電子式互感器是一種利用現(xiàn)代數(shù)字處理和光纖通信技術(shù)來實現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓、電流測量和保護的新型互感器裝置。ADS8344是TI公司生產(chǎn)的8通道、16位、高精度、低功耗A/D轉(zhuǎn)換芯片。TMS320LC545是TI公司生產(chǎn)的16位、低功耗、高速DSP芯片。文中介紹了ADS8344的主要特點，給出了其在電子式互感器高壓側(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中與TMS320LC545的接口設(shè)計。
引言
隨著信息技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)已逐漸成為一門主流技術(shù)，并在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。再加上光纖通信技術(shù)和傳感技術(shù)的日趨成熟完善，使得研制新型的電力互感器成為可能。本文介紹的電子式互感器是運用Rogowski線圈測量電流?利用電容分壓原理測量電壓，采用高速低耗A/D芯片和DSP處理器完成高壓側(cè)數(shù)據(jù)的實時處理，再經(jīng)E/O變換，以光纖作為信號傳輸媒質(zhì)，把高壓側(cè)轉(zhuǎn)換的脈沖信號傳輸?shù)降蛪簜?cè)進行測量保護的混合型電子式光電組合互感器。
1 電子式互感器高壓側(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
電子式互感器高壓側(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由信號預(yù)處理、A/D轉(zhuǎn)換、DSP主控和E/O轉(zhuǎn)換四部分組成。信號預(yù)處理部分接收各種傳感頭測量的模擬信號并對其進行一些預(yù)處理。比如：Rogowski線圈感應(yīng)的電動勢需經(jīng)一積分器變換成與一次電流同相位成正比的電壓信號;傳感頭測量的模擬信號必須經(jīng)過調(diào)壓，且要考慮一定的裕度，使其符合A/D芯片模擬通道的允許輸入范圍。A/D轉(zhuǎn)換部分主要是在DSP主控芯片的控制下實時將模擬信號變換成數(shù)字信號。E/O轉(zhuǎn)換部分是將數(shù)字信號經(jīng)過調(diào)制變成光脈沖信號，然后由光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)。
2 ADS8344的主要特點
2.1 ADS8344的結(jié)構(gòu)特點
ADS8344是一個高速、低功耗、16位逐次逼近型ADC，采用2.7V至5V單電源供電，最大采樣速率為100kHz，信噪比達84dB?帶有串行接口，它包含8個單端模擬輸入通道(CH0～CH7)?也可合成為4個差分輸入。100kHz時的典型功耗為10mV。參考電壓VREF的范圍從500mV到VCC，相應(yīng)的每個模擬通道的輸入從0V到VREF。自帶采樣/保持功能，采用20引腳QSDP封裝或20引腳SSOP封裝，工作溫度范圍為-40℃～+85℃。該芯片適合應(yīng)用在電池供電系統(tǒng)(如個人數(shù)字助理、移動通信)和測試裝置中。主要由多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣/保持器、參考電壓、A/D轉(zhuǎn)換器、比較器、控制邏輯電路和逐次逼近寄存器(SAR)等部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
2.2 ADS8344的引腳排列及說明
ADS8344的引腳排列如圖2所示，各引腳說明如下：
CH0～CH7：模擬輸入通道的輸入端，8個單端模擬輸入通道可合用為雙端差分輸入，所有通道的輸入范圍從0V到+VREF，未用的輸入通道應(yīng)接GND以避免噪聲輸入。
COM：模擬輸入的參考地，單端輸入通道的零地位點，直接接地或接地電位參考點。
SHDN：掉電控制位，當(dāng)為低時，芯片切換到低功耗掉電模式。
+VCC：電源輸入端，范圍為+2.7V～+5V。
DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端，在DCLK的下降沿時數(shù)據(jù)輸出，當(dāng)CS為高時，輸出為高阻態(tài)。
DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端，當(dāng)CS為低時，數(shù)據(jù)在DCLK的上升沿被鎖存。
DCLK：外部時鐘輸入端，該外部時鐘決定了芯片的轉(zhuǎn)換率(fDCLK=24fSAMPLE)。
CS：片選端，為低電平時，選中該芯片。
GND：參考地。
VREF：參考電源輸入端。
BUSY：模數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出引腳。當(dāng)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，該引腳輸出低電平，當(dāng)BUSY端產(chǎn)生一下降沿時，表示模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)輸出有效。2.3 ADS8344的工作特點
ADS8344的控制寄存器是一個8位只寫寄存器，數(shù)據(jù)從DIN引腳輸入，當(dāng)微機讀取完上次轉(zhuǎn)換結(jié)果時，下一個轉(zhuǎn)換通道的控制字節(jié)就寫到了DIN引腳，需要8個DCLK時鐘才能將完整的控制信息寫到控制寄存器。控制寄存器各位功能說明如下：
S：控制字節(jié)的開始位，為高時才表示輸入的字節(jié)有效。
A2～A0：模擬輸入通道選擇位。
SGL/DIF：模擬通道輸入方式選擇位。當(dāng)為高時，為單端輸入;為低時，為雙端差分輸入。
