基于DSP的工频电量测试仪硬件电路设计

一．引言

现代企业的用电系统中，各种仪器仪表正得到越来越多的应用，而以单片机为内核的仪表由于速度和精度的问题，在很大程度上已不能满足人们对信息处理的需求。DSP 软件编程灵活，自由度大，实时运算速度,数据处理能力远远超过单片机.本文以TMS320VC33 DSP为核心，设计一种处理速度和准确度都较高的工频电量测试仪，来满足人们的实际需要。

二． 电路设计

1．电压取样跟随电路：图1为电路原理图,为了将系统0～400V的电压转换为用于测的

图1. 电压采样电路                        

图2. 电流采样电路

0～5V的电压信号，需要在回路中并联电阻。为提高精度，取流过电阻的电流为1mA，且电阻的温度应该很小，因此选用精度较大的电阻。为了保证分压信号在0～5Ｖ之间，选分压阻值R6=315K，R7=5K。

2. 电流取样跟随电路：图2为其电路原理图，为了将系统0～5A的电流转换为用于测量的0～10mA的电流，利用变压器可以实现电流信号的转换，当测量信号为5A时，原边和副线圈比例为1:500。器件的输入一般都是电压，所以需把电流信号转化为电压信号，只需在电流的输出端接一个500欧姆的电阻就可把10mA的电流转化为5伏的电压。

3. AD转换电路：采用AD73360 A/D 转换器，AD73360是AD公司推出的6通道模拟输入的16位串行可编程A/D 转换器。由于采用∑-A/D转换原理，具有良好的抗混叠性能，所以对模拟前端滤波器的要求不高，它能保证6路模拟信号同时采样，且在变换过程中延迟很小。本设计采用直流耦合的单端输入，图3为与DSP连接电路图。

图3 AD与VC33的连接图

4．倍频电路：为了启动A/D转换器和测量系统的频率，系统中必有倍频电路。采样电路采样得到的正弦波经OP-07比较器后变成了方波，其一周期内只有两个脉冲，用此脉冲启动A/D转换远达不到系统的要求。倍频电路的作用就是把方波变成更多的脉冲，波形变换如图4。

图4 倍频电路的波形变换图

CC4046在倍频电路中的作用是频率合成。利用PLL实现频率合成的原理图如图5所示。

图5 利用PLL实现频率合成的原理图

若晶体产生的频率为fs，经固定分频电路除以M后得到参考频率fr,则由fr=fs/M，被送到相位比较器的一个输入端上作比较基准，由VCO产生的频率f0被一个可编程分频器除以N后送到相位比较器的另一个输入端上与fr进行比较，当锁定后，则有：fs/M=f0/N   即f0=N/M fs。在此设计中，M=1，N=360，fs是由OP-07比较后产生的脉冲的频率。程序倍频器由CC4046组成，它产生360的分频。分频后的信号进入8253计数器，由计数器来计算频率。

5 模拟开关电路：在测电压和电流时，倍频器要分别和相应的电压采样电路和电流采样电路相连，就需要一个模拟开关进行选择，选用的模拟开关是CMOS的CC4053。CMOS多路模拟开关电路是由地址译码器和多路双向模拟开关组成，可以通过外部地址输入，经电路内部的地址译码器译码后，接通与地址码相对应的其中的一个开关。它允许从n线到1线的传送或1线到n线的信号分离，以及允许信号的并—串转换。CC4053是三组二路模拟开关。

6.CC4046与8253的连接：CC4046作为倍频电路使用时，其输出信号频率为它的输入信号频率的N倍，倍频电路由锁相环和N进制计数器组成，计数器插入在VCO输出和比较器之间。这样，当锁相环锁定时，计数器输出信号频率和锁相环输入信号频率 相等，从而在计数器时钟输入端（即VCO输出）得到倍频输出信号。其与8253的连接图如图6所示。

图6   4046与8253的连接图

7.串口通信的实现：为了扩大仪表的功能，使仪表能够方便的与上位机进行数据交换，为仪表设计了一个RS-232标准串行接口，TMS320VC33没有接收发送数据的功能，所以把8251作为VC33的一个串行通道。由于RS-232的电平与TTL电平不兼容，所以需要加MAX232E作为电平转换电路。8251A作为可编程通信接口器件与VC33构成的串行如图7所示。

图7  8251与VC33构成的串行接口图

由图可知:8251A的 、 、RESET等信号与VC33的相位端相连，8251A的D7～D0和VC33的低8位数据总线D7～D0相连。8251A的片选信号由地址译码电路74LS138的Y5提供， 与地址总线的A0相连，用于选择数据口和控制口。VC33的时钟经过8253分频后，送到8251A的 和 端，作为8251A接收时钟和发送时钟。

8. 电压转化电路设计：由于8251的TXD和RXD信号和PC机的串口电压不符, 所以在此之间加了一个电压转换器MAX232。其连接图如图8。其内部主要由一个将+5V变至+10V的电

图8  MAX232与RS-232的连接图

压倍增器，一个将+10V变至-10V的电压变换器以及两个发送器和两个接收器组成。使用时只需在外部连接4个电容，通过内部的双充电泵电压变换器，就可以实现升压和电压极性转换，把+5V变换成±12V，以作为驱动器的电源。通过这种芯片不但实现了TTL与EIA232C电平的转换，而且可同时完成正负逻辑之间的转换，使用起来非常方便。

9.存储器扩展：Am29LV800B是一个8M位，3.3V闪速存储器，该存储器有1M字节或512K16位字。16位字数据出现在DQ15–DQ0上；字节宽数据出现在DQ7–DQ0上。这个器件仅需要单个3.3V电源就可完成读、编程和擦除操作。也可以使用一个标准EPROM编程器编程和擦除器件。

图9  AM29LV800B与TMS320VC33的连结

该器件是用AMD的0.32µm技术制造，还具有旁路解锁编程和在线块保护/不保护的特点。标准器件提供70、90和120ns的访问时间，使得高速微处理器操作没有等待。

对于读和写功能器件仅需要单个3.3V电源供电。内部产生和调节编程和擦除操作所需的电压。根据AM29LV800B引脚的特性,其与TMS320VC33连结如图9所示。

此设计利用PAGE1*作为片选信号，即从VC33的引导2（400000h～7FFFFFh）引导闪存，是因为TMS320VC33把这部分地址正好映射到外部存储器.VC33的读为高电平,而AM29LV800B的输出使能OE#有效为低电平,所以在R和OE#之间必须加上个非门.W#可和WE#直接相连,存储器的复位引脚直接与VC33的复位引脚相连,使系VC33复位时,闪存器件也复位,为读写作好准备.用XF0作为检测RY/BY的状态位,由于采用字的格式,所以直接把BYTE接高电平。

此外，电路还包括以MAX706 设计的复位电路、看门狗电路、显示器、键盘电路等。，实现电压，电流，功率，电网频率，电网功率因数的测量。用户通过键盘可以方便地进行人机对话，实现各种功能；通过显示器可以及时看到测量数据，通过扩展存储器可以保存实验数据，通过异步串行通信口可以方便的同其他计算机进行信息传递和数据的交换共同完成各种功能。用该设计的工频电量测试仪在实际应用中，性能稳定，效果良好。

参考文献

[1] TMS320C3x User`s Guide  Texas Instruments  1998

[2] 支长义 雷天友 蔡丽丽. 浮点DSP原理及应用 电子科技大学出版社 2003

[3] MCS-51/96系列单片机原理及应用 北京航空学院出版社 孙涵芳  徐爱卿编著

[4] AD公司 ADC器件数据清单

[5] 电能计量基础  中国计量出版社张有顺等编著