AD73360在电力负荷控制终端中的应用

摘要：AD73360是适用于工业电表和多路输入系统的可编程三相电量测试IC器件。文中介绍了ADSP-BF531与AD73360组成的多路数据采集系统在电力负荷控制终端中的设计和应用方法。
关键词：数据采集；电力负荷；AD73360；ADSP-BF53l

O 引言
    电力负荷控制终端是安装于用户端的监控设备，担负着电力负荷管理系统的数据采集、用户控制、信息交流等重要任务，是电力负荷管理系统的基础。它不仅可以接受负荷管理中心的遥控命令，按照中心发来的购电量或计划用电指标实现当地功率和电量控制，而且也可将用户的用电情况返回给中心。
    在电力负荷控制终端中，数据采集精度直接影响着系统的工作性能。而在周期性电参量的测量中，进行同步采样是准确测量实时信号的关键。除了要检测每相电压和电流值，它还要检测彼此之间的相位，因此会要求对几路信号进行同时采样。本文在电力负荷控制终端产品开发中，选用数字信号处理器ADSP-BF531作为系统的技术核心，同时选用16位A／D转换器AD73360作为系统的前向通道的核心器件。实践表明，AD73360适用于作为电力参数测量的模拟前端器件，对电力参数的测量具有很好的精度和稳定性。

1 AD73360简介
    AD73360是ADl公司推出的可编程通用6通道16位精度串行模拟输入前端处理器，是应用于工业电表或多路输入系统的三相电量测试IC器件。它的每个通道均由信号调理器、PGA (可编程增益放大器)、模拟∑-△调制器、抽样器及串行端口等组成。由于其具有内部PGA和独立模拟前端，故可直接对微小的传感器信号进行调理采集；∑-△型ADC一般不要求高精度的模拟电路。但需要将普通的信号转化为差动信号后才可接入采集。而AD73360在前端设计了信号调理模块，它允许用户的输入信号为单端或差动形式。因而可以有效减小外围电路的数目和复杂程度。
    AD73360特别适合于要求同时采样的工业控制应用，它不仅适合于大信号应用，也适合于小信号应用。AD73360具有六个可同时采样的模拟量输入信道，这六个信道可同时采样，并且无须CPU干预．从而可有效地减少由于采样时间不同而产生的相位误差。各个信道的采样速率可以方便地利用控制字在8 kHz、16 kHz、32 kHz和64kHz中进行设定．所以特别适合于三相制电力运行参数测控类应用(三个相电压和三个相电流同时采样)系统。
    此外，与并行接口相比，AD73360使用六线工业标准同步串行接口与CPU连接，因而其硬件连接线可以大为减少，这不仅可以减少印制电路板的面积，还可以减少电磁干扰，从而提高系统的可靠性和稳定性。

2 采样电路设计
    交流电压、电流的采集是整个采样装置的核心之一。它的采样精度将直接影响到电能计算的精度。由于负荷管理终端要经常工作在恶劣的环境下，因此，在设计过程中，要考虑EMC电磁兼容性设计和去干扰尖脉冲，以利于FFT算法操作，并减少误差。
    本设计由互相隔离的5 V模拟电源和3．3 V的数字电源分别为芯片供电。由于芯片的参考电压的稳定程度直接影响到采样的精度，所以电路外接了TI公司的电压基准源REF3040来为芯片AD73360提供参考电压基准，并在基准电路中添加了电容对地滤波以消除干扰。由于是直接对电网的信号进行采集。电网中可能出现的浪涌电压或电流会对采集电路造成很大的冲击，所以，在互感器前端添加了扼流圈和压敏电阻以增强其抗浪涌干扰的能力。
    由于AD73360使用的是过采样技术(oversam-piing)，其前端信号通道只需要用简单的一阶低通滤波器即可消除混叠效应。在图1所示的电压采样电路中。UAl和UN是电压互感器的输入信号，是工网的电压信号。其中的SMBJ5．OCA可起到稳压和去尖脉冲的作用。三个电容起滤波和平滑作用。该电压互感器的精度为0．1级。而在图2所示的电流采样电路中。IAl和INl是电流互感器二次侧的电流信号，它可由26Ω(1％)的高精度电阻转换成电压信号．并送入AD73360进行采样。电容的作用也是起滤波和平滑的作用。电流互感器的精度也是0．1级。

