TMS320C5410A在电能质量监测装置设计中的应用

本设计选用CT53C902型号的电流互感器，其参数如下：线性误差为0.08%，工频相差为10’，负载条件为≤3V，变比为30A/10mA，频率响应为25Hz~5kHz。电流互感器电路连接如图3所示，互感器输出为电流信号，负载需接电流采样电阻，并且对输出电压有≤3V的要求，由于该装置应用于最大电流为30A的系统，电流互感器的输出电流大约为0~10mA，考虑到后级信号调理电路要求，在此选用100Ω精密电阻作为采样电阻，使电流信号转变为电压信号，幅值范围为-1.4V~+1.4V。

图2 电压互感器电路连接图

图3 电流互感器电路连接图

MAX291滤波电路

依据抽样定律，理论上，若采样频率大于信号最大频率的2倍，即，则可避免频率混叠效应。实际上，信号谱并不是矩形截止的，而且采样的时域有限，不可能采集无限长时间的信号，因而存在高频分量。因此，系统在进行信号处理之前，应采用低通滤波器来抑制大于的信号频率。本设计采用MAX291滤波器来进行滤波，MAX291滤波器电路如图4所示。MAX291是一种开关电容式有源低通滤波器，其3dB截止频率可在0.1kHz~25kHz之间选择，而且3dB截止频率与MAX291的工作频率的关系为1:100。MAX291可由内部振荡时钟和外部输入时钟方式提供工作频率，本文采用内部振荡时钟方式，只需在CLK引脚对地间连一个外接电容即可。

图4 MAX291滤波器电路图

电压信号调理电路

由电压互感器和电流互感器变换出来的双极性电压信号，需要经过由运算放大器组成的电压信号调理电路转变为单极性信号后，才能够送入AD芯片并转换为数字量。双极性信号转变为单极性信号实际是一个电位线性平移电路，主要由加法器和比例器组成，经过参数整定后的电压信号调理电路如图5所示。

图5 电压信号调理电路图

TLV2541转换电路

根据系统工作要求，本设计的AD芯片选用TLV2541，TLV2541是一种高性能微型12位低功耗CMOS模数转换器，它使用宽电源供电，工作电压范围是2.7V~5.5V；器件具有片选CS、串行时钟SCLK和串行数据输出SDO，提供了能与大多数串口微处理器直接相连接的3线SPI接口；能够维持非常低的功耗。TLV2541有SPI和DSP两种工作方式，在本文中，由于TLV2541直接与DSP相连，由DSP控制AD芯片采样，因此在此采用DSP工作方式，TLV2541芯片与DSP处理器连接如图6所示。

图6 TLV2541芯片与DSP处理器连接图

信号采集模块电源电路

在本设计中，MAX291滤波器和运算放大器都使用±5V的双极性电源。5V电源可由电源LM1117-5提供，LM1117是一种三端线性稳压电源，其应用电路简单，只需要在输入输出端加上滤波电容和旁路电容就可以得到稳定的输出，LM1117-5电源电路如图7所示。-5V电源则由CMOS电压转换芯片ICL7660提供，ICL7660电源电路如图8所示，ICL7660只需要外接两个电容，就能够将+1.5V~+10V范围内的正电压转换为-10V~-1.5V的负电压。

图7 LM1117-5电源电路图

图8 ICL7660电源电路图

DSP信号处理模块设计

DSP信号处理模块用于与AD芯片进行通信，控制AD采样频率，并对所得到的数据进行运算处理，再把运算结果通过HPI接口传送给MSP430单片机。根据系统要求，DSP信号处理模块选用TMS320VC5410A处理器。

TMS320VC5410A处理器是一种改进哈佛架构的定点数字信号处理器，拥有并行的算术逻辑、专用硬件逻辑单元、片上存储器以及其他的片上外设；具有1条程序空间总线和3条数据空间总线；它允许同时存取程序指令和数据，两个读操作和一个写操作也能在单周期内执行，极大地提高了DSP的运行速度。数据能在程序空间和数据空间之间进行传输，这种并行方式使得DSP在一个周期内能够执行一系列的逻辑、算术和位操作指令。而且，TMS320VC5410A还拥有管理中断、重复操作和函数调等功能的控制机制。本文中，TMS320VC5410A的片上外设用到了多通道缓冲串口（McBSP）和主机接口（HPI-8），McBSP用于AD采样控制，HPI用于与MSP430的通信控制。

McBSP提供了与一些串行设备的全双工、双向的通信，如串行模数转换器等，McBSP由一个数据通道和一个控制通道组成，它们通过7个引脚与外部器件相连接。数据通过数据发送引脚DX和接收引脚DR与连接到McBSP的器件进行通信；控制信息以时钟和帧同步信号的形式通过CLKX、CLKR、FSX和FSR来传送。C5410A可以通过16位宽的控制寄存器与McBSP通信。本文中，缓冲串口McBSP用来与AD芯片TLV2541通信，采集AD转换后的数值，接口连接如图6所示，CLKX/R引脚与TLV2541的SCLK引脚相连接，为AD提供时钟；FSX/R引脚与TLV2541的 引脚相连接，由帧同步信号来控制采样频率；DR引脚与TLV2541的SDO引脚相连接，接收串行数据。最