为45V。2) 2号管脚输出管脚，输出电压为3.3V、5V、12V或者为小于37V的可调电压。3) 3号管脚为接地管脚。4) 4号管脚为反馈管脚，所能承受的反馈电压的范围是-0.3V-25V。5) 5号管脚为ON/OFF脚，所能承受的控制电压为-0.3V-25V。表2.3 LM2596的主要性能参数符号参量条件典型值极限值LM2596-3.3VOUT输出电压4.75VVIN40V，0.2AILOAD3A3.3V3.168V/3.135V3.432V/3.465V效率VIN=12V，ILOAD=3A73%LM2596-5.0VOUT输出电压7VVIN40V，0.2AILOAD3A5.0V4.800V/4.750V5.200V/5.250V效率VIN=12V，ILOAD=3A80%LM2596-12VOUT输出电压15VVIN40V，0.2AILOAD3A 12.0V11.52V/11.40V12.48V/12.60V 效率VIN=25V，ILOAD=3A 88%LM2596-ADJVOUT输出电压4.5VVIN40V，0.2AILOAD3AVOUT=3V，1.23V1.193V/1.180V1.267V/1.280V效率VIN=25V，VOUT =3V， ILOAD=3A73%VIN=25V，VOUT =15V，ILOAD=3A90%通过表2.3可知，LM2596仅需4个外接元件，就可以得到很好的转换效率。2.4 稳压芯片TL431介绍德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。2.4.1 TL431工作原理图2.10 TL431的符号上图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。TL431的具体功能可用图2.3的功能模块示意。图2.11 TL431功能模块由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管 图1 的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。2.4.2 TL431的引脚和其主要性能参数1）最大输入电压为37V2）最大工作电流150mA3）内基准电压为2.5V4）输出电压范围为2.530V2.5 LED八段数码管显示器数码管是一类显示屏，通过对其不同的管脚输入相对的电流会使其发亮，从而显示出数字。能够显示、时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。由于它的价格便宜，使用简单，在电器特别是家电领域应用极为广泛。2.5.1 LED数码管的分类1） 按段数分：分为七段数码管和八段数码管；2） 按位分：可分为1位、2位、4位等等；3） 按发光二极管单元连接方式分：可分为为共阳极数码管和共阴极数码管。2.12 四位共阴八段数码管图2.14 共阴八段数码管图2.13共阳八段数码管 2.5.2数码管驱动方式让数码管显示，需要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出所需的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动，是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动。数码管动态显示接口是目前应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的同名端连在一起，每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当输出字形码时，只有COM端电路被选同的数码管可以显示字型。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在动态驱动过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，就能显示一组稳定的数据。动态显示可以达到和静态显示一样的效果，并且能够节省大量的I/O端口。2.5.3数码管的显示段码图2.15 数码管段码八段数码管由八个长条状发光二极管排列组成。八个发光二极管排列成“日”字型，只需通过控制相应的发光二极管发光，就可以显示出0-9、A-F十六个字符。将高电平用“1”表示，低电平用“0”表示，那么发光二极管A-DP的电平可以用一个八位二进制数表示，这个二进制数就叫做发光二极管的段码。不同的数字有相应的段码所对应，并且共阴数码管与共阳数码管的段码为相反，段码也可以用相应的十六进制数表示。