由于电力负荷控制终端常常要工作于恶劣的环境中．因而必须正确处理“模拟地”和“数字地”。由于数字电路是非线性的，其逻辑门的开关都会产生电流冲击，因而在数字地上的高频会产生强烈扰动，因此，数字地和模拟地不能有共同路径或者环路，只应单点连接。为了尽量减小A／D模拟部分和数字部分间的干扰，可采取数字和模拟部分单独供电的方式。其中，数字电源和模拟电源与地线之间都应用0．01μF的陶瓷电容和4．7μF的钽电容并联去耦。图3所示是模拟地和数字地之间的连接电路。

3 接口设计
    这样合适的处理器芯片是谐波电能计量结果准确性的重要保证。三相多功能谐波电能表要求能准确计量基波和2～21次谐波的各次电能，其要求的采样频率为fs≥2fmax=2x21x50 Hz=2 100 Hz。FFT算法通常取采样点数为2N。根据AD73360的转换速度以及ADSP-BF53l的数据处理速度。本设计取N=9，即采样点数为29=512。ADSPBF531在主频300 MHz时可实现每秒6亿次乘加，完全可以满足对AD73360的各种控制、数据转换、读取和保存等各项操作指令的时间要求。
    ADSP-BF53l处理器有2个SPI兼容端口，能够使控制器与多个SPI兼容的设备通信。SPI端口提供有全双工的同步串行接口，可支持主从模式和多主环境。另外，SPI的波特率和时钟相位／极性都是可编程的，而且都集成有一个DMA控制器，可配置为发送或接收数据流。而SPI的DMA控制器在任意给定时间，只能进行单向访问。故在传输过程中，SPI端口在2个串行数据线上可以通过移入和移出数据．来同时完成发送和接收工作。它的串行时钟线可以保持2条串行数据线上的数据移位和采样同步。
    AD73360和ADSP-BF53l的接口电路如图4所示。由于AD73360和ADSP-BF531都支持工业标准的六线同步串行口。因而两者之间的接口电路非常简单。图4中的四个帧同步信号连接成帧同步返回环方式，即让AD73360的输出帧同步信号SDOFS输出到AD73360的输入帧同步信号SDIFS，而让BF531的发送帧同步信号TFS输出到接收帧同步信号RFS。这样，无论是发送帧同步信号还是接收帧同步信号，都会被强迫与SDOFS保持同步。AD3360的数据输入信号SDI和数据输出信号SDO分别与BF531的数据发送信号DX和数据接收信号DR相连。BF53l的标志输出信号XF连接到AD73360的使能信号SE和复位信号。

4 软件设计
    本系统的软件流程如图5所示。AD73360有编程模式、数据模式和混合模式3种工作模式。在编程模式，它只接收控制字，输出无效的转换数据；数据模式下，输入的控制字被忽略，可输出有效的转换数据；混合模式下，允许在数据转换过程中接收控制字。AD73360的串行接口可连接到工业标准ADSP-BF531设备上，串口的连接速率可由DSP芯片接口编程设定。

    AD73360在程序数据模式下工作时，将首先进入程序方式并向AD73360写控制字，然后再切换成数据方式，但在从AD73360读数据后，系统将不再切换回程序方式。而在混合模式下，系统总是在程序方式和数据方式之间不断的切换工作，以在AD73360读数据期间改变其配置。
    AD73360的同步串行接口能够识别长度为16位且来自DSP的控制字。由于AD73360的控制字和转换数据都是16 bit，因此，BF531传送的每个字的宽度也应设置为16 bit。AD73360内部共有八个控制寄存器，分别是CRA～CRH，其占用的地址分别为0～7，每个长度为8位。BF53l的一个重要功能是可支持DMA传输。而且此时可以不需要CPU的干预来进行数据存贮和访问。在传输过程中。每帧数据包括6通道采样值。并采用DMA方式进行数据接收，同时在其六个通道接收完成后产生一个中断。

5 结束语
    本文对芯片AD73360在电力负荷控制终端中的应用进行了分析和研究，并已将研究方案应用于实际的产品之中，从而实现了电力负荷控制终端中数据的稳定采集，而且效果良好。