ADS8344及其在电子式互感器高压侧数据处理系统中的应用

摘要：电子式互感器是一种利用现代数字处理和光纤通信技术来实现电力系统电压、电流测量和保护的新型互感器装置。ADS8344是TI公司生产的８通道、16位、高精度、低功耗A/D转换芯片。TMS320LC545是TI公司生产的16位、低功耗、高速DSP芯片。文中介绍了ADS8344的主要特点，给出了其在电子式互感器高压侧数据处理系统中与TMS320LC545的接口设计。 关键词：ADS8344；电子式互感器；数据处理；TMS320LC545 互感器主要用于电力系统基本参数的测量，同时为电力系统的计量、保护与监控单元提供信号。随着电力系统输电容量的增长和电网电压等级的提高，基于电磁式原理的传统互感器渐渐不能满足电力系统飞速发展的需要，呈现出一系列自身难以克服的缺陷。随着信息技术和计算机技术的高速发展，数字信号处理技术已逐渐成为一门主流技术，并在许多领域得到广泛应用。再加上光纤通信技术和传感技术的日趋成熟完善，使得研制新型的电力互感器成为可能。本文介绍的电子式互感器是运用Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈测量电流利用电容分压原理测量电压，采用高速低耗Ａ／Ｄ芯片和ＤＳＰ处理器完成高压侧数据的实时处理，再经Ｅ／Ｏ变换，以光纤作为信号传输媒质，把高压侧转换的脉冲信号传输到低压侧进行测量保护的混合型电子式光电组合互感器。 １ 电子式互感器高压侧数据处理系统 电子式互感器高压侧数据处理系统主要由信号预处理、Ａ／Ｄ转换、ＤＳＰ主控和Ｅ／Ｏ转换四部分组成。信号预处理部分接收各种传感头测量的模拟信号并对其进行一些预处理。比如：Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈感应的电动势需经一积分器变换成与一次电流同相位成正比的电压信号；传感头测量的模拟信号必须经过调压，且要考虑一定的裕度，使其符合Ａ／Ｄ芯片模拟通道的允许输入范围。Ａ／Ｄ转换部分主要是在ＤＳＰ主控芯片的控制下实时将模拟信号变换成数字信号。Ｅ／Ｏ转换部分是将数字信号经过调制变成光脉冲信号，然后由光纤传输到低压侧。 ２ ＡＤＳ８３４４的主要特点 ２．１ ＡＤＳ８３４４的结构特点 ＡＤＳ８３４４是一个高速、低功耗、１６位逐次逼近型ＡＤＣ，采用２．７Ｖ至５Ｖ单电源供电，最大采样速率为１００ｋＨｚ，信噪比达８４ｄＢ带有串行接口，它包含８个单端模拟输入通道（ＣＨ０～ＣＨ７）也可合成为４个差分输入。１００ｋＨｚ时的典型功耗为１０ｍＶ。参考电压ＶＲＥＦ的范围从５００ｍＶ到ＶＣＣ，相应的每个模拟通道的输入从０Ｖ到ＶＲＥＦ。自带采样／保持功能，采用２０引脚ＱＳＤＰ封装或２０引脚ＳＳＯＰ封装，工作温度范围为－４０℃～＋８５℃。该芯片适合应用在电池供电系统（如个人数字助理、移动通信）和测试装置中。 ＡＤＳ８３４４主要由多路转换开关、采样／保持器、参考电压、Ａ／Ｄ转换器、比较器、控制逻辑电路和逐次逼近寄存器（ＳＡＲ）等部分组成，其内部结构原理如图１所示。 ２．