精品文檔-下載后可編輯DSP的跟蹤頻率變化的交流有樣技術(shù)-基礎電子在交流采樣系統(tǒng)中，通常是一個周波采樣６４點或１２８點的電量值，然后對這些數(shù)據(jù)進行處理。如果電網(wǎng)頻率恒定，則采樣間隔ｔ＝Ｔ／Ｎ（Ｔ為周期，Ｎ為采樣點），而電網(wǎng)的頻率通常有一定的波動，所以要不斷調(diào)整采樣間隔。

在單片機系統(tǒng)中，一般采用過零觸發(fā)電路和單片機的外部中斷來檢測電量周波的開始和結(jié)束時間，再利用內(nèi)部定時器計算出周期和采樣間隔，在采樣間隔定時中斷程序中啟動采親。這種方案有兩個缺點：其一，電路實現(xiàn)復雜；其二，精度不高，因為要考慮中斷能否實時響應。過零觸發(fā)電路產(chǎn)生的中斷響應具有不確定性。

我們在使用ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ＤＳＰ開發(fā)交流采樣系統(tǒng)時，巧妙地利用該款ＤＳＰ的定時器、捕獲器和不中屏蔽中斷（ＮＭＩ）實現(xiàn)了跟蹤頻率變化的交流采樣。

１ＮＭＩ中斷、定時器、捕獲器的簡單分析

（１）ＮＭＩ中斷

ＴＭＳ３２０Ｆ２４Ｘ系列有一個不可屏蔽中斷（ＮＭＩ）引腳。當該引腳有跳變信號時（可編程為上升沿或下降沿觸發(fā)），立即進入中斷程序，可以用于緊急事件的處理。本文中用于跟蹤被測電量的頻率。

（２）定時器介紹

ＴＭＳ３２０Ｆ２４０有３個通用定時器，每個通用定時器有６種計數(shù)方式：①停止／保持模式，模式０；②單增計數(shù)模式，模式１；③連續(xù)增計數(shù)模式，模式２；④定向增／減計數(shù)模式，模式３；⑤單增／減計數(shù)模式，

模式４；⑥連續(xù)增／減計數(shù)模式，模式５。

設ｆｃ是ＣＰＵ的時鐘頻率，則定時時間ｔ＝脈沖個數(shù)／（ｆｃ／分頻系數(shù)），脈沖個數(shù)與定時周期寄存器的值或比較寄存器的值有關(guān)。工作過程是：①根據(jù)ＣＰＵ的頻率、定時時間確定計數(shù)寄存器的初值ＴｘＮＴ、周期寄存器的初值ＴｘＰＥＲ、比較寄存器的初值ＴｘＣＭＰ。②啟動定時器計數(shù)。③計數(shù)到比較寄存器的值發(fā)生比較匹配中斷，同時使ＴｘＣＭＰ引腳發(fā)生跳變。本文中利用Ｔ３ＣＰＵ的跳變?nèi)樱粒霓D(zhuǎn)換。④計數(shù)到周期寄存器的值發(fā)生周期匹配中斷。

定時器一旦開始工作就不受程序影響，準確性高，保證每隔固定間隔進行采樣。

（３）捕獲器介紹

捕獲單元用于捕獲引腳上電平的變化并記錄發(fā)生的時間，記錄事件發(fā)生的時間以定時器的計數(shù)器作時基。當捕獲引腳發(fā)生跳變時，捕獲單元將該時刻時基的計數(shù)寄存器Ｔ２ＣＮＴ的值裝入相應的ＦＩＦＯ隊列中。ＦＩＦＯ隊列可以裝入兩個值，第三個裝入時會將個值擠出。如果將捕獲器的跳變輸入信號和ＮＭＩ輸入信號并聯(lián)（見圖２），則可以在ＮＭＩ中斷程序中讀取跳變時的時基值（讀ＦＩＦＯｘ寄存器）。例如：以Ｔ２作時基，引腳電平次上跳時，Ｔ２計數(shù)寄存器Ｔ２ＣＮＴ的值為Ｘ１，第二次為Ｘ２，Ｔ２分頻系數(shù)為Ｄ，ＣＰＵ頻率為ｆｃ，則變化時間間隔為

ｔ＝Ｄ／ｆｃ×（Ｘ２－Ｘ１）

２設計思想

過零觸發(fā)電路的輸出接ＴＭＳ３２０Ｆ２４０外部不可屏蔽中斷引腳ＮＭＩ，確保了中斷的實時響應；同時，過零觸發(fā)電路的輸出還接到捕獲器１的輸入端ＣＡＰ１，Ｔ２定時器作捕獲器的時基，捕獲器可以捕獲兩個脈沖間隔的時間（用Ｔ２計數(shù)器的變化量表示），這樣可以計算出周波的周期／頻率。

