基于PROFIBUS开发的FTU及同步采样方法的研究

在实际电力系统中，信号测量一般取1～19次谐波分量。19位次以上的谐波含量非常小，没有实际应用意义。从信号的保真度来看，采样周期必须满足香农采样定理，即采样角频率ωs≥2ωmax(ωmax是被采样信号的最高角频率)，才能避免出现频谱混叠现象。另外，因采用基2-FFT算法，所以采样次数必须是2的幂次，这里选择每周期采样64次。当信号的频率为50Hz时，采样频率应为50Hz×64=3200Hz。因系统是两回线系统，A/D变换分两组交替进行，所以系统的采样中断频率应为6400Hz。当信号频率偏离50Hz时，采样频率跟踪其变化，以保证64次采样正好在一个信号周期内。

2 硬件结构设计

该装置硬件主要由CPU、开关量输入输出通道、频率量输入通道、模拟量输入通道、PROFIBUS-DP现场总线通讯接口、实时时钟、电源等部分组成，结构框图见图3。

图3 硬件结构框图

    现场总线通讯接口由SIEMENS公司的ASIC协议芯片SPC3来实现。SPC3集成了PROFIBUS-DP的物理层和数据链路层的完整协议，能自动监测波特率，上电后自动维护PROFIBUS-DP的从站状态机。片内还集成一个保护监视定时器。如果微处理器有故障，则禁止PROFIBUS-DP通道，因而不至于危及外围设备。SPC3还有一个公共的中断输出，可通过读取中断寄存器来判断中断源的性质。中断源包括：NEW-SSA-DATA、NEW-PRM-DATA、NEW-CFG-DATA、NEW-GC-COMMAND、DX-OUT等。UART负责将并行数据流转换成串行数据流或将串行数据流转换成并行数据流。

由于对各种电参数的测量和谐波分析不仅需要对交流信号进行高速采样，而且还需要进行大量的实时计算，对CPU的运算速度要求非常高，普通的单片机难以胜任，因此本单元的CPU采用DSP。本次设计采用的DSP是美国TI公司的TMS320F206。

三相电源系统每回线需要3路电压通道和3路电流通道，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>两回线共需12路交流通道。本装置共配置了16路模拟量输入通道，剩下的4路作为直流通道，可作为温度、压力等信号的测量通道。为了测量相角及功率因数，必须同时采样每一回线的6路信号，所以选用两片DALLAS公司的MAX125 A/D转换器来完成此项工作。

在电压和电流通道输入端采用了小型PT或CT互感器进行隔离和信号变换，可直接接入220/380V低压信号或100V/5A标准互感器信号来测量高压或大电流系统。既可用3相4线Y型接法，也可用3相3线V形接法。在模拟量输入通道前端还配置了二阶有源低通滤波器，以消除高次谐波和噪声信号，减轻谐波分析时出现的频谱混叠现象。

3 软件设计

本装置功能要求复杂，因而软件系统采用了模块化、由顶向下逐步细化的结构设计方法。编程语言主要采用TI公司提供的优化C语言，个别地方采用C2XX汇编语言，提高了软件编程效率和程序的可读性。

软件主要包括主程序、SPC3通讯中断服务程序、定时器中断服务程序、A/D变换完成中断服务程序等几个部分。主程序完成硬件初始化、硬件自检、中断任务初始化、谐波分析、电参量计算、越限报警等功能；SPC3通讯中断服务程序完成与上位机的通讯、定时器中断服务程序完成各软件定时器的定时、毫秒时钟的维护等；A/D变换完成中断服务程序完成数据的采集、采信通道的切换等。图4为SPC3通讯中断服务程序软件流程图。

本文主要从开发的角度探讨了同步采样技术及PROFIBUS-DP技术在配电自动化终端的应用，介绍了配电自动化终端的软硬件实现。经实验检验，现场总线接口运行稳定可靠；系统采用的同步采样技术计算快速准确、简单实用，完全满足工程应用的要求。但限于使用的是定点DSP，运算速度相对较慢，所以系统的计算精度和实时性还有待提高。

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