PD1～PD0：功率管理選擇位。
(1)模擬通道的輸入方式
ADS8344的8個模擬輸入通道可以設(shè)置成單端輸入或差分輸入。單端輸入時，各個模擬通道均輸入+IN信號，而從COM引腳接入-IN信號。雙端差分輸入時，通道CHO和CH4、CH1和CH5、CH2和CH6、CH3和CH7組合成差分輸入。當(dāng)芯片進入保持階段時，+IN和-IN的差分輸入信號送到內(nèi)部的電容器陣列上。-IN輸入的電壓范圍為-0.2V～+1.25V，+IN輸入電壓范圍為-0.2V到+VCC+0.2V。例如：若參考基準電壓為1.25V， 而COM引腳接地，則單端輸入通道的電壓范圍為0V～+1.25V;若基準輸入電壓為3.3V，而COM引腳接+0.5V，則單端輸入通道的輸入電壓范圍為+0.5V ～+3.8V。
(2)功率管理方式
ADS8344提供了靈活的功率管理模式，允許用戶在給定的通過率下獲得最佳的功率性能，可以通過對控制寄存器功率位PD0和PD1的編程設(shè)置來進行芯片的功耗管理。PD0=0，PD1=0時為自動關(guān)斷模式。在這種模式下，ADS8344在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時自動進入低功耗模式，當(dāng)下一次轉(zhuǎn)換開始時，芯片立即全部上電，不需要額外的延時，并且第一次轉(zhuǎn)換是有效的;PD0=0，PD1=1時為內(nèi)部時鐘模式;PD0=1，PD1=0時為預(yù)留模式;PD0=1，PD1=1時為完全功率模式，這種模式下的芯片總是上電的。
(3)時鐘方式
ADS8344可以由內(nèi)部時鐘執(zhí)行逐次轉(zhuǎn)換，也可以由外部時鐘來執(zhí)行，而在這兩種模式下，都是由外部時鐘來控制芯片數(shù)據(jù)的輸入/輸出。如果用戶想更換芯片的時鐘模式，則在芯片轉(zhuǎn)換到新的模式之前需要一個額外的轉(zhuǎn)換周期，因為PD0和PD1功率管理選擇位必須在時鐘模式轉(zhuǎn)換前被提前寫入到ADS8344的控制寄存器。
在外部時鐘模式下，外部輸入時鐘不僅控制了數(shù)據(jù)輸入/輸出芯片，而且也決定了A/D芯片的轉(zhuǎn)換速率。在內(nèi)部時鐘模式下，ADS8344芯片自行產(chǎn)生時鐘信號，這樣所連接的微機就不需產(chǎn)生SAR的轉(zhuǎn)換時鐘，轉(zhuǎn)換結(jié)果可以方便地輸出到微機。3 ADS8344的典型應(yīng)用
本文介紹的電子式互感器高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用TMS 320LC545作為主控芯片，選用ADS8344芯片實現(xiàn)對傳感頭輸出的各路模擬信號的實時采集和模數(shù)變換。高壓側(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要工作流程是：接收傳感頭輸出的模擬信號并進行預(yù)處理，然后送到A/D芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后經(jīng)過E/O變換成光信號輸出到光纖傳輸系統(tǒng)。
TMS320LC545是16位定點低功耗的數(shù)字處理器，工作電壓為+3.3V，片內(nèi)RAM為6kB，片外ROM為48kB，內(nèi)含一個標準串行口和一個緩沖串行口。兩者的接口設(shè)計如圖3所示。TMS320LC545的串行端口用內(nèi)部的CLKX?串行時鐘?和FSX(幀同步時鐘)配置為突發(fā)模式下工作，串行口寄存器SPC設(shè)置如下：FO=0，串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)都是16位;FSM=1，串行口工作在字符組方式，每發(fā)送/接收一個字都要求一個幀同步脈沖FSX/FSR;MCM=0，CLKX采用外部時鐘，該外部時鐘由低壓側(cè)通過光纖送上來，可確保高、低壓側(cè)時鐘一致;TXM=1，將FSX設(shè)置成輸出，每次發(fā)送數(shù)據(jù)時由片內(nèi)產(chǎn)生一個幀同步脈沖輸出。ADS8344的CS接TMS320LC545的FSX和FSR，使數(shù)據(jù)輸入和輸出的幀脈沖信號均由DSP產(chǎn)生;ADS8344的DCLK接TMS320LC545的CLKX和CLKR，從而使數(shù)據(jù)輸入和輸出的同步時鐘均來自DSP;ADS8344的BUSY接TMS320LC545的BIO，當(dāng)BUSY產(chǎn)生下降沿信號時，則通知DSP可以開始接收轉(zhuǎn)換結(jié)果了。
ADS8344的串行接口時序如圖4所示。當(dāng)CS為低時，ADS8344 通過DIN引腳接收由DSP芯片DX引腳發(fā)送過來的串行數(shù)據(jù)，并寫入A/D芯片的控制寄存器，這需要8個DCLK時鐘，前4個時鐘周期用于接收控制字節(jié)的開始位和通道選擇位，當(dāng)接收接下來的4個控制位時芯片同時對所選通道采樣，采樣完成后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng) BUSY產(chǎn)生一下降沿信號后DSP開始接收由DOUT輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果，16位串行數(shù)據(jù)需要16個DCLK時鐘，在接收串行數(shù)據(jù)的LSB位時，下一個通道的控制字開始輸入到A/D芯片。這樣，ADS8344完成一次完整的數(shù)據(jù)采樣保持、轉(zhuǎn)換和輸出共需要25個DCLK時鐘。
4 結(jié)論
電子式互感器具有傳統(tǒng)電磁式互感器無可比擬的優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)電壓、電流測量保護中有著廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>