用一個定時器Ｔ３完成定時觸發(fā)采樣，每隔一個采樣周期Ｔ３定時器的比較匹配輸出端Ｔ３ＣＭＰ輸出一個下降沿脈沖去啟動ＡＤＣ進行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，所以Ｔ３ＣＭＰ的啟動信號的間隔具有確定性。

下面對頻率／周期和采樣間隔的計算作出推導。

（１）頻率和周期

捕獲器用Ｔ２作時基，ＣＡＰ１端每出現(xiàn)一個上升沿脈沖表示一個周波開始，同時立刻進入ＮＭＩ中斷程序，在中斷程序中讀?。疲桑疲希奔拇嫫鞯闹蒂x給Ｔ３的周期寄存器。要注意的是：ＦＩＦＯ１總是初始化為０，所以ＦＩＦＯ１的值是在剛過去的周波內(nèi)Ｔ２計數(shù)器的增加值；而Ｔ２的分頻系數(shù)為１２８，假設ＤＳＰ的工作頻率為２０ＭＨｚ，這樣就可以計算出上一個周波的周期Ｔ和頻率ｆ：

Ｔ＝（１／２０）μｓ×１２８×（ＦＩＦＯ１）＝

（１２８／２０）×１０－６×（ＦＩＦＯ１）ｓ

ｆ＝１／Ｔ＝（２０×１０６）／［１２８×（ＦＩＦＯ１）］＝１５６２５０／（ＦＩＦＯ１）Ｈｚ

（２）跟蹤頻率變化的采樣間隔

如果Ｔ２工作在定時／計數(shù)狀態(tài)下，給Ｔ２的周期寄存器Ｔ２ＰＥＲ賦初值為ＦＩＦＯ１寄存器的值，則Ｔ２的周期中斷時間即是上一個周波的周期；而在ＮＭＩ中斷程序中將ＦＩＦＯ１寄存器的值賦給Ｔ３的周期寄存器Ｔ３ＰＥＲ．注意：Ｔ２的分頻系數(shù)為１２８，Ｔ３的分頻系數(shù)為１，所以Ｔ３的周期中斷時間是一個周期的電量的１／１２８；而采樣周期用Ｔ３作時基，Ｔ３的周期中斷即是采樣中斷。從而實現(xiàn)了一個周期的１２８點采樣，即實現(xiàn)了跟蹤頻率變化的交流采樣，當然，有一個周波的滯后。

每個周期會產(chǎn)生ＮＭＩ（不可屏蔽中斷），在ＮＭＩ中斷程序中將Ｔ２ＣＮＴ的增加值（在ＦＩＦＯ寄存器）讀出來賦給Ｔ３的周期寄存器。因為Ｔ２的分頻系數(shù)為１２８，這樣Ｔ３的周期中斷時間即為一個周期的１／１２８，實現(xiàn)了一個周期采樣１２８點的目的。

３硬件設計

（１）互感器電路及設計注意事項

利用互感器電網(wǎng)的二次高壓和電流交換成０～５Ｖ或－５～＋５Ｖ的電壓送入Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，具體電路如圖１所示。

圖１中，電壓互感器的原邊１００Ｖ，副邊輸出２ｍＡ電流經(jīng)ＯＰ０７轉(zhuǎn)換成－３．５～＋３．５Ｖ的電壓量（注意：幅值范圍為－５～＋５Ｖ）。電流互感器的原邊輸入５Ａ的電流，副邊輸出２ｍＡ的電流經(jīng)運放轉(zhuǎn)換成－３．５～＋３．５Ｖ的電壓量。

Ｄ１１、Ｄ１２，Ｄ２１、Ｄ２２為運放輸入限幅保護電路；Ｃ１１、Ｒ１４，Ｃ２１、Ｒ２３為互感器相移補償電路。因采樣時只要保證一個周波采樣Ｎ點，什么時候開始并不重要，所可以省去相移補償電路。

Ｒ１１，Ｒ１２、Ｒ１３，Ｒ２１、Ｒ２２的值可以通過以上給出的電流、電壓值計算出來：Ｒ１１＝１００Ｖ／２ｍＡ，Ｒ１２＋Ｒ１３＝Ｒ２１＋Ｒ２２＝３．５Ｖ／２ｍＡ。運放的輸出端可以接一電容進行濾波。

