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1、实验3 嵌入式电力参数测试系统硬件设计一实验目的1学习嵌入式电力参数测试系统中模拟量转换电路的设计方法。2学习电路原理图绘制软件的使用方法。3掌握三相交流电路电压、电流信号的处理方法，并完成电路设计及测试。4了解采样程序设计的步骤。二、实验原理1、本实验要完成的设计是对交流电的3相电压、3相电流及零序电压、零序电流进行变换，以利于A/D转换器的同步采样，进而完成有效值、功率因数等的计算。2、同步采样是保证计算精度的前提。3、电流互感器、电压互感器输出的信号要经过板上互感器的二次变换，才能被A/D转换器采集。三、原理框图设计图1 硬件系统框图微控制器模块是整个电压闪变检测仪硬件系统的核心，其中C
2、PU模块负责将A/D转换完成的数字信号进行数据处理和运算，将处理完成的数据通过液晶显示，并提供RS485通信接口进行数据传输；存储器单元模块是为了存储相应的检测数据和故障事件记录数据，人机接口模块的主要作用是实时显示计算完成的数据，并可以通过键盘改变相应的参数设置，选择显示的具体数据。电力信号采集模块由信号调理电路和A/D转换电路构成。信号调理电路的主要功能是通过电压、电流互感器将电网信号转换为一定幅值的电压信号（-5V+5V），以便A/D转换电路进行处理。数据通信模块主要是负责检测仪与上位机之间的通信功能，由RS485通信接口电路构成。四、电路原理图设计模拟量处理部分主要由DSP及其外围电路
3、、时钟电路、复位电路和JTAG仿真接口电路组成、电力信号采集模块电路、电源电路等几部分组成。（1）DSP及其外围电路本实验所选的核心CPU器件TMS320F2812具备较强的数据处理能力，DSP及其外围接线图如图2所示。 图2 DSP及其外围接线图3-8译码器用于DSP外扩AD转换单元，其中当地址范围在0X100000-0X17FFFF时，引脚XZCS67为低电平。 （2）时钟电路TMS320F2812内部有一个基于锁相环的时钟模块。这个时钟模块为系统提供了各种必要的时钟。基于锁相环的时钟模块有两种工作方式：一种是采用内部振荡器，使用内部振荡器时必须在X1和X2这两个引脚之间连接一个石英晶体，
4、一般选用30MHz。另一种工作方式是采用外部时钟，可以将输入的时钟信号直接接到X1引脚上，X2悬空，不使用内部振荡器。本文采用的是第一种工作方式，即采用内部振荡器，并配置相应的寄存器使系统主频在150MHz。时钟电路如图3所示。图3 时钟电路（3）复位电路实验选用MAX公司的复位芯片MAX811，它具有上电复位、手动复位等功能。主要用于监控电源的工作状态，当电源电压低于下限值时，产生复位信号，复位电路如图4所示。图4 复位电路（4）JTAG仿真接口电路TMS320F2812的仿真接口采用14脚信号线，JTAG仿真接口电路如图5所示。与传统的仿真接口电路相比较，JTAG是一种扫描仿真，采用扫描仿
5、真方便在线调试。程序代码通过扫描接口从电脑中下载到相应的硬件系统中的RAM存储器或者是烧写到FLASH存储器中。图5 JTAG仿真接口电路（5）信号调理电路电网电压和电流信号经过工业现场一次互感器后，其输出信号分别为0-100V和0-5A。将工业现场一次互感器输出的信号作为检测仪内互感器的输入信号。电压、电流互感器电路如图6所示。电压互感器：TR1139-1C，100V/1.768V。电流互感器：TR0107-2C，5A/1.768V。图6 电压、电流互感器电路（6）A/D转换电路AD7656是美国ADI公司生产的低功耗、高速、6通道、16位A/D转换芯片，片内有6个独立的转换器和保持器，可同
6、时对6路模拟信号进行转换(6个通道分成3组，每一组有一个转换启动引脚CONVSTx)。转换速率为250kSPS，每次转换时间为3s。工作频率为5MHz，内核模拟工作电压为+5V，数字接口工作电压为+2.7V+5.5V，因此可与+3.3V微处理机直接连接。模拟输入为双极性输入(5V、10V、12V)，需要12V双电源，本实验模拟输入电压范围选择5V，输出二进制补码。A/D转换电路如图8所示。图7 A/D转换电路V1-V6为六路模拟量输入，DB0-DB15为A/D转换结果，VDD接+12V，VSS接-12V，AVCC接+5V，AGND接地，6个通道分成3组，每一组有一个转换启动引脚CONVSTx，
