Design f or High Perf ormance Power L ine Monitoring System Based on AD 7656
党瑞荣 汤小松 王成莉
(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安710065)
摘 要：本文介绍了一种基于AD7656的高性能输电线监测系统的设计方法，主要包括信号调理、数据采集、数据处理等几部分。整个系统使用6通道 16位高精度A/D 转换芯片AD7656，数字电路部分采用Xilinx 公司的FPGA 芯片,DSP 采用TI 公司的高性能浮点型数字信号处理器TMS320VC33。 关键词:AD7656；输电线监测；数据处理
0 引言目前，全球能源日趋紧张并将在很长时期内成为一种常态，加上国民经济的发展以及各国各行的技术产品的提升，因此，一方面电力用户对系统供电质量的要求越来越高。同时，电力用户各类非线性负载和冲击性负荷不断增加，尤其是大功率变流、变频装置等在电力系统中广泛应用，致使电网中的谐波等污染日益严重。这些都对输电线的实时精确监测提出了更高的要求，而如今电子技术及微处理器技
术的高速发展使得这种要求的实现成为可能。正是基于这种思想，本文介绍了基于AD7656的输电线监测系统，为对电能质量的监测和提
高提供科学准确的监测数据，提高电能质量及其使用效率。1 系统结构
整个系统包括电压互感器(PT )/电流互感器(CT )、信号调理、信号采集、数据处理等电路的设计。系统结构框图如图1所示。系统的工作过程如下：来自电压(电流)互感器的信号首先进入信号调理电路，经过滤波、放大后送给AD7656，经过模数转换后的数字信号进入FP 2G A 经过简单的预处理放进数据锁存器，最后根据系统
工作时序的中断要求又DSP 从FP G A 中读取所需数据进行进一步处理，处理完的数据根据需要再经过通信电路传输给远端主控制台
。
图1 系统结构框图
2 AD7656性能及原理介绍
211 主要性能
管道防爬刺AD7656是美国模拟器件公司推出的一款16位同
步采样高集成度的6通道16bit 逐次逼近(SAR )型ADC 芯片。可以满足高分辨率、多通道、高转换速率和低功耗的要求，主要应用于电力监控、仪器控制等系统。图2为
AD7656内部功能框图。
图2 AD7656功能框图
其主要特性为:
(1)双极性模拟输入;
(2)可通过管脚或软件方式选择电压输入范围:±10V ,±5V ;
(3)最大吞吐率250ksps ;
(4)低功耗：供电电压5V ，采样速率为250ksps 时功
1-甲基环戊醇耗为160Mw ;
本振频率(5)宽带宽输入：输入频率为50kHz 时的信噪比
(SNR )为85dB ;
(6)片上有215V 基准电压源和基准缓冲器;(7)有并行和串行接口;
8 《计量与测试技术》2008年第35卷第9期
(8)与SPI/QSPI/μWire/DSP 兼容的高速串行接
口;
(9)采用iCMOS 工艺技术;(10)64引脚QFP 。212 工作原理
AD7656是高速低功耗、允许6路同时采样的逐次
逼近式ADC ，包括1个比较器、1个模/数转换器、1个逐
次逼近寄存器(SAR )和1个逻辑控制单元。转换中的逐次逼近是按对分原理由控制逻辑电路完成，其工作过程如下：启动转换后，控制逻辑电路首先把逐次逼近寄存器的最高位置1，其他置0，逐次逼近寄存器的内容经过模/数转换器转换后得到电压值。这个电压值在比较器中与输入信号进行比较。比较器的输出反馈到模/数转换器，并在下一次比较前进行修正。在逻辑控制电路的时钟驱动下逐次逼近寄存器，不断进行比较和移位，直到完成最低有效位的转换。AD7656转换是通过脉冲调制CON 2VSTx 信号开始的，在CONVSTx 的上升沿，被选中的ADC 的跟踪保持电路会被置为保持模式，转换开始。在CONVSTx 信号的上升沿后,BUSY 信号会置1，这表示
转换正在进行。转换时钟是由内部产生的，转换时间是
从CONVSTx 信号上升沿开始的3
μs ，当BUSY 信号变为低电平，表示转换结束。在BUSY 信号的下降沿，跟踪保持电路返回跟踪模式，数据通过并行或串行接口从输出寄存器中被读出。系统中采用6路分三次触发采样，采样完成后再分别读出数据。图3示出AD7656并行接口字模式下的读操作数据流
。
图3 AD7656并行接口字模式下的读操作数据流(W /B =0)
3 硬件设计311 信号调理模块
电压(电流)互感器输出的往往是微弱的模拟信号。一般待测的输电线值小于互感器满度范围的5%，互感器输出典型值在±20mV 范围内，超出这个范围的信号很少出现；当出现大信号时一般认为是系统故障。在输电线监测应用中放大器的选择主要考虑是低噪声和低失调电压。低噪声放大器在测量交流小信号时很有用。鉴于此，本系统选择OP1177作为信号调理用运算放大器。OP1177运算放大器具有60
μV 失调电压最大值和017Μv/℃失调电压漂移最大值。在输电线监测时一个
变电站可能有几百个互感器组成一个大的监测系统，这
宽带接入服务器时就必须考虑功耗问题。OP1177系列放大器通常每只
放大器消耗的电源电流小于400μA 。信号调理部分电路如图4所示
。
图4 信号调理电路原理图
312 A/D 转换模块
