摘要：針對目前電力系統故障錄波器功耗高和缺少RF無線通信的缺陷，設計一種基于DSP與MSP430系列單片機CC430F5137的電力系統故障錄波器。分析了系統運行原理，詳細介紹了數據采集分析模塊和數據處理模塊的硬件電路設計方法。測試結果驗證了基于DSP和CC430F5137的RF無線通信模塊應用于電力系統故障錄波器的可行性。
關鍵詞：電力系統；故障錄波器；TMS320F2812；CC430F5137
引言
目前，電力系統錄波器已成為電力系統自動化及系統管理的重要組成部分。簡單地說，電力系統錄波器就是一種數據采集記錄裝置，它可以記錄系統非正常和正常狀況下系統電壓、電流、頻率的變化。在電力系統正常運行情況下記錄的數據，對于分析電力系統正常運行下電能的應用情況起著重要的作用；而故障階段記錄的數據，對于分析電力系統故障發生的原因，以及幫助尋找故障發生點，從而迅速處理相關故障事故起著關鍵的作用。
參考文獻設計的電力系統故障錄波器，其數據傳輸采用計算機與局域網相結合的方法，必須以局域網方式連接才能傳輸數據，使得其應用有一定的局限性。參考文獻設計方案是基于DSP的電力系統故障錄波器，通過以太網方式來控制。這兩種設計方案必須架設局域網絡才能實現數據傳輸，針對以上缺點，現采用基于DSP(TMS320F2812)與CC430F5137的設計方案。該方案可以實現100～200 m之間的無線傳輸，而且每個CC430F5137中的RF無線模塊都可以作為一個小中繼器，當作一個中間節點，這樣就可以實現無線網絡的架設，使得傳輸距離更遠。這些優點彌補了目前電力系統錄波器的缺陷，達到了目標應用的要求。
1 裝置整體運行原理
電力系統故障錄波器需要實現數據采集、分析處理等功能。如圖1所示，本系統分為兩部分：一部分是以DSPTMS320F2812為控制核心的數據采集分析模塊，其作用是采集6路模擬信號并分析處理數據，然后將此數據傳輸給CC430F5137；另一部分是以CC430F5137為核心的數據處理模塊，其作用是對分析后的數據進行顯示，并通過內部集成的RF無線模塊將數據發送給監控中心。首先，電力系統中的三相電壓和三相電流通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，然后由6路傳感器分別對電壓和電流進行數值轉換，轉換后的模擬信號經過信號調理電路傳遞給A／D轉換器AD7656。DSP芯片(TMS320F2812)控制AD7656將6路模擬信號轉換成數字信號，通過FFT算法對電壓和電流的數字量進行分析，并提取出基波和各次諧波分量，計算出功率因數、有功功率、無功功率和THD值等相關參數。最后，DSP通過串口將分析完的數據通過串口傳送給CC430F5137(簡稱F5137)，F5137將DSP傳送的數據通過觸摸屏進行顯示，包括波形和數值的顯示等。根據相關需要，F5137會利用內部集成的RF無線電模塊將數據傳輸給監控中心，如果需要顯示單相或者三相的電壓或者電流，可以通過鍵盤進行選擇。至此，系統運行完畢。
2 系統硬件設計
本系統核心采用TMS320F2812和CC430F5137，采集來的數字信號經過DSP處理后，利用串口將其發送給F5137。F5137將數據顯示在觸摸屏上，并通過RF無線電模塊將數據發送給監控中心。
2．1 數據采集分析模塊硬件電路設計
2．1．1 DSP最小應用系統
TMS320F2812是TI公司的高性能32位定點DSP芯片。主頻達150 MHz，具有低成本、低功耗和高性能的處理能力，特別適用于有大量數據處理的測控場合。
(1)TMS320F2812時鐘電路
出于資源利用和電路設計的簡單性考慮，TMS320-F2812的時鐘電路采用外接晶振的方法，即在TMS320F2812的X1和X2引腳之間連接一個晶振來啟動內部振蕩器。外部晶振的工作頻率為30 MHz，TMS320F2812內部具有一個可編程的鎖相環，用戶可根據所需系統時鐘頻率對其編程設置。
(2)TMS320F2812供電電路
TMS320F2812的供電要求有兩種不同的電壓：一種是為其內核供電的電壓，為1．9 V；另一種是為I／O口供電的電壓，為3．3 V。其中，Vdd供1．9 V電壓，VDDIO供3．3 V電壓，Vss接地。
2．1．2 TMS320F2812與AD7656的硬件電路
TMS320F2812與AD7656的硬件連接如圖2所示。TMS320F2812的ADCINA復用為I／O口與AD7656的D0～D15數據口相連，用來進行數據傳輸GPIOB59端口與CONVST A、CONVST B和CONVST C三個端口相連，作為AD7656的6路A／D同時采樣啟動控制口；GPIOB62端口與AD7656的讀信號／RD相連作為讀取數據控制口，GPIOB61端口與AD7656的BUSY相連，GPIOB63端口與AD7656的RESET端口相連作為重啟控制端口，GPIOB60端口與AD7656的／CS端相連作為片選控制口，用來檢測轉換是否結束。
2．2 數據處理模塊硬件電路
2．2．1 CC430F5137單片機介紹