２ ＡＤＳ８３４４的引脚排列及说明 ＡＤＳ８３４４的引脚排列如图２所示，各引脚说明如下： ＣＨ０～ＣＨ７：模拟输入通道的输入端，８个单端模拟输入通道可合用为双端差分输入，所有通道的输入范围从０Ｖ到＋ＶＲＥＦ，未用的输入通道应接ＧＮＤ以避免噪声输入。 ＣＯＭ：模拟输入的参考地，单端输入通道的零地位点，直接接地或接地电位参考点。 ＳＨＤＮ：掉电控制位，当为低时，芯片切换到低功耗掉电模式。 ＋ＶＣＣ：电源输入端，范围为＋２．７Ｖ～＋５Ｖ。 ＤＯＵＴ：串行数据输出端，在ＤＣＬＫ的下降沿时数据输出，当ＣＳ为高时，输出为高阻态。 ＤＩＮ：串行数据输入端，当ＣＳ为低时，数据在ＤＣＬＫ的上升沿被锁存。 ＤＣＬＫ：外部时钟输入端，该外部时钟决定了芯片的转换率（ｆＤＣＬＫ＝２４ｆＳＡＭＰＬＥ）。 ＣＳ：片选端，为低电平时，选中该芯片。 ＧＮＤ：参考地。 ＶＲＥＦ：参考电源输入端。 ＢＵＳＹ：模数转换状态输出引脚。当进行模数转换时，该引脚输出低电平，当ＢＵＳＹ端产生一下降沿时，表示模数转换结束，数据输出有效。 ２．３ ＡＤＳ８３４４的工作特点 ＡＤＳ８３４４的控制寄存器是一个８位只写寄存器，数据从ＤＩＮ引脚输入，当微机读取完上次转换结果时，下一个转换通道的控制字节就写到了ＤＩＮ引脚，需要８个ＤＣＬＫ时钟才能将完整的控制信息写到控制寄存器。控制寄存器各位功能说明如下： Ｓ：控制字节的开始位，为高时才表示输入的字节有效。 Ａ２～Ａ０：模拟输入通道选择位。 ＳＧＬ／ＤＩＦ：模拟通道输入方式选择位。当为高时，为单端输入；为低时，为双端差分输入。 ＰＤ１～ＰＤ０：功率管理选择位。 （１）模拟通道的输入方式 ＡＤＳ８３４４的８个模拟输入通道可以设置成单端输入或差分输入。单端输入时，各个模拟通道均输入＋ＩＮ信号，而从ＣＯＭ引脚接入－ＩＮ信号。双端差分输入时，通道ＣＨＯ和ＣＨ４、ＣＨ１和ＣＨ５、ＣＨ２和ＣＨ６、ＣＨ３和ＣＨ７组合成差分输入。当芯片进入保持阶段时，＋ＩＮ和－ＩＮ的差分输入信号送到内部的电容器阵列上。－ＩＮ输入的电压范围为－０．２Ｖ～＋１．２５Ｖ，＋ＩＮ输入电压范围为－０．２Ｖ到＋ＶＣＣ＋０．２Ｖ。例如：若参考基准电压为１．２５Ｖ， 而ＣＯＭ引脚接地，则单端输入通道的电压范围为０Ｖ～＋１．２５Ｖ；若基准输入电压为３．３Ｖ，而ＣＯＭ引脚接＋０．５Ｖ，则单端输入通道的输入电压范围为＋０．５Ｖ ～＋３．８Ｖ。 （２）功率管理方式 ＡＤＳ８３４４提供了灵活的功率管理模式，允许用户在给定的通过率下获得最佳的功率性能，可以通过对控制寄存器功率位ＰＤ０和ＰＤ１的编程设置来进行芯片的功耗管理。ＰＤ０＝０，ＰＤ１＝０时为自动关断模式。在这种模式下，ＡＤＳ８３４４在每次转换结束时自动进入低功耗模式，当下一次转换开始时，芯片立即全部上电，不需要额外的延时，并且第一次转换是有效的；ＰＤ０＝０，ＰＤ１＝１时为内部时钟模式；ＰＤ０＝１，ＰＤ１＝０时为预留模式；ＰＤ０＝１，ＰＤ１＝１时为完全功率模式，这种模式下的芯片总是上电的。 （３）时钟方式 ＡＤＳ８３４４可以由内部时钟执行逐次转换，也可以由外部时钟来执行，而在这两种模式下，都是由外部时钟来控制芯片数据的输入／输出。如果用户想更换芯片的时钟模式，则在芯片转换到新的模式之前需要一个额外的转换周期，因为ＰＤ０和ＰＤ１功率管理选择位必须在时钟模式转换前被提前写入到ＡＤＳ８３４４的控制寄存器。 