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(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓、電流測(cè)量和保護(hù)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(diǎn)，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(jì)。
引言
隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)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(yùn)用Rogowski線圈測(cè)量電流?利用電容分壓原理測(cè)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(shí)時(shí)處理，再經(jīng)E/O變換，以光纖作為信號(hào)傳輸媒質(zhì)，把高壓側(cè)轉(zhuǎn)換的脈沖信號(hào)傳輸?shù)降蛪簜?cè)進(jìn)行測(cè)量保護(hù)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(hào)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(hào)預(yù)處理部分接收各種傳感頭測(cè)量的模擬信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行一些預(yù)處理。比如：Rogowski線圈感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)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(hào);傳感頭測(cè)量的模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)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(shí)時(shí)將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。E/O轉(zhuǎn)換部分是將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制變成光脈沖信號(hào)，然后由光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)。
2 ADS8344的主要特點(diǎn)
2.1 ADS8344的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
ADS8344是一個(gè)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(dá)84dB?帶有串行接口，它包含8個(gè)單端模擬輸入通道(CH0～CH7)?也可合成為4個(gè)差分輸入。100kHz時(shí)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(gè)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(gè)人數(shù)字助理、移動(dòng)通信)和測(cè)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(shuō)明
ADS8344的引腳排列如圖2所示，各引腳說(shuō)明如下：
CH0～CH7：模擬輸入通道的輸入端，8個(gè)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(diǎn)，直接接地或接地電位參考點(diǎn)。
SHDN：掉電控制位，當(dāng)為低時(shí)，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(shí)數(shù)據(jù)輸出，當(dāng)CS為高時(shí)，輸出為高阻態(tài)。
DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端，當(dāng)CS為低時(shí)，數(shù)據(jù)在DCLK的上升沿被鎖存。
DCLK：外部時(shí)鐘輸入端，該外部時(shí)鐘決定了芯片的轉(zhuǎn)換率(fDCLK=24fSAMPLE)。
CS：片選端，為低電平時(shí)，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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，該引腳輸出低電平，當(dāng)BUSY端產(chǎn)生一下降沿時(shí)，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(diǎn)
ADS8344的控制寄存器是一個(gè)8位只寫寄存器，數(shù)據(jù)從DIN引腳輸入，當(dāng)微機(jī)讀取完上次轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，下一個(gè)轉(zhuǎn)換通道的控制字節(jié)就寫到了DIN引腳，需要8個(gè)DCLK時(shí)鐘才能將完整的控制信息寫到控制寄存器?？刂萍拇嫫鞲魑还δ苷f(shuō)明如下：
S：控制字節(jié)的開始位，為高時(shí)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(shí)，為單端輸入;為低時(shí)，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(gè)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(shí)，各個(gè)模擬通道均輸入+IN信號(hào)，而從COM引腳接入-IN信號(hào)。雙端差分輸入時(shí)，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(jìn)入保持階段時(shí)，+IN和-IN的差分輸入信號(hào)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(zhǔn)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(zhǔn)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(guò)率下獲得最佳的功率性能，可以通過(guò)對(duì)控制寄存器功率位PD0和PD1的編程設(shè)置來(lái)進(jìn)行芯片的功耗管理。PD0=0，PD1=0時(shí)為自動(dòng)關(guān)斷模式。在這種模式下，ADS8344在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)下一次轉(zhuǎn)換開始時(shí)，芯片立即全部上電，不需要額外的延時(shí)，并且第一次轉(zhuǎn)換是有效的;PD0=0，PD1=1時(shí)為內(nèi)部時(shí)鐘模式;PD0=1，PD1=0時(shí)為預(yù)留模式;PD0=1，PD1=1時(shí)為完全功率模式，這種模式下的芯片總是上電的。
(3)時(shí)鐘方式
ADS8344可以由內(nèi)部時(shí)鐘執(zhí)行逐次轉(zhuǎn)換，也可以由外部時(shí)鐘來(lái)執(zhí)行，而在這兩種模式下，都是由外部時(shí)鐘來(lái)控制芯片數(shù)據(jù)的輸入/輸出。如果用戶想更換芯片的時(shí)鐘模式，則在芯片轉(zhuǎn)換到新的模式之前需要一個(gè)額外的轉(zhuǎn)換周期，因?yàn)镻D0和PD1功率管理選擇位必須在時(shí)鐘模式轉(zhuǎn)換前被提前寫入到ADS8344的控制寄存器。
在外部時(shí)鐘模式下，外部輸入時(shí)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(shí)鐘模式下，ADS8344芯片自行產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，這樣所連接的微機(jī)就不需產(chǎn)生SAR的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換結(jié)果可以方便地輸出到微機(jī)。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(shí)現(xiàn)對(duì)傳感頭輸出的各路模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)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(hào)并進(jìn)行預(yù)處理，然后送到A/D芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)E/O變換成光信號(hào)輸出到光纖傳輸系統(tǒng)。
TMS320LC545是16位定點(diǎn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行口和一個(gè)緩沖串行口。兩者的接口設(shè)計(jì)如圖3所示。TMS320LC545的串行端口用內(nèi)部的CLKX?串行時(shí)鐘?和FSX(幀同步時(shí)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(gè)字都要求一個(gè)幀同步脈沖FSX/FSR;MCM=0，CLKX采用外部時(shí)鐘，該外部時(shí)鐘由低壓側(cè)通過(guò)光纖送上來(lái)，可確保高、低壓側(cè)時(shí)鐘一致;TXM=1，將FSX設(shè)置成輸出，每次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由片內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)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(hào)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(shí)鐘均來(lái)自DSP;ADS8344的BUSY接TMS320LC545的BIO，當(dāng)BUSY產(chǎn)生下降沿信號(hào)時(shí)，則通知DSP可以開始接收轉(zhuǎn)換結(jié)果了。
ADS8344的串行接口時(shí)序如圖4所示。當(dāng)CS為低時(shí)，ADS8344 通過(guò)DIN引腳接收由DSP芯片DX引腳發(fā)送過(guò)來(lái)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(gè)DCLK時(shí)鐘，前4個(gè)時(shí)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(lái)的4個(gè)控制位時(shí)芯片同時(shí)對(duì)所選通道采樣，采樣完成后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng) BUSY產(chǎn)生一下降沿信號(hào)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(gè)DCLK時(shí)鐘，在接收串行數(shù)據(jù)的LSB位時(shí)，下一個(gè)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(gè)DCLK時(shí)鐘。
4 結(jié)論
電子式互感器具有傳統(tǒng)電磁式互感器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，在電力系統(tǒng)電壓、電流測(cè)量保護(hù)中有著廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>