基于DSP的通信电源监控系统的设计

1基于DSP的通信电源监控系统的设计尹波王兆敏泰开集团山东泰开成套电器有限公司在现代通信系统中,通信电源对于确保通信系统运行的稳定性和可靠性，显得尤为重要，对于电源的监测和控制是通信系统中一个重要的环节。在通信电源的监测系统中不但要对线路中的电压量、电流量、供电频率以及开关量的状态进行监测，而且还要计算出线路的有功功率、无功功率、功率因数以及电网中的谐波分量。在数据采集时要保证对电压信号、电流信号同步进行采样，以保留接收到的各路信号之间的相位信息，从而在随后的处理中解算出各路信号之间的时延关系。基于此目的我们设计了以DSP芯片TMS320VC5416、A/D转换器AD73360为核心的6路同步信号采样系统。一、系统总体方案系统总体构成如图1所示，在系统中信号调理模块将外部输入信号进行放大A/D转换模块看门狗模块DSP芯片TMS320VC5416大规模可编程门阵列CPLD芯片时钟模块FLASH模块SRAM模块通信模块TLC16C552开关量输入输出模块RS485模块MCBSP信号调理模块外部信号输入图1系统总体构成调理以满足A/D转换器模拟信号输入的量程要求；A/D转换模块采用AD73360芯片，将输入的模拟量数字化，并通过其同步串口MCBSP口输出至DSP；时钟模块采用DS1305芯片，通过其自身的SPI接口与DSP进行数据传输，时钟模块为整个系统提供时基；看门狗模块用于提高系统的可靠性；通信模块采用TLC16C552器件，为系统提供两个串行口，实现系统间的通信；FLASH模块采用AMD29LV800BT，容量为512K-16BIT，一方面用于永久存储重要数据和参数，另外FLASH还用于存放系统程序，以供DSP上电引导；SRAM模块采用CY7C1041，容量为256K-16BIT，用于暂存数据；开关量输入输出模块为系统提供24个I/O接口，用于监测外部开关量的状态，并对外部设备进行控制；CPLD模块用于实现系统间的逻辑控制和地址映射；DSP芯片TMS320VC5416为系统核心器件，用于实现系统的控制和数据的运算处理。DSP芯片具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点,满足了对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。系统数据采集处理工作过程是：外部输入信号通过信号调理模块进入A/D转换模块，转换后的数据经同步串口MCBSP进入DSP，通过DSP片内集成的DMA通道，将数据读入缓存，当缓存内数据数量达到处理要求，DSP产生中断，对数据进行处理保存。通过DSP的DMA技术和中断技术实现数据边采集边运算。二、DSP与A/D变换器AD73360的接口设计1.DSPTMS320VC5416MCBSP原理及控制TMS320VC5416片上提供3个MCBSP口，该串行口是一种高速、同步、带缓冲的串行接口，它支持多种通信方式，在硬件连接上可以配置为SPI接口，该串口可以根据设计者的不同需求方便的与其它器件接口。MCBSP口物理上包括6个引脚，分别是串行数据发送信号DX、串行数据接收信号RX、发送时钟信号CLKX、接收时钟信号CLKR、发送帧同步信号FSX和接收帧同步信号FSR。由于MCBSP内带有一个可编程的采样和帧同步时钟产生器，所以串口接收、发送时钟和帧同步等信号既可由内部产生，也可以由外部输入。可以看出，该串口接口方便简单，可以实现器件间高速通信，尤其对于高分辨率的A/D转换器件大多采用MCBSP接口。它的主要特点如下：全双工的串行通信；连续的发送和接收数据流功能；具有外部时钟输入或内部可编程时钟两种时钟控制方式；可独立编程的发送和接收帧同步；多通道数据传输（最多可达128个通道）；可选的数据宽度：8、12、16、24、32位；用于数据压缩的μ律和A律压缩扩展；可编程的时钟和帧同步极性。MCBSP发送接收原理如图2所示：在发送数据时，首先将要发送的数据写到发送寄存器中，若发送移位寄存器为空（说明上一次发送的数据已经由DX引脚送出），则将发送寄存器中的数据拷贝到发送移位寄存器中；然后在发送帧同步FSX和发送时钟CLKX的作用下，将发送移位寄存器中的数据逐位移到DX引脚输出。在数据从发送寄存器复制到发送移位寄存器后，就可以将下一个要发送的数据写到发送寄存器中，从而可以保证数据的连续发送。串口接收数据的原理与发送基本类似，区别是数据移动方向相反，并且多通道串口的接收带三个缓冲器。接收移位寄存器接收缓冲寄存器μ律或A律扩展μ律或A律压缩接收寄存器发送移位寄存器发送寄存器RXDX外设总线图2MCBSP发送接收原理对于同步串口的控制主要通过片上MCBSP控制寄存器及子地址寄存器来完成。配置FSR、FSX、CLKR、CLKXY引脚为输入还是输出以及它们的极性；配置传输数据是单相位还是双相位帧同步；配置每帧所包含的数据个数；配置传输数据的字宽（若为双相位帧同步，每一相位对应的字宽可设为不一样）；配置第一个帧同步之后的帧同步是否被忽略；配置数据位的延迟；配置数据的符号扩展方式；配置所选择的传输通道；若采用内部产生时钟和帧同步信号，还需要对时钟和帧同步产生器进行配置。