1、 1 攀枝花学院专业课课程设计实验报告 基于 DSP 的高速采样系统设计 学生姓名： xxxx 学生学号： xxxxxxxxxxxxx 院（系）： xxxxxxxxxxxxxxx 年级专业： 电子信息工程 x 指导教师： 陈 老 师 二一三年十二月 2 摘 要 交流采样是电网进行微机保护的重要一步，交流采样方法的优劣直接影响到微机保护的效果。本系统应用 DSP 制作交流采样电路，使其实现高速、准确的交 流采样，通过软件控制实现模拟微机保护跳闸功能。 本文介绍了应用 DSP 实现对交流信号的采样硬件电路设计，论文总共分为四个部分。（ 1）介绍交流采样的基本结构，设计思路，并分析目前交流采样的几种
2、方式；（ 2）通过对交流采样对象的分析，确定采样的参数大小并设计基于 F2812 的采样电路；（ 3）运用CCS3.1 利用设计的程序对采样电路进行试验，得出电路的误差并进行分析；（ 4）通过上述设计，能够完成对交流信号的采集、处理并将所需数值显示出来。满足设计要求。 由于时间、水平有限，本系统没有实现与计算机的数据通信，将在日后工作 与学习中进一步完善。 关键词： 交流采样， DSP,微机保护 3 ABSTRACT The exchange sampling is the electrical network carries on the microcomputer to protect i
3、mportantly one step, the exchange sampling methods protects fit and unfit quality immediate influence the effect which to the microcomputer. This system applies the DSP manufacture exchange sampling circuit, causes it to realize high speed, the accurate exchange sampling, realizes the simulation mic
4、rocomputer protective trip function through the software control. This article introduced realizes using DSP to exchanges the signal sampling hardware circuit design, the paper altogether divides into four parts. (1) introduced that the exchange sampling the basic structure, the design mentality, an
5、d analyzes the present exchange sampling several ways; (2) through to exchanges the sampling object analysis, the definite samplings parameter size and designs based on the F2812 sampling circuit; (3) carries on the experiment using CCS3.1 using the design procedure to the sampling circuit, obtains
6、electric circuits error and carries on the analysis; (4) through the above design, can complete to exchanges signal gathering, processing and will need the value to demonstrate, satisfies the design requirements. Because the time, the level are limited, this system has not realized with computers da
7、ta communication, will be working in the future and in the study further consummates. KEY WORDS: Exchange sampling, DSP, microcomputer protection 1 目 录 第一章 绪 论 .1 1.1 研究背景与意义 .1 1.2 研究现状 .1 1.3 课题的总体设计思路 .2 第二章 交流采样系统的器件介绍 .3 2.1 DSP 芯片介绍 .3 2.1.1 DSP 的特点 .3 2.1.2 DSP TMS320 F2812 芯片的技术指标 .4 2.1.3 D
8、SP F2812 开发板的管脚功能说明 .4 2.2 运算放大器 LM324 介绍 .6 2.2.1 LM324 工作原理 .6 2.2.2 LM324 的引脚、结构及其典型运用 .8 2.3 开关式稳压电源芯片 LM2596 介绍 . 12 2.3.1 LM2596 的特点 . 12 2.3.2 LM2596 的引脚及主要性能参数 . 13 2.4 稳压芯片 TL431 介绍 . 14 2.4.1 TL431 工作原理 . 14 2.4.2 TL431 的引脚和其主要性能参数 . 15 2.5 LED 八段数码管显示器 . 15 2.5.1 LED 数码管的分类 . 15 2.5.2 数码管
