基于DSP的光电式高低压电能表

　　0引言
　　
　　随着电网商业化运营和用电营业管理现代化的需要，电能表的多功能化和自动化将成为实现这种改革的一种重要的技术手段。光电式高压电能表应用于10kV配电系统，可以实现电能的直接高压计量，从根本上解决了长期困扰电力系统的窃电问题，为实现配电网的高压计量收费奠定了技术基础。该表应用光电式电流互感器这一新型电子元件，采用了*的DSP技术及网络技术，将这些技术与微机有机地结合起来，能完成有功电能、无功电能、有功功率、无功功率、视在功率、频率、电压、电流、功率因数等数据的实时计量与监测，不仅具有复费率电表的高、谷、平分时计量功能，同时具有计量配电变压器损耗、谐波电能及基波电能的功能，还可实现远程读表、负荷监控、电费分时统计结算等功能，从各方面满足了电能量计费系统的要求[1]。本文主要从系统设计角度，介绍在光电式高低压电能表（OEWM）系统中，高速DSP芯片TMS320C542的设计应用。
　　
　　1总体方案
　　
　　系统的整体结构如图l所示。光电式高低压电能表系统主要分为3个部分：高压侧部分、光纤传输部分、低压侧部分。下文分别加以介绍。
　　
　　2系统设计
　　
　　2．1高压侧部分
　　
　　高压侧部分包括电源和采样两大部分。电源部分通过电源变压器从电流母线上感应出能量，供给采样电路采样所需的能量。而采样部分则将电流互感器和电阻分压器的模拟信号转化为数字信号，然后通过光纤部分传送到低端部分。
　　
　　由于整个高压侧的电位和电流母线电位相等，即高压侧的电路和电流母线间不存在绝缘问题，所以的电流互感器可采用技术上已很成熟的铁心线圈，将母线大电流转化为小电流信号，再配合高准确度的采样方法，使电流测量达到很高的准确度。　　2．2光纤传输部分
　　
　　这里光纤主要有2个作用：一是起到高、低压侧的绝缘作用，二是作为高、低压侧之间的数据通信通道。由于光纤具有良好的绝缘性能，所以使用光纤作为高、低压侧之间的数据通道可以节省庞大的绝缘设施。电压等级越高，这种*性越高。
　　
　　2．3低压侧部分
　　
　　低压侧部分作为系统的核心，是一个以TMS320C542为核心的数据处理单元。从光纤传输部分接收传递下来的电流（电压）采样值，然后进行电流、电压功率、电能的计算。使用高性能的微处理器和有效的算法使数据处理的实时性成为可能。本系统中DSP的外围器件较多，而且各自都具有特殊的功能和用法，所以理顺它们之间的电气关系是系统设计的首要问题。DSP核心处理单元的结构如图2所示。
　　
　　2．3．1DSP的程序载入所需要的外围器件
　　
　　TMS320C542的运行程序除了厂家直接烧制　　图2数据处理核心单元
　　
　　到片内ROM的情况外，需要外加器件帮助DSP存储程序。在系统上电复位后，首先要将程序代码由片加载到DSP的片内RAM中再执行。TMS320C542提供了多种程序加载的方法：HPI接口程序加载方法、8位I／O接口程序加载方法、16位I／O接口程序加载方法、8位并行EPROM程序加载方法、16位并行EPROM程序加载方法和串口程序加载方法。本系统选择用一片8X32kbit的EPROM，采用8位并行EPROM的程序加载方法给DSP加载程序。
　　
　　DSP在上电复位后首先读取I／O端口地址为0FFFFh的数据SRC。这个16位数据SRC的zui低两位决定用户所选择的程序下载方法。当这两位是0l时，可选择8位并行EPROM程序加载方法。然后，SRC的高6位数据乘以200H后的结果将作为DSP访问EPROM的起始地址。此后，DSP将把程序代码从这个起始地址开始的数据区载入到程序区里去执行。