表2.4 共阴数码管段码表数字二进制段码十六进制段码数字二进制段码十六进制段码0001111113F8011111117F100000110069011011116F2010110115BA01110111773010011114FB011111007C40110011066C00111001395011011016DD010111105E6011111017DE011110017970000011107F0111000171表2.5 共阳数码管段码表数字二进制段码十六进制段码数字二进制段码十六进制段码011000000C081000000080111111001F991001000090210100100A4A1000100088310110000B0B100000118341001100199C11000110C651001001092D10100001A161000001082E10000110867111110007CF100011108E2.6 74LS164移位寄存器介绍74ls164是一个八位移位寄存器。移位寄存器除了具有存储代码的功能以外，还具有移位功能。所谓移位功能，是指寄存器里存储的的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。因此移位寄存器不但可以用来寄存代码，还可以用来实现数据的串行-并行转换、数据的运算以及数据处理等等。2.6.1 74LS164工作原理图2.16 74ls164逻辑图74ls164由八个触发器FF0、 FF1、 FF2、 FF3 、FF4、 FF5、 FF6、FF7和各自的输入控制电路组成。图中的SERIAL INPUTS为数据串行输入端，Q1QH为数据并行输出端。2.6.2 74LS164的引脚及级联74ls164芯片为十四管脚芯片，1、2号管脚为串行输入端，36和1013号管脚为并行输出端，7号管脚为接地，8号管脚为时钟信号端，9号管脚为控制管脚，高电平为开启，14号管脚为电源输入。图2.17 2 74LS164引脚图一个74ls164有八个并行输出端，当需要更多并行输出端时，可以采用多个74ls164进行级联的方式达到要求。多个74ls164芯片需要级联时，其时钟信号管脚要并联起来，并且下一个芯片的1、2号管脚需要连接到上一个芯片的13号管脚，即上一个芯片的最后一个并行输出口。这样，当多个74ls164连接起来后，在芯片之间也实现了移位功能，就实现了多路并行输出的目的。第三章 基于DSP的交流采样系统硬件的总体设计方案3.1 硬件电路设计思路交流采样系统的基本结构如下图。它主要由电压互感器、电流互感器、运放电路、DSP、继电保护电路、显示电路、电源电路几部分组成。电网的交流电进入电压互感器和电流互感器后，在其二次侧形成了相应的电压信号和电流信号，然后输入到运放电路中。经过运放电路的处理后，信号就输入到DSP的AD接口中。DSP对输入的模拟信号进行采样并通过算法进行计算，根据结果驱动显示电路显示出数据和判断继电保护电路是否应该动作。图3.1 硬件电路设计框图3.2 总体电路的布局我们将电路焊接在一块20cm20cm的电路板上，各个电路布局如图。电路板左上方为采样电路，包括电网的输入输出、变压器、电流互感器、电压互感器及其运放电路，右上方为电路所需的两个5V电源和动作电路，下方为数码管显示屏和与DSP通信用的IDE接口。图3.13 总体电路布局图3.3 电流互感器、电压互感器电路的设计电压互感器设计压降为将331v的电压降为2.5v，由于压降过大，我们采用两级降压，首先先用220v变12v的变压器将电压降至12v，然后通过电压互感器将把电压降为峰值为2.5v的正弦波。电流互感器的参数为5A/5mA，在电流互感器二次侧用一个470的电阻转换为电压信号。3.4运放电路的设计本采样电路的总体设计如图3.2所示，共包括四级运放电路。从互感器传来的信号，首先通过第一级运放，即电压跟随电路进行跟随，然后通过二阶有源低通滤波电路。再通过一个加法电路，将幅值有正有负的正弦波电压抬高，使其满足F2812的A/D的需求。此时信号为负最后，信号通过一个反相电路将被加法电路反相的信号再次反相。运放电路的作用是对信号进行细致的处理，设计的是否合理直接影响到采样的精度，所以设计时必须考虑电路可能会受到的干扰。经过分析，影响运放电路精度的因素主要有三：图3.2 运放电路总体设计图1、外围元件的精度。运放电路的效果完全取决于外围电路的连接方式和外围元件的值。所以在元件的选用上，尽可能选用高精度元件，并减少使用可调元件的数量。2、偏置电压的干扰。