在外部时钟模式下，外部输入时钟不仅控制了数据输入／输出芯片，而且也决定了Ａ／Ｄ芯片的转换速率。在内部时钟模式下，ＡＤＳ８３４４芯片自行产生时钟信号，这样所连接的微机就不需产生ＳＡＲ的转换时钟，转换结果可以方便地输出到微机。 ３ ＡＤＳ８３４４的典型应用 本文介绍的电子式互感器高压侧数据采集系统采用ＴＭＳ ３２０ＬＣ５４５作为主控芯片，选用ＡＤＳ８３４４芯片实现对传感头输出的各路模拟信号的实时采集和模数变换。高压侧数据处理系统的主要工作流程是：接收传感头输出的模拟信号并进行预处理，然后送到Ａ／Ｄ芯片转换成数字信号，最后经过Ｅ／Ｏ变换成光信号输出到光纤传输系统。 ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５是１６位定点低功耗的数字处理器，工作电压为＋３．３Ｖ，片内ＲＡＭ为６ｋＢ，片外ＲＯＭ为４８ｋＢ，内含一个标准串行口和一个缓冲串行口。两者的接口设计如图３所示。ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的串行端口用内部的ＣＬＫＸ串行时钟和ＦＳＸ（帧同步时钟）配置为突发模式下工作，串行口寄存器ＳＰＣ设置如下：ＦＯ＝０，串行口发送和接收数据都是１６位；ＦＳＭ＝１，串行口工作在字符组方式，每发送／接收一个字都要求一个帧同步脉冲ＦＳＸ／ＦＳＲ；ＭＣＭ＝０，ＣＬＫＸ采用外部时钟，该外部时钟由低压侧通过光纤送上来，可确保高、低压侧时钟一致；ＴＸＭ＝１，将ＦＳＸ设置成输出，每次发送数据时由片内产生一个帧同步脉冲输出。ＡＤＳ８３４４的ＣＳ接ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的ＦＳＸ和ＦＳＲ，使数据输入和输出的帧脉冲信号均由ＤＳＰ产生；ＡＤＳ８３４４的ＤＣＬＫ接ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的ＣＬＫＸ和ＣＬＫＲ，从而使数据输入和输出的同步时钟均来自ＤＳＰ；ＡＤＳ８３４４的ＢＵＳＹ接ＴＭＳ３２０ＬＣ５４５的ＢＩＯ，当ＢＵＳＹ产生下降沿信号时，则通知ＤＳＰ可以开始接收转换结果了。 图4 ＡＤＳ８３４４的串行接口时序如图４所示。当ＣＳ为低时，ＡＤＳ８３４４ 通过ＤＩＮ引脚接收由ＤＳＰ芯片ＤＸ引脚发送过来的串行数据，并写入Ａ／Ｄ芯片的控制寄存器，这需要８个ＤＣＬＫ时钟，前４个时钟周期用于接收控制字节的开始位和通道选择位，当接收接下来的４个控制位时芯片同时对所选通道采样，采样完成后进行模数转换，当 ＢＵＳＹ产生一下降沿信号后ＤＳＰ开始接收由ＤＯＵＴ输出的转换结果，１６位串行数据需要１６个ＤＣＬＫ时钟，在接收串行数据的ＬＳＢ位时，下一个通道的控制字开始输入到Ａ／Ｄ芯片。这样，ＡＤＳ８３４４完成一次完整的数据采样保持、转换和输出共需要２５个ＤＣＬＫ时钟。 ４ 结论 电子式互感器具有传统电磁式互感器无可比拟的优势，在电力系统电压、电流测量保护中有着广阔的发展潜力。ＡＤＳ８３４４所具有的高精度、低功耗、多通道特性使之很适合应用在电子式互感器高压侧来完成数据的实时采集和转换。