7、将CONVSTA、CONVSTB、CONVSTC接到一起，接至DSP中的T1PWM_T1CMP上，通过DSP控制CONVST管脚启动6路模拟量同时转换转换，并保持该信号为高电平。AD7656启动转换信号后自动输出BUZY信号，BUZY管脚接DSP的外部中断管脚，当BUZY信号下降沿时，代表转换全部完成。此时，BUZY管脚触发DSP的外部中断，在外部中断服务程序中读出A/D转换完成的数据。（7）电源模块电路整个系统的电路中需要用到的电压有5V、3.3V和1.8V。本实验选用的开关电源的输入电压为220V交流电压，输出为+12V和-12V的直流电压信号。为了获得电路中需要的5V、3.3V和1.8V
8、的电压等级，选用了LM2576和TPS767D318这两种电源转换芯片。其中LM2576芯片的主要作用是12V电压转换成5V信号，其电路图如图8所示。TPS767D318芯片的主要作用是将5V信号转换为DSP需要的3.3V和1.8V，电路图如图9所示。图8 LM2576电压转换电路图9 TPS767D318电压转换电路五.建立数据文件已知Ua=100sin(wt)，Ub=100sin(wt-120)，Uc=100sin(wt+120)，Ia=5sin(wt-30)，经过电压互感器TR1139-1C，100V被转变为1.768V，经过电流互感器TR0107-2C，5A被转变为1.768V。AD7
9、656是美国ADI公司生产的16位A/D转换芯片，本实验模拟输入电压范围选择5V，故0x0001代表=0.152mV。通过Matlab可以得到以下数据文件，其中负值用补码表示。（1）Ua=100sin(wt)数据文件的建立在Matlab中键入： x=0:pi/16:31*pi/16; y=1768*sin(x)/0.152; y(find(y0)=y(find(y y=0 2269 4451 6462 8225 9671 10746 11408 11632 11408 10746 9671 8225 6462 4451 2269 0000 63267 61085 59074 57311 558
10、65 54790 54128 53904 54128 54790 55865 57311 59074 61085 63267; dec2hex(y)ans =000008DD1163193E202125C729FA2C902D702C9029FA25C72021193E116308DD0000F723EE9DE6C2DFDFDA39D606D370D290D370D606DA39DFDFE6C2EE9DF723故其数据文件如下所示：1651 1 0 1 00X00000X08DD0X11630X193E0X20210X25C70X29FA0X2C900X2D700X2C900X29FA0X25
11、C70X20210X193E0X11630X08DD0X00000XF7230XEE9D0XE6C20XDFDF0XDA390XD6060XD3700XD2900XD3700XD6060XDA390XDFDF0XE6C20XEE9D0XF723（2）Ub=100sin(wt-120)数据文件的建立在Matlab中键入： x=0:pi/16:31*pi/16; y=1768*sin(x-2*pi/3)/0.152; y(find(y0)=y(find(y x=0:pi/16:31*pi/16; y=1768*sin(x-pi/6)/0.152; y(find(y0)=y(find(y10/(216)/1.768*100=0.0086305即为电压转换系数+-5+-1.768/+-5216-10/(216)/1.768*5 =0.0004315即为电流转换系数13