偏置电压是直接与经过滤波的电网信号进行叠加的信号，偏置电压信号的质量与采样信号质量直接相关。对于偏置电压的选择有两点要求，一是带载能力尽量好，二是电压稳定性必须高，三是电压的峰峰值必须尽量小。3、滤波电路元件的匹配。本电路设计为对电网工频的七次谐波进行滤波，即通带频率为小于350Hz。电容的性能和电阻的大小会对波峰的形状产生影响。基于以上的分析，我们将输入第一级运放的正弦波波峰最大电压设置为2.5V。3.4.1 跟随电路图3.3 跟随电路设计图跟随电路是从互感器输出的信号进入的第一级运放电路。跟随电路的作用是与电网隔离的作用。跟随电路没有电阻，运放的同相输入端与输出端相连，信号从运放的反相输入端输入，从输出端输出。输入信号与输出信号不仅幅值相同，相位也相同，电压放大倍数Af=1。3.4.2 二阶低通有源滤波电路信号从跟随电路输出后，就进入滤波电路。滤波电路截止频率设置为350Hz，只能通过工频信号和七次及以下谐波。由于电网中电压并不是标准的正弦波，在工频信号中参杂许多高次谐波。高次谐波对电网参数影响很大，将滤波电路通带设置为350Hz有利于准确采集电网信号。图3.4 二阶有源低通滤波电路图中，R1=R2=450KR3=10KR4=10KC1=C2=1pF二阶有源低通滤波的传递函数为： （3-1）式中；。根据上式可以计算出通带电压放大倍数为； （3-2）通带截止频率为 （3-3） （3-4）根据上式，可画出二阶低通滤波器的对数幅频特性图3.5 二阶低通滤波器的对数幅频特性3.4.3 偏置电路从滤波电路送出的信号是以U=0V为对称轴的交流正弦波，当信号通过偏置电路后，信号整体电压被抬高，并且被反相。图3.6 偏置电路电路图图中：R5=10KR6=10KR7=3.3KR8=10KU2=5V偏置电路的电压改变为 （3-5）3.4.4 反相电路由于偏置电路同时拥有偏置和反向的作用，信号通过偏置电路后，信号进入了负半周，反相电路则在不改变信号的相位和幅值的情况下再次对信号进行反向。图3.7 反相电路电路图图中：R9=22KR10=5.2KR11=6.8K反相电路的电压放大倍数为 （3-6）3.5 TL431 5V偏置电压产生电路的设计TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源，由于其稳定性，我们决定选用其产生偏置电路的5V偏置电压。图3.8 运用TL431搭建的5V稳压电路图中：R2=R3=10K;R1=200电路搭建完成后给电路输入12v电压，通过示波器可观察到电路输出电压为5V，峰峰值电压为50mV左右，电压精度可以满足偏置电路对偏置电压的要求。3.6 LM2596 5V电源的设计图3.9 LM2596 5V电源设计图图中：C1=680FC2=220FL=33H二极管：IN5824电路搭建完成后，输入12V电压，通过示波器可观察到电路输出电压为5V,峰峰值电压为150mV左右，最大输出电流为3A，可以满足需要12V电源的芯片的需求。3.7 继电保护电路的设计由于DSP I/O口的驱动能力不足以驱动继电器动作，所以我们利用三极管对信号进行放大，在I/O口之间加入一个电阻目的在于减小I/O口的输出电流，而续流二极管的作用是防止继电器动作瞬间由于继电器线圈的反向电动势击穿三极管。图3.10 跳闸继电器设计图当DSP通过I/O口发出跳闸指令时继电器应该立即跳开切断故障线路。继电保护电路由继电器、三极管、续流二极管、电阻组成，线路连接如下图所示。三极管C级接5V电源，B级接DSP信号，E接继电器线圈的一个管脚。继电器线圈的另一个管脚接地，并在继电器线圈两个引脚的两端反向接入一个续流二极管。当DSP的I/O口输出的3.3V高电平信号时，高电平信号从A进入三极管，三极管导通，继电器动作。当I/O口输出低电平时，三极管断开，继电器触点跳开。3.8 合闸电路的设计合闸电路由一个上拉电阻和一个开关组成。如图所示，电阻与开关串联，电阻的另一端接高电平，开关的另一端接低电平，电阻与开关之间的一条线接I/O口。当开关断开时，I/O口通过电阻与高电平相连。由于没有电流流过电阻，所以电阻的压降为零，I/O口电平与高电平点相等。当开关被按下时，线路中产生电流，电流从高电平点流出，通过电阻和开关，流入接地点。电阻上的压降为高电平点的电压，此时A点的电势与接地点相等，即为低电平。图3.11 合闸按钮设计图3.9 数码管显示电路的设计显示电路主要是为了显示采集的电压和电流信号的大小以及线路上的负载大小。综合经济性和实用性考虑选用数码管显示。选择使用74ls164移位寄存器作为数码管的驱动芯片。