　　
　　本系统将一片8X32kbit的EPROM作为起始地址为8000h的数据空间存储加载程序。此时，SRC应设置为10000001。本系统依据CMOS电路规范，采用4．7kΩ的电阻将DSP数据线的第0，7位上拉为高电平，同时数据线的第l位~第6位用4．7kΩ电阻下拉接地。电阻的使用使得一方面当有器件驱动数据总线时不会影响数据线上的正确逻辑，另一方面当DSP访问0FFFFh的I／O端口时，只要其他芯片释放数据总线，DSP就可以读取到正确的SRC数据。
　　
　　2．3．2单片机控制部分
　　
　　DSP作为高速的运算处理器不适合低速的控制应用。本系统中，对于液晶显示、用户键盘输入控制、高压侧采样数据的接收以及对系统工作状态指示灯的显示，都是一些低速的控制。本系统选用单片机来完成这些工作，因而同时需要DSP和单片机交换数据。
　　
　　TMS320C542的HPI接口提供了一个很好的DSP和单片机之间通信的解决方法。HPI接口用于外部处理器或者微机总线与DSP之间的数据访问控制。外部处理器或微机可以利用这个接口访问DSP内部的内存空间，进行数据的读出或写入，而不妨碍DSP内部程序正常的运行处理。即使外部处理器的处理速度很慢，HPI接口也不会减慢或停止DSP的运算。如果外部处理器有必要申请DSP的服务，也可以利用此端口引发DSP的相应中断。HPI口由3个16bit寄存器控制，分别是HPIA（HPI地址寄存器）、HPlD（数据寄存器）、HPIC（控制寄存器），主设备就是通过这些寄存器与HPI通信。在TMS320C542的10KB内部RAM中，有2KB属于HPI存储块。对HPI进行操作。首先将控制字写入HPIC，然后将要存取的地址写入HPIA，zui后存取HPID，就可从HPI存储块读数或将数据写入HPI存储块。此外，还可选择HPIA自动增加方式，将初始地址写入HPIA后，每存取一次数据，地址都会自动加1，因而大大加快了存取速度。
　　
　　虽然HPl接口的8条数据线和5条访问控制线要占用单片机的13个I／O引脚，但是本系统所有单片机I／O资源是足够的。有了HPI接口，单片机可以将高压侧接收的电流、电压数据发送给DSP，并通过引发DSP中断申请DSP处理。当DSP处理完数据，单片机可以将需要显示的数据读出并通过LCD显示，单片机可以同时处理用户的键盘输入。利用HPI接口的特点，2个微处理器之间的通信不必匹配数据传输速率，也不会影响各自程序的执行速度。
　　
　　2．3．3低压侧电压、电流数据采集部分
　　
　　为了充分发挥DSP的数据处理能力，系统由一片FPGA构成独立的采样控制逻辑，FPGA采用Alera公司的Flexlok10，该芯片由一系列EAB（嵌入式阵列块）构成。每个EAB单元可提供2048bit用来构造SRAM，这样由FPGA完成低压侧电压、电流的采样，并将采样的数据存入内部的SRAM中，DSP可以直接访问FPGA内的SRAM，提高了整个系统的运行效率[2]。
　　
　　3OEWM上网试运行
　　
　　所研制的光电式高低压电能表（OEWM）系统在清华大学高电压实验室先后进行了光纤耐压试验、10kV电压等级下的抗干扰运行试验，并在山东菏泽进行了10kV电压等级的上网试运行，准确度等级优于土0．5%。
　　
　　4结语
　　
　　利用DSP芯片TMS320C542所具有的DSP和HPI接口功能，并结合CPLD可编程逻辑芯片扩展DSP的I／O接口功能，辅以FPGA实现电压、电流的采样控制，充分利用单片机、DSP、FPGA各自的特点和性能，成功地实现了光电式高低压电能表系统所需的数据采集、处理、控制的要求。