9、驱动方式 . 16 2.5.3 数码管的显示段码 . 17 2.6 74LS164 移位寄存器介绍 . 18 2.6.1 74LS164 工作原理 . 18 2.6.2 74LS164 的引脚及级联 . 18 第三章 基于 DSP 的交流采样系统硬件的总体设计方案 . 20 3.1 硬件电路设计思路 . 20 3.2 总体电路的布局 . 20 3.3 电流互感器、电压互感器电路的设计 . 21 3.4 运放电路的设计 . 21 3.4.1 跟随电路 . 22 3.4.2 二阶低通有源滤波电路 . 22 3.4.3 偏置电路 . 24 3.4.4 反相电路 . 25 3.5 TL431 5V 偏
10、置电压产生电路的设计 . 25 3.6 LM2596 5V 电源的设计 . 26 3.7 继电保护电路的设计 . 27 3.8 合闸电路的设计 . 27 3.9 数码管显示电路的设计 . 28 3.10 系统软件的设计 . 28 2 第四章 系统的硬件调试和系统测试 . 30 4.1 系统硬件的调试 . 30 4.1.1 采样电路的调试 . 30 4.1.2 显示电路的调试 . 30 4.1.3 继电保护电路的调试 . 30 4.2 调试过程中存在的问题及解决方法 . 31 结 束 语 . 32 参考文献 . 33 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景与意义 电力系统在运 行中，可能发生各种故
11、障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路。电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运行状态。故障和不正常运行状态都可能在电力系统中引起事故，系统事故的发生，除了由于自然条件的因素以外，一般都是由于设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当而引起的。 在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性意外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性的切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。继电保护 装置到目前为止大部分都被电子元件或计算机代替，在微机保护系统当中，交流采样装置是微机保护很重要的一部分，其
12、采样精度直接影响到了微机保护的准确度。近几年来随着半导体技术的高速发展，各种种类的新型处理器相继问世，让开发运用在电力系统中的高速采样系统成为了可能。随着数字信号处理器（ DSP）的不断普及，其优异的性能逐渐被人们所知，将 DSP运用于电力系统的各个环节已经是一种趋势。 本课题介绍的交流采样系统使用运算放大器和 DSP 对交流信号进行采样，具有实时性好、高准确高的优点，研究一种高实时性、高准确性的采样系统，对提 高微机保护的性能至关重要，这是本课题研究的意义。 1.2 研究现状 在电力系统的实际运行中，随着电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，电网存在谐波，还会有各种顺势干扰，采
13、用时间继电器、电流继电器、信号继电器等组成的采样系统，存在硬件电路复杂等诸多弊端，因此本系统求取系统中交流参数采用软件代替硬件，进一步优化了交流采样系统，做到了简化硬件、提高实时性，并能快速、准确地采集各种电力参数，具有一定的应用价值。 随着国家 GDP快速增长，电力系统的供电负荷日益增大，对其稳定性的要求越来越高，对电网的建设的 投入也相当的大，在厂矿企业中，对电的需求十分的大，供配电的2 稳定性直接与效益挂钩。随着微型计算机、 DSP 系统价格的逐步降低和技术的不断成熟，在工厂用电中， 6.3kV、 380V电压等级的继电保护设备也逐步向微机保护发展，基于 DSP的交流采样系统将大量运用于
14、此类场合。 1.3 课题的总体设计思路 本设计是一个交流电压、电流采样、继电保护系统。要求是明确该系统的基本构成，了解均方根算法等相关控制算法，熟悉 DSP采样原理，完成采样电路硬件设计，实现交流采样。 其设计要求如下： 1） 用数码管显示当前线路的电压、电流和功率 2） 电 压峰值采样范围为 0V-480V,电流峰值采样范围为 0-7.07A。 3） 当采样所得电流或电压超出设定范围时，继电器动作，切断负载线路。 文章介绍了以 DSP F2812 为核心的交流采样系统的设计，该设计采用了两路 AD转换器以同时检测电流与电压的大小，并在程序上进行监控。控制部分使用继电器切断线路。本系统由硬件设
15、计和软件变成构成，一下逐步对整个系统的软硬件作出介绍。 3 第二章 交流采样系统的器件介绍 2.1 DSP 芯片介绍 我们通常所说的 DSP 有两个含义：其一是 Digital Signal Processing 的简称，是指数字信号处理技术，它不仅涉及许多学科，还广泛应用于多种领域。特别是 20世纪 60年代，随着计算机和信息技术的迅猛发展，进一步推动了数字信号处理技术的理论和应用领域的发展； DSP 的第二个含义是 Digital Signal Processor 的简称，即数字信号处理器，也称为 DSP 芯片，它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度远远超过通用微处理器。他是一种适合于数字