对于DSP和MCBSP之间数据传输一般采用的DMA通道和中断技术来完成。2.串行A/D转换器AD73360原理及控制AD73360是AD公司生产的6通道输入带MCBSP接口的同步A/D转换器，输出数据分辨率为16位，最大采样率为64K/S,该器件采用Σ-Δ转换原理，具有良好的内置抗混叠性能，由于其采样率和输入信号增益都是可编程的，采样率可分别设置为64K、32K、16K、8K（输入时钟为16.384M时）信号增益可在0dB到38SdB之间选择，因而它既适合于大信号的应用，也适合于小信号的应用。AD73360能保证6路模拟信号同时采样，且在变换过程中延迟很小。在数字接口方面，除了与DSP有相同的串口引脚外，AD73360还提供了串口使能引脚SE、主时钟输入引脚MCLK、串行输出时钟引脚SCLK。SE为高电平时MCBSP口被使能，MCLK为外部时钟输入信号，通常由外部时钟驱动，MCLK进入AD73360之后，首先被分频产生DMCLK，然后由DMCLK分频产生串口时钟信号SCLK，它们的分频因子都是可编程的；SCLK为串口时钟信号，通常作为DSP同步串口的输入时钟信号；SDI和SDIFS为数据输入和输入帧同步信号，通常用于接收初始化控制字；SDO和SDO为数据输出和输出帧同步信号，通常用于输出转换的数据。AD73360有三种工作模式：编程模式、数据模式和混合模式。在编程模式下只接收控制字，输出无效的转换数据；在数据模式下，输入的控制字被忽略，输出有效的转换数据；在混合模式下，允许在数据转换过程中接收控制字。3.MCBSP与AD73360硬件接口设计在系统中DSP有三个Mcbsp口，在设计中Mcbsp0与AD73360接口（Mcbsp1配置为SPI口与DS1305接口），硬件接口原理如图3所示，图中XF引脚为控制FSX0FSR0DX0CLKR0CLKX0DR0XFSDIFSSDOFSSDISCLKSDORESETSEMCLKTMS320VC5416AD73360图3MCBSP与AD73360硬件接口原理2信号，XF为低电平时复位AD73360，串口无效，XF为高电平时使能串口；MCLK引脚外接16.384MHz时钟，通过分频产生SCLK；接收移位时钟引脚CLKR0、发送移位时钟引脚CLKX0通过程序设置为发送、接收时钟信号由外部提供，它们的时钟均由SCLK引脚输入；接收帧同步信号引脚FSR0、发送帧同步信号引脚FSX0通过程序设置为发送、接收帧同步信号由外部提供，它们的帧同步信号均由SDOFS引脚输入。三、MCBSP与A/D变换器AD73360接口软件设计DSP与AD73360的接口软件主要包括两个方面，对MCBSP进行配置，通过MCBSP配置AD73360。对MCBSP进行配置主要包括以下几个方面：配置发送、接收时钟和帧同步等信号都为输入；为单相位的接收和发送；帧同步且传送每个字的宽度为16位。通过MCBSP配置AD73360主要包括以下几个方面：设置分频因子配置发送时钟SCLK，设置A/D的采样率；使能参考电平输出；使能A/D转换通道，及相应通道增益；配置模拟通道输入方式。由于篇幅所限，仅给出寄存器配置值。对MCBSP各寄存器配置如下：RCR1=XCR1=0040h每帧一个字，字宽为16位；RCR2=XCR2=0001h单相位帧同步，无压扩，第一个帧同步后的帧同步不忽略，一位数据延迟；PCR=0000h发送和接收帧同步，时钟都由外部输入，发送和接收帧同步为高有效，发送和接收数据在上升沿采样；MCR1=0001h所有的接收通道被禁止，所需要的通道由RP（A/B）BLK和RCER（A/B）选择；MCR2=0001h所有的发送通道被禁止且被屏蔽，所需要的通道由XP（A/B）BLK和XCER（A/B）选择；RCERA=0001h仅打开接收通道0，关闭其它通道；RCERB=0000hXCERA=0001h仅打开发送通道0，关闭其它通道；XCERB=0000hSPCR1=0001h使能串口接收，接收中断由RRDY标志触发；SPCR2=0103h使能串口发送，发送中断由XRDY标志触发。对AD73360各寄存器配置如下：CRB=05hDMCLK=MCLKSCLK=DMCLK/4SR（采样率）=DMCLK/1024；CRC=41h使能参考电平输出，全局上电；CRD=88h通道1和通道2上电，增益为0dB；CRE=88h通道3和通道4上电，增益为0dB；CRF=88h通道5和通道6上电，增益为0dB；CRG=80h通道1至6通道为单端输入方式；CRH=00h通道1至6通为同相输入方式；CRA=01h使能AD73360为数据模式。四、结束语笔者将该系统应用于通信电源，对线路中的3路模拟电压量和3路模拟电流量进行同步采样，采样后的数据送往DSP实时处理后，对于计算出的电力参数达到满意效果。另外，同并行接口相比，采用串行接口的硬件连线大大减少，不但减少了印制电路板的面积，还可以减少电磁干扰，从而有利于系统更加稳定的工作。