由于需要显示三个值，总共需要用到十个数码管，因为164芯片的可以通过移位功能将显示信号传递下去，所以十个数码管只需要一根数据线和一根时钟线就能被控制显示出来，程序也不复杂。图3.12 74ls164级联示意图3.10 系统软件的设计本次软件设计主要由键盘输入程序、LCD液晶显示程序、AD采样程序、通信程序构成。整个系统的软件结构包括主程序模块，初始化子程序模块和中断服务程序模块。主程序模块主要包括键盘扫描模块和显示模块。初始化子程序模块的功能主要是设置各个寄存器，使系统按照设计要求正常工作，并对各种变量进行初始化。主程序主要是调用初始化子程序对系统进行初始化，并启动系统中使用的定时器，然后进入循环体，查询键盘状态和调用显示子程序并等待系统中断。当发生中断时优先去执行中断服务程序,中断服务程序模块包括A/D采样模块、算法模块及与PC机的串行通信模块。在串行口中断中，主要完成与主机的信息传送与显示工作。其基本思路为：先通过键盘选择是进行通信还是测量，如果选择通信则调用通信子程序将保存在数据存储器中的计算得到的数据发送给上位机；如果选择测量，则先通过键盘输入所要选的中性点接地系统类型并用LCD进行显示；在对零序电压，零序电流进行采集，利用均方根值法对采样数据进行处理，计算出零序电流的有功分量和无功分量的有效值，再根据附加电阻测量绝缘阻抗的计算公式计算电阻r和电容c值，最后算出电网电容电流和电网对地绝缘电阻电流。最后由LCD显示、，返回主程序循环执行。第四章 系统的硬件调试和系统测试4.1 系统硬件的调试硬件系统的调试分为三个部分，第一是采样电路的调试，第二是显示电路的调试，第三是继电保护电路的调试。4.1.1 采样电路的调试将采样电路分为两个部分分别调试。首先将电源输入端插入插座，对比变压器一次侧与电压互感器二次侧的电压值，得出其电压变比。经过试验，变比为1/133，与设计值1/124.4相近，满足设计要求。将电流互感器的一次侧接入低压负载，运用调压器和滑动变阻器调整一次侧电流，检查其线性度和饱和电流。将信号发生器接入运放电路的输入端，将示波器接到运放的输出端。首先将波形发生器的波形调为0v，调整偏置电压，将在示波器中观测，使得波形稳定在1.5v。再将波形调为最大值为2.5v，最小值为-2.5v的正弦波，然后通过示波器观测其输出端的波形。经过试验，输出波形为最大值为2.56v，最小值为0.48v，与设计值最大值为2.5v，最小值为0.5v相近。由于电子元件产生的误差将在程序中给予矫正。4.1.2显示电路的调试显示电路有四根对外接线，分别为信号、时钟、5v电源、接地。首先将四根连线连入DSP，在程序中输入指令让数码管显示十个“8”，检查焊点是否出现虚焊、漏焊。然后修改程序程序，让数码管显示“0-9”十个数字，检查数码管段码是否有错。试验后发现显示电路可以正常工作。4.1.3 继电保护电路的调试跳闸继电器电路的调试：连接采样板的电源，用连接电源的一根引线碰触三极管的b引脚，通过观察指示灯的颜色可以知道继电器的开合状态，并且能听到声音。合闸按钮部分的调试：将万用表调至20V直流档，一个表笔接地，另一个表笔接到信号输出端。在没有按下按钮时，测得电压为5v，当按下按钮时，测得电压为0v，说明电路工作正常。4.2调试过程中存在的问题及解决方法在电路的调试过程中，发现电路有两处不合理的设计。第一是偏置电压峰峰值电压过大，严重影响到采样的精确度，第二是各级运放的电压放大倍数设置不合理，电压过低，造成容易受到外界信号的干扰导致信号严重失真。在改进之前，当时偏置电压是由LM2596-adj提供的，并且运放的设计偏置电压为1.5v。LM2596-adj是一个可调电压的开关式电源芯片，开关电源转换效率高，但是对外围电路的性能要求也高。开始C1和C2采用的是耐压值为16v的电容，用示波器观测得，平均电压为1.5v，但是峰峰值电压却达到了250mv-300mv，电压纹波达到了15%-20%，严重影响了采样的精度。我们查阅了LM2596的参考资料，将电容换成同样容量，但是耐压值为50v的电容后，通过示波器观测其输出波形，峰峰值电压下降到150mv左右的幅度。由于DSP的A/D的输入电压的范围为0-3V，最初在设计运放各级的电压时，并没有考虑到干扰信号，运放的输入电压最大值被限定为0.375v，经过运放一倍的放大、1.5v的偏置，变成0-3v的电压，虽然偏置电压已经被降低到一个可以接受的程度，由于考虑到对精度的影响，我们重新设计了运放电路，并且更换了偏置电压的产生电路，原LM2596电路被改造成为给显示电路、跳闸电路供电的电源。我们将运放电路的最大输入电压设置为2.5v，经过滤波电路后，电压被放大为5v，再经过偏置电路，成为0-10v，最后经过反相电路，将信号反相并将电压信号缩减为0-3v，然后送入