CC430F5137是TI公司MSP430F5xx系列的MCU與低功耗RF收發器相結合的產品，可實現極低的電流消耗；采用電池供電的無線網絡應用，無需維修即可工作長達10年以上；微型封裝所包含的高級功能性還可為創新型RF傳感器網絡提供核心動力，以向中央采集點報告數據。CC430 F5137為16位超低功耗MCU，具有16 KB閃存、AES-128、2KB RAM和CC1101，供電電壓為1．8～3．6V，正常工作模式消耗電流為160μA／MHz，LPM 3消耗電流為2．0μA。
2．2．2 CC430F5137與觸摸屏硬件電路
本系統選用了北京迪文科技的DMT32240T03501WN型觸摸屏。其終端尺寸為3．5寸，背光模式為LED式，圖形點陣為320×240，輸入電壓范圍為3～10 V，內置32MB、60個字庫容量，支持GBK(簡體)、BIG5(繁體)等。其提供RS232串口與PC等進行通信，通信方便，最高數據傳輸速率可以達到115 200 bps。DMT32240T03501WN型觸摸屏提供了豐富的指令集，通過輸入相關的指令即可實現特定的功能，包括當前調色板顏色設置、文本顯示、曲線波形動態顯示、頻譜顯示、點顯示、圖片顯示、字符間隔設置、光標顯示、屏幕當前顯示圖片保存、剪切圖片、時間顯示、蜂鳴器音量調節等。
CC430F5137與DMT32240T035_01WN型觸摸屏的硬件連接如圖3所示。本系統采用的是觸摸屏供電電壓為+5 V的供電方式，觸摸屏的UART串口輸出為+5 V的電平，由于CC430F5137的SCIA口輸出的是3 V電壓，因此需要將2個串口電壓進行匹配轉換。為此選用了SP3223E型RS232接口芯片，其工作電壓為+3 V，外部需要連接4個電容以維持系統運行。SP3223E的電源電壓為+3 V，需要并聯2個電容以便能夠獲得較好的標準
電壓。F5137的RX端口與SP3223E的R1OUT端口相連，TX端口與SP3223E的T1IN端口相連；SP3223E的R1IN端口與觸摸屏的RX端口相連，T1OUT端口與觸摸屏的TX端口相連。／EN直接接地使SP3223E一直處于工作狀態，這樣就實現了F5137與觸摸屏的串口通信功能。
2．2．3 CC430F5137的RF無線電外圍電路
CC430F5137內部集成了CC1101無線電收發器，為了提高數據的傳輸速度，本系統的RF頻率設為915MHz，數據傳輸速率為38．4 kbps，信道間隔為100 kHz，發送功率最大可以達到50 dBm，傳輸距離可以達到200m。還可以根據監測點與監測中心的距離來調節發射功率的大小，達到低功耗的目的。CC430F5137的RF無線電外圍電路如圖4所示。CC430F5137的供電電源采用蓄電池供電，其電壓為+3V，外接晶振為26MHz，其中RY、N和RF_P為RF無線電收發器的接收和發射引腳，兩引腳外接天線。
3 系統測試及結果分析
根據整個系統的設計流程以及模塊化的設計方案，應用相關的實驗設施以及相關的硬件，分步驟地搭建實驗系統。下面分別就單相和三相電壓、電流的檢測進行測試，并對結果進行分析。
3．1 單相電壓、電流檢測
測量A相電壓和A相電流的觸摸屏顯示界面分別如圖5和圖6所示。圖5中，電壓波形接近正弦波形，所測電壓的最大值為231 V，THD為0．1％，功率因數為91％。測試結果與實際電壓的波形以及數值基本符合，但是所計算出的幅值會有一些誤差。這部分誤差主要是由傳感器測量精度以及信號調理電路中電阻的精度所引起的。功率因數的測量值和實際值相差不大，但是結果會有一定的浮動，其原因是測量功率因數是以軟件方法來測量的，計算出來的數值會有一些誤差，進而導致功率因數的不穩定。電流的測量結果與電壓測量結果相似，峰值以及THD計算符合實際測量標準，在功率因數的計算上有一定的誤差。
3．2 三相電壓、電流的檢測
測量三相電壓和三相電流，主要是將三相電壓或電流波形同時顯示出來，以便用戶觀察。三相電流顯示界面和三相電壓顯示界面分別如圖7和圖8所示。三相顯示功能只是顯示出了各相電流、電壓的最大值，并未標出THD、功率因數等參數。從圖中可以看出三相電流和三相電壓的波形顯示完好，波形連續，且三相之間的相位差滿足實際的測量要求。圖9為電能質量分析儀測量出三相電壓顯示界面。其顯示的三相電壓波形與電力系統錄波器所顯示的三相波形基本符合，而且所測量的電壓最大值與電力系統錄波器所測的結果基本一致。測試結果表明，本系統的測量結果達到了設計的標準，各種功能均滿足設計的要求。
本系統界面中波形的刷新時間可以設置，初始設置的刷新時間間隔為1s，根據需要可以更改屏幕的刷新時間間隔，以滿足實時測量的要求。單擊界面中的“保存波形”按鈕，可以實現保存波形的功能；單擊“回放波形”按鈕，可以再次觀看已保存的波形，并且將保存的波形數據存儲到存儲卡里，根據需要可以隨時調用數據進行實時分析。
結語
本文設計出了一種基于DSP芯片TMS320F2812和CC430F5137單片機的電力系統故障錄波器。測試結果表明，系統運行穩定可靠。該錄波器具有運算速度快、計算精確、設備移動方便、組網靈活等特點，具有較好的應用前景。