摘要:本文介紹了一種用于TCR裝置中的數據采集卡，給出了數據采集卡的硬件接口電路，并介紹了采集軟件的設計與實現。實踐證明，這種數據采集卡有著廣泛的應用前景。

　　關鍵詞:TCR；數據采集；硬件接口電路；軟件設計；

　   Abstract： The paper introduces the data acquisition card of TCR, It gives hardware interface circuit of the data acquisition card, The design and implementation of software is also introduced in this paper. The practice proved the card features with a wide application in the future.

      Keywords: TCR；data acquisition；hardware interface circuit；software design；

　　1引言

　　近年來，隨著大功率非線性負荷的不斷增加，電網的無功沖擊和諧波污染呈不斷上升的趨勢，無功調節手段的缺乏使得母線電壓隨運行方式的改變而變化很大，導致電網的線損增加，電壓合格率降低。采用TCR型靜止型動態無功補償裝置(SVC)對于消除軋機和其他大型電動機等對稱性負載所產生的無功沖擊是很有效的，并廣泛應用于冶金、采礦和電氣化鐵路等重要場合中。

　　數據采集單元是整個TCR裝置最為重要的部分之一，它的任務是要快速、準確地完成采集現場三相電壓、電流信號并進行轉換處理的任務，它決定了TCR裝置能否精確、快速地進行無功調節。以往的高壓無功補償裝置中數據采集部分通常僅由MCS51或96系列單片機系統構成。采用單片機內置的A/D轉換器進行數據采集。這樣不僅因為單片機集數據采集、處理、控制判斷與輸出于一身而負擔較重，而且因其沒有專門的浮點計算單元和16位精度的限制，使得計算時間較長且精度不高，不能滿足復雜的控制算法的需要，另外，由于電路外圍元器件較多，其控制方式的復雜也使得控制線增多，浪費單片機資源，增加了成本。

　　為解決上述問題，本文設計了一種新型數據采集卡，其具有采集時間快、轉換精度高、控制方法簡單、硬件電路少、運行安全可靠等特點。

　　2 TCR數據采集卡組成結構

　　TCR數據采集卡主要由三相電壓、電流互感器、隔離運放電路、A/D轉換電路、譯碼電路、DSP電路組成，組成框圖如圖1所示。TCR裝置首先通過三相電壓、電流互感器取樣得到系統的實時三相電壓、電流信號，然后經過隔離放大器隔離后送入A/D轉換器中，而此時DSP則發出控制信號，通過譯碼器來控制A/D轉換器進行模/數轉換，并在轉換結束后，把轉換結果送入DSP中，DSP會根據當前的電壓、電流數據計算出系統有功、無功情況并發出控制命令，調節系統無功。

　　　　圖1TCR數據采集卡組成框圖

　　3 TCR數據采集卡設計

　　3.1主要芯片電路簡介

　　圖2是數據采集卡中的電壓采集轉換電路連接圖（另一電流采集轉換電路連接圖與此相同），其中的DSP芯片采用TI公司新一代芯片TMS320F2812，其數據總線寬度為32位，地址總線寬度為24位，速度躍升到150M，芯片內置18K×16位SRAM，128K×16位FLASH，4K×16位BootROM，1K×16位OTPROM，還具有2×8通道、12-位、80ns轉換時間、0～3V量程的ADC，CAN總線收發器及12路PWM輸出等豐富的外設。A/D轉換電路選用的是是美國AnalogDevice公司的生產的AD7864，該A/D轉換器是一種高速、高精度、低功耗、四通道同步采樣的12位模數轉換器，采用+5V供電。芯片內部有一個12位逐次逼近式模數轉換器，4個跟蹤／保持放大器，內部2．5V參考電壓，片上時鐘振蕩器和一個高速并行接口。AD7864的轉換時間為1.65us/CH，采樣保持時間為0.35us，單通道最高采樣頻率為500kSPS。集成電路AD780為高精度參考電壓輸出，譯碼電路則選用74F138。