運放的輸出可以再接電壓跟隨器（如圖２的Ｕ１Ａ）起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。

（２）過零觸發(fā)電路

具體電路如圖２所示。Ｕ１Ａ構(gòu)成的電壓跟隨器的作用如上所述，它的正端輸入來自互感器電路的輸出。Ｕ２Ａ構(gòu)成一個過零比較電路，Ｄ２穩(wěn)壓二極管使比較器的輸出為０～５Ｖ，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入ＤＳＰ的捕獲器輸入端ＣＡＰ１和不可屏蔽中斷端ＮＭＩ。

（３）Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和ＤＳＰ的接口電路

電路原理如圖３所示。ＡＤＣ芯片采樣１４位的ＭＡＸ１２５。ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的定時比較器輸出端Ｔ３ＣＭＰ接ＭＡＸ１２５的啟動轉(zhuǎn)換器ＣＯＮＶＳＴ；ＭＡＸ１２５轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生中斷，通過ＩＮＴ腳接ＤＳＰ的ＸＩＮＴ１腳向ＤＳＰ申請中斷，ＤＳＰ在中斷程序中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。ＤＳＰ對ＭＡＸ１２５的操作是通過端口訪問完成的，ＭＡＸ１２５的片選端ＣＳ４接譯碼器的一個輸出端，譯碼器的輸入和使能端由ＤＳＰ的地址線和Ｉ／Ｏ信號ＬＳ控制。

每隔一個采樣周期（Ｔ／Ｎ）Ｔ３ＣＭＰ端輸出一個下降沿脈沖，啟動ＭＡＸ１２５進行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。采樣間隔會根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化自動調(diào)整。

４軟件設計

下面給出幾個程序函數(shù)。具體數(shù)據(jù)處理的函數(shù)因系統(tǒng)功能不同而異，限于篇幅這里不作討論。

（１）定時器、捕獲器初始化程序：

ｖｏｉｄｉｎｉｔ＿ＴｉｍｅｒＣａｐｔｕｒｅｔ（）

｛＊Ｔ２ＣＮＴ＝０；／＊計數(shù)寄存器初始化＊／

＊Ｔ３ＣＮＴ＝０；

＊Ｔ３ＣＭＰ＝１０００；

＊Ｔ２ＰＥＲ＝３００００；

Ｔ３ＰＥＲ＝４０００；／Ｔ２ＰＥＲ、Ｔ３ＰＥＲ會在ＮＭＩ中斷程序中根據(jù)電量頻率的變化作出相應的調(diào)整＊／

＊ＣＡＰＣＯＮ＝０ＸＢＣ５５；／＊設置捕獲器＊／

＊ＧＰＴＣＯＮ＝０Ｘ１８６Ａ；

＊Ｔ２ＣＯＮ＝０Ｘ１７ＣＡ；／＊方式２，分頻系數(shù)為１２８＊／

＊Ｔ３ＣＯＮ＝０Ｘ１０ＣＡ；／＊方式２，分頻系數(shù)為１＊／

＊ＮＭＩ＿ＣＲ＝０Ｘ６４；／＊設置不可屏蔽中斷＊／

｝

（２）ＡＤＣ轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷響應程序

ｖｏｉｄｃ＿ｉｎｔ１（）

｛ｉｎｔｉ；／＊其余為全局或靜態(tài)變量＊／

／＊程序中讀取ＡＤＣ的轉(zhuǎn)換結(jié)果＊／

ｉｆ（ＡＣｈａｎｅｌ＝＝１）／＊讀Ａ組３路的轉(zhuǎn)換結(jié)果＊／

｛ｏｕｔｐｏｒｔ（０ｘ０１，０ｘ０３）；／＊輸出ＭＡＸ１２５的控制字＊／

ｉｎｐｏｒｔ（０ｘ０１，＆ＡＤＣ＿Ｄａｔａ［０］）；

ｉｎｐｏｒｔ（０ｘ０１，＆ＡＤＣ＿Ｄａｔａ［１］）；

ｉｎｐｏｒｔ（０ｘ０１，＆ＡＤＣ＿Ｄａｔａ［２］）；

ＡＣｈａｎｅｌ＝０；

｝

ｅｌｓｅ

｛／＊如上讀?。陆M３路的轉(zhuǎn)換結(jié)果＊／

｝

／＊將１４位的結(jié)果轉(zhuǎn)換為１６位的（初碼存放）＊／

ｆｏｒ（ｉ＝１；ｉ＜６；ｉ＋＋）

ＡＤＣ＿Ｄａｔａ［ｉ］＝ＡＤＣ＿Ｄａｔａ［ｉ］＜＜２／４；

｝

（３）不可屏蔽中斷的中斷程序

ｖｏｉｄｃ＿ｉｎｔ７（）｛

ａｓｍ（＂ＳＥＴＣＩＮＴＭ＂）；／＊禁止中斷＊／

＊Ｔ２ＣＮＴ＝０；／＊