基于DSP与CPLD的输电线路局部气象监测装置系统设计

1 概 述
输电线路的状态直接决定着整个电网的安全稳定运行，输电线路微气象参数的实时监测能够为电网正常调度、以及自然灾害预测和控制提供必要的现场信息。输电线路是电力系统的关键元件之一。为了安全、稳定地运行，调度系统往往会收集输电线路的电气参数和运行工况参数(如输电线的型号、排列方式，以及其上的潮流分布信息等)，并进行适当的控制。在电力系统的研究成果中，更多的是关注潮流优化、系统故障和系统稳定性问题，而在气象条件对输电线路的影响方面的研究相对不足。
我国是输电线路自然灾害严重的国家之一，雨雪冰冻天气造成的线路覆冰问题一直没有得到很好的解决，而线路覆冰对电网的破坏很大。要预测和控制这些自然灾害，只有输电线路的电气运行参数是不够的。例如，要研究输电线路的覆冰问题，就必须收集与成结冰机理直接相关的线路周围的局部气象参数。
为了实现输电线路的局部气象参数采集，必须设计局部气象参数在线监测装置，以便为更高层次的应用决策提供基础数据。本文设计了一种能够实现输电线路局部气象监测、基于"DSP+CPLD"的实时数据采集和监测装置，可以实现环境温度、湿度、大气压力、风速和风向等参数的测量。

2 系统硬件设计
该装置包括数据采集装置以及外围的测量传感器和变送器。数据采集装置选用TI公司的DSP芯片TMS320VC33(简称VC33)。它具有丰富的指令系统、哈佛总线结构、高速数据处理能力。
地址译码和时序控制电路由CPLD实现，用于协调硬件各部分之间的工作。Lattice公司的CPLD芯片ispLSI2032A具有在系统可编程能力和在系统诊断能力，可以实现硬件功能的软件在线修改，简化硬件设计，提高硬件系统的稳定性。由它实现所有扩展设备的地址译码功能、外部存储器访问等待状态信号，以及其他DSP与外设的访问定时信号的产生，并扩展出几个数字I／O口。采用CPLD实现VC33与外设之间的控制信号，具有时序严格、稳定可靠的特点。在本设计中，ispLS12032A的仿真扫描接口为JTAG接口；其软件采用ABEL语言编写，在Synario开发环境下完成设计输入、设计文件处理、布线前仿真、设计适配、布线后仿真、程序下载等过程。
2．1 外部存储器
存储器的选取原则是：存取速度和总线电平必须和VC33相匹配。设定VC33的工作模式为Microcomputer／Bootloader，存储器空间分配如下：
①程序SRAM。起始地址810000h，长度64K字，运行时存放VC33的程序代码，由2片Cypress公司的64K×16位高速CY7C1021V33-12VI组成。
②数据SRAM。起始地址820000h，长度64K字，VC33的运行变量空间同样由2片CY7C1021V33-12Ⅵ组成。
③Flash ROM。起始地址400000h，长度3FFFFh字节，存放VC33的BOOT TABLE，采用1片ISSI公司的快速Flash芯片IS28F020。
④NVRAM。起始地址C00000h，长度3FFh字节，存放重要的运行参数，可在线修改且掉电后数据不丢失，采用1片Dallas公司的非易失性RAM。
2．2 DSP与外部通信接口电路和人机界面
通信功能包括两部分：与PC机的通信，实现水源热泵运行数据的上传，这些数据可用于进一步的分析；与LCD(液晶显示器)的通信，并与键盘接口电路构成人机界面。VC33与LCD芯片SC16C750B的串口通信接口电路如图1所示。

VC33与PC机、LCD之间的通信符合串口通信规约RS232，其物理接口皆由。EXAR公司的UART芯片ST16C550加上一片Maxim公司的RS232接口驱动芯片MAX3232扩展而来，工作模式为查询式。
实时数据采集系统在运行时总要进行人机交互(包括在LCD上显示运行状态、设置运行参数等)，因此还必须设计键盘接口。本文选用1片东芝公司的82C79芯片完成4×4键盘矩阵的扫描。82C79的工作模式设置为译码扫描键盘工作方式，并占有VC33的INT2中断。当有按键动作时，82C79产生中断信号给VC33，VC33调用键盘扫描程序读取所按键的编码。
2．3 电源和时钟电路
VC33的电源电路采用TI公司的双电源应用芯片TPS767D318。其外围I／O工作电压DVDD为3．3 V，而其核心的工作电压CVDD为1．8 V。电源电路如图2所示。

除了在正常运行时工作电压要稳定外，VC33还要求上电过程中保证CVDD端电压不能超过DVDD端电压0．6 V，采用肖特基限位整流器DL5817来提供此安全保证。二极管D1和D2起到钳位CVDD、DVDD两个工作电压的作用。在TPS767D318的电压输出端均接有较大容量的电容，用于处理电压输出起始阶段非常大的暂态电流，以免烧坏VC33。VC33强化了时钟配置功能，可提供多种时钟工作方式。设计中用外部有源时钟、内部时钟电路不启振、内部倍频系数为1的时钟工作方式。
2．4 数据采集系统
系统应该监测的基本参数包括：环境温度、湿度、大气压力、风速和风向等参数。除了风向外，其余都是模拟量。为了把连续的模拟量转换为能被VC33处理的离散的数字量，必须设计A／D转换电路。
ADI公司的AD7874为自带采样／保持、4通道同时采样、高精度的12位数据采集A／D芯片，适合水源热泵工质某点的温度和压力的同相位采集。其输入信号范围为±10 V，单通道采样频率可达29 kHz。AD7874输入通道的多路复用通过选用Phillips公司的16选1多路模拟转换开关HEF4067来实现。由于水源热泵节能最优控制为动态实时测控，且水源热泵热工动态过程相对缓慢的特点，对各个模拟量采集频率设定为24 Hz，即每秒24个点。
2．4．1 大气压力测量
大气压力测量泵的工质压力、水压力到电压信号的转换由Siemens公司的QBE620-P16压力变送器实现。QBE620-P16既适用于气体，也适用于液体，温度工作范围宽，适合输电线路的恶劣运行现场。外加工作电压范围为DC 18～33 V，测量压力范围为0～232 psi。测量信号输出DC 0～10 V，经有源滤波和抗混叠电路后输入AD7874，由AD7874完成A／D转换。
一般认为，压力变送器的测量压力与输出直流信号之间的关系为线性变换，但实际上线性度并不为零。在压力测量范围较大时，由线性度引起的测量系统误差不能忽略，应根据试验数据进行校准。
2．4．2 环境温度测量
输电线路覆冰与温度紧密相关，温度的测量精度直接决定着覆冰预测的精度。本设计中温度传感器选三线制Pt100铂电阻温度传感器，按照国际温度标准ITS-90：