16、信号处理的高性能微处理器。数字信号处理其已经成为数字信号处理技术和实际运用之间的桥梁，并进一步促进了数字信号处理技术的 发展，也极大地拓展了数字信号处理技术的应用领域。 在微电子技术发展的带动下， DSP 芯片的功能日益强大，性能价格比不断提高，开发环境日臻完善，应用领域不断扩大。在步入数字化时代的进程中，数字信号处理器扮演着举足轻重的角色。 2.1.1 DSP 的特点 为了实现快速的数字信号处理， DSP 芯片一般都采用特殊的软硬件结构。 TMS320 系列 DSP 主要采取了哈佛结构、流水线技术、硬件乘法器和特殊 DSP指令等。 哈佛结构：哈佛结构是一种并行体系结构，主要特点是将程序和数据
17、储存在不同的存储空间，对程序和独立编址，独立访问。而 且在 DSP 内部设置了数据和程序两套总线，使得存取指令和执行能完全重叠运行，提高数据吞吐量。为了进一步提高速度和灵活性，TMS320 系列产品中，在哈佛结构上作了改进，一是允许程序存储在高速缓存中，提高指令读取速度；二是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强芯片的灵活性。另外， DSP 仲的双口 RAM 及独立读写总线使数据存取速度提高。 流水线技术： DSP芯片广泛采用流水线技术，增强了处理器的处理能力。 TMS320 系列流水线深度为 2 6级不等，也就是说，处理器在一个时钟周期可以并行处理 2-6条指令 ，在每条
18、指令处于流水线的不同阶段。在流水线操作中，取指令、指令译码和执行可以独立处理，这样 DSP 可以同时处理多条指令，只是每条指令处于不同的阶段。例如在取 N条指令是，前一条指令处于译码阶段，而前两条指令则处于执行阶段。 4 硬件乘法器：在数据信号处理的许多算法中，（如 FFT和 FIR 等），需要做大量的乘法和加法。显然，乘法速度越快，数据处理能力就越强。在通用的微处理器中，有些根本没有乘法指令，有乘法指令的处理器，其乘法指令的执行时间也较长。相比而言 DSP芯片一般都有一个硬件乘法器。在 TM320 系列中，一次乘累加最 少可以在一个时钟周期完成。 特殊 DSP 指令： DSP 芯片的另外一个
19、特点就是采用了特殊的寻址方式和指令。比如，TMS320 系列的位返转寻址方式， LTD、 MPY、 RPTK 等特殊指令。采用这些适合于数字信号处理的寻址方式和指令，进一步减少了数字信号处理的时间。 另外，由于 DSP的时钟频率提高，执行周期的缩短，加上以上一些 DSP结构特征使得 DSP 实现实时数字信号处理成为可能。 2.1.2 DSP TMS320 F2812 芯片的技术指标 1、芯片运行速度为 150M； 2、工作速度可达 150MIPS； 3、片上 RAM 18k 16bit； 4、片上扩展 RAM存贮空间 64K 16Bit； 5、自带 16 路 12bit A/D,最大采样速率
20、12.5msps； 6、 2路的 DAC7528 转换， 10M/S， 8Bit； 7、一路 UART 串行接口，符合 RS232 标准； 8、 16路 PWM 输出； 9、 1路 CAN 接口通信； 10、片上 128 16bit FLASH，自带 128位加密位； 11、设计有用户可以自定义的开关和测试指示灯； 12、 4组标准扩展连接器，为用户进行二次开发提供条件； 13、具有 IEEE1149.1 相兼容的逻辑扫描电路，该电路 仅用于测试和方针 14、 +12V 电源输入，内部 +3.3V、 +1.8V电源管理； 2.1.3 DSP F2812 开发板的管脚功能说明 F2812 有四个
21、用于二次开发的 34芯外扩总线，分辨是 J12、 J13、 J18、 J19。 J12扩展插座包含 16 根地址线和 16 跟数据线，可以用于读出和输出并行的数据； J13 扩展插座包括 F2812 外部扩展总线的控制线、 McBSP 接口线、外部中断和外部复位等重要的引脚信5 号； J18 扩展插座主要是 AD和 DA接口， J18仲扩展了所有的 AD和 DA 引脚； J19 扩展插座主要是扩展 F2812开发板上空 闲的 DSP 外设引脚，以便于制定硬件环境。 由于交流采样系用只需要用到 J18 和 J19扩展插座，下表就对 J18 和 J19 的管脚定义进行说明。 表 2.1 J18 的
22、管脚定义和说明 管脚号 管脚名 说明 管脚号 管脚名 说明 1 VCCA 模拟电源 +5V 18 AGND 模拟地 2 VCCA 模拟电源 +5V 19 ADINB6 模拟输入通道 B6 3 CAP1 CAP 输入端 1 20 ADINB7 模拟输入通道 B7 4 CAP2 CAP 输入端 2 21 ADREFIN 测试引脚 5 ADINA2 模拟输入通道 A2 22 ADCREFLO 模拟参考低电压输入 6 ADINA3 模拟输入通道 A3 23 ADINA0 模拟输入通道 A0 7 ADINA4 模拟输入通道 A4 24 ADINA1 模拟输入通道 A1 8 ADINA5 模拟输入通道 A
23、5 25 DAOUT1 模拟输出通道 1 9 ADINA6 模拟输入通道 A6 26 DAOUT2 模拟输出通道 2 10 ADINA7 模拟输入通道 A7 27 11 ADINB0 模拟输入通道 B0 28 12 ADINB1 模拟输入通道 B1 29 CAP3 CAP输入 端 3 13 ADINB2 模拟输入通道 B2 30 CAP4 CAP输入端 4 14 ADINB3 模拟输入通道 B3 31 CAP5 CAP输入端 5 15 ADINB4 模拟输入通道 B4 32 CAP6 CAP输入端 6 16 ADINB5 模拟输入通道 B5 33 AGND 模拟地 17 AGND 模拟地 34 AGND 模拟地