　　3.2數據采集卡硬件設計

　　如圖2所示，數據采集卡中的DSP（TMS320F2812）首先通過地址線A15—A13發出譯碼地址，并將其送入到譯碼電路（74F138）中，經過譯碼后從74F138的Y1—Y3輸出A/D轉換電路的控制信號RD1、RD2、CONVST，分別控制兩片AD7864來進行模/數轉換處理，此時，三相電壓、電流信號已經分別輸入到兩片AD7864中，只要控制信號發出啟動A/D轉換的命令，AD7864便開始進行模/數轉換，并將轉換后的數據送到TMS320F2812的D0—D11數據總線上。另外，A/D轉換器的參考電壓電路AD780的輸入端接入5V電壓同時對地并聯兩個濾波電容C1、C2，容值分別為10uF和0.1uF，用來濾除5V電源中的干擾電平信號，通過out引腳輸出2.5V的參考電壓，并將該電平連接到AD7864的VREF腳（參考電平輸入端），R1、R15、R16為AD7864的上拉電阻，阻值為10KΩ，U1—U3是三相電壓采樣值，已經輸入到AD7864的VIN1—VIN3中，此時，將AD7864的軟硬選擇信號H/SSEL置低，這時被選擇的轉換通道就由硬件通道信號的狀態來決定，由于需要對3路信號進行采樣，所以把SL1—SL3的3路通道全部選通。AD7864的12位數據DB0-DB11經過緩存與DSP數據線的低12位D0-D11相連，DSP另外高4位則始終為邏輯低；譯碼器74F138的Y3腳接到AD7864的CONVST引腳，CONVST信號由軟件控制來啟動AD7864的模數轉換。當片選信號為低電平時，則AD7864被選中，此時可以對AD7864進行讀寫操作。譯碼器74F138的Y2腳和AD7864的片選信號的組合作為AD7864的讀信號。全部通道轉換后的數據保存在AD7864內部相應的鎖存器中。當AD7864被片選，且RD為低時，DSP就可以按照轉換順序從數據總線D0-D11上并行讀取數據了。

　　圖2數據采集卡電路連接圖

　　3.3數據采集卡軟件設計

　　在軟件設計中只要求對交流通道進行采樣，而啟動后的A/D轉換信號連接于DSP的外部中斷腳，因此，數據采樣的工作由中斷采樣程序來完成。主程序首先對DSP寄存器進行初始化,包括IO口寄存器的配置、看門狗、定時器配置，清內部和外部RAM，初始化配置AD7864轉換通道數等，然后開中斷，進入循環，等待中斷。在中斷子程序中，定時中斷程序用于定時啟動A/D轉換，然后讀取數據總線上的轉換數據。讀取數據采用轉換完成后讀取數據格式。由于AD7864輸出數據編碼為二進制補碼，因此在數據空間開辟了兩個緩沖區存儲轉換結果。當緩沖區滿時置位緩沖區滿標志，當緩沖區中的數據處理完之后，緩沖區滿標志被清零，這樣可以防止數據在沒有被處理時被新的數據覆蓋。此外，DSP數據線有16位，而AD7864只有12位，并且數值都是以補碼表示的，由于在硬件處理中把送到DSP數據線高4位上的數據都置為0，所以對于AD7864送給DSP的負數，要想在DSP中表示正確，還需要進行符號位擴展。具體辦法就是對AD7864送給DSP的數據和0x800進行按位與運算，如果為真，則表示此數為負數，把此數和0xF000進行按位或運算，即在此數的高4位補上全1，這樣負數就能在DSP中正確地表示出來了。

　　4結束語

　　本文介紹一種應用于TCR裝置中的數據采集卡，并闡述了該數據采集卡的硬件電路和工作過程，說明了其軟件的實現方法。目前該數據采集卡已經在現場應用，實踐證明，該數據采集卡各通道高速數據流能夠正確采集和存儲，運行穩定，完全滿足TCR裝置高速、高精度數據采集要求。

　　參考文獻：

　　[1]萬山明。TMS320F281xDSP原理及應用實例北京航空航天大學出版社2007

　　[2]高輝，崔文進等。新型電力系統通用控制器的研究與實現電力系統自動化，2000（14）

　　[3]高光天。模數轉換器應用技術北京:科學出版社，2001

　　作者簡介：

　　王國強（1979-）男工程師/工程碩士研究方向：高壓無功補償裝置及高壓變頻器控制系統。

　　現任職：哈爾濱九州電氣股份有限公司電網事業部

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