模数转换模块是数据采集类系统设计的核心，它的设计是否合理是决定整个系统是否能达到应用要求的关键。本系统所选取的AD7656的性能及原理前面已经详述，它的性能参数、功耗也是满足系统要求的。在此只对数据采集准确度及稳定性有很大影响的外围电路加以阐述。在电路设计中，电源的质量最为关键，对ADC 来说尤其如此。由于整个输电线监测系统一块电路板上会有多片ADC ，所以在这里选择使用外部参考电源。芯片选用AD 公司的ADR241，提供215V 的参考电压。这样可以消除不同参考电压直接的偏差。另外,ADC 需要模拟电源和数字电源，如果模拟电路和数字电路使用同一个电源，会将有害的噪声耦合到系统。在此选用ADP3330这种低成本、低压差(LDO )稳压器产生5VD 优质电源，随着温度、负载和输电线电压的波动可达114%的准确度。
313 DSP 模块
DSP 采用TI 公司的TMS320VC33，它是32位高性
能浮点DSP 。其总线采用哈佛结构，运行速度快，其指令
周期分为13ns 和17ns ，在75M 主频时运算能力高达150MFLOPS ，并且拥有独特的指令结构，硬件的乘、加运
算可以采用并行指令，在单周期内可以完成一次整数或浮点数的乘法和AL U 操作，能够满足高速实时处理的要求；资源丰富，内部具有34K ×32的RAM ，可寻址空间16M ，一个32位的串口，两个定时器,4个外部中断源；可选择引导方式，其中三种是从外部存储器中引导，另一种是从串行口引导；功耗低，电源电压为313V ，内核供电电压为118V ，连续运行一般功耗小于200mW 。
DSP 的主要作用是将FP G A 缓存中的数据进行数
据处理。DSP 的内部RAM 虽然有很高的存取速度，但最大缺点是掉电后程序也将随之丢失。因此采取从外部存储器进行程序引导，系统中芯片采用AM29F010，速度
党瑞荣等：基于AD7656的高性能输电线监测系统设计
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高达1413MHz。上电后利用DSP内部固化的引导程序将程序引导到DSP芯片的RAM中，以便数据处理能全速运行。
314 FP G A模块
FP G A模块在本系统中主要完成DSP中断和ADC 等所需控制信号的产生,AD7656数据的读取，数据的采集存储等功能。在该数据采集处理系统中,FP G A是一个重要的组成部分。由FP G A组成的逻辑控制模块接收DSP传送过来的同步动作命令，控制A/D转换模块进行数据采集，并实现三相六路互感器数据的存储，同时完成ADC和DSP数据传输之间的电平转换。本系统中采用Xilinx公司的FP G A芯片XCS4010。该芯片内部系统门达4000门，其内部逻辑单元达1862个，系统资源比较丰富。FP G A作为一个独立可编程控制执行结构，通过编写相应的V HDL代码即可生成相应的操作电路，实现对输入信号的锁存、判断和处理及对各种控制信号的输出。
4 软件设计
整个系统软件设计的核心是对电压(电流)互感器采样得到的三相电压及电流数据进行处理计算。系统中每一相功率由一个电流互感器(CT)和一个电压互感器(PT)来表示，任意时刻的平均功率可以通过对每一互感器输出做实时大量采样，对采样数据做离散傅立叶变换并且完成必要的乘法个求和运算。如果使用快速傅立叶变换，可以提供高次谐波和其它高频分量，这样就可以计算系统损耗、三相不平衡度等其它信息。DSP主程序流程图如图5所示。
5 结语
本文在AD7656的基础上将DSP和FP G A相结合，设计了一套输电线监测系统。数据采集电路采用16
位高精度的ADC，模拟信号通道设计考虑了微弱信号检测、噪声抑制、滤波放大等电路。数字电路部分设计以DSP为核心，利用FP G A的时序严格、速度快、可编程性好等特点，将所需要的各种控制和状态信号引入FP G A，利用FP G A的大容量和现场可编程的优势，根据不同要求进行现场修改，提高了系统设计的成功率和灵活性。同时,DSP的引入极大的提高了系统的数据处理能力和速度。该系统采集精度高，速度快，并可同时采集多路信号。实验证明，该数据监测采集系统可适用于高精度、实时性信号的数据采集与处理，具有广泛的实用价值
dm134
。
图5 主程序流程图
参考文献
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[7]陈茹梅，郭建硕.AD7656型模/数转换器在信号采集系统中的应用[J].2006.
作者简介：党瑞荣，男，教授。工作单位：西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室。通讯地址:710065西安市电子二路18号西安石油大学236#信箱。
汤小松，西安石油大学光电油气测井与检测教育教育部重点实验室(西安710065)。
王成莉，陕西省高速集团西渭分公司(西安710038)。
收稿时间:2008-06-27
(上接第7页)
4 结束语
通过对上述三种方法进行综合比较和分析，脉冲功率法在需量精度和滑差需量线性度方面均较高，且不受功率波动的影响，值得广大电能表生产企业的推广和应用。
参考文献
柴油机启动器[1]JJ G596-1999电子式电能表国家计量检定规程.
[2]DL/T614-1997多功能电能表电力行业标准.
作者简介：陈萍，女，高级工程师。工作单位：成都市计量监督检定测试院。通讯地址:610021四川省成都市东风路北二巷5号。
周善超，成都市计量监督检定测试院(成都610021)。
收稿时间:2008-09-09
10
《计量与测试技术》2008年第35卷第9期
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