1、1/682022-7-28Xian University of Science and Technology主要内容2.1 2.1 微机保护装置硬件概述微机保护装置硬件概述2.2 2.2 数据采集系统数据采集系统2.3 2.3 基于基于DSPDSP的数据采集系统的数据采集系统2.4 2.4 CPUCPU主系统主系统2.5 2.5 微机保护网络通信微机保护网络通信2.6 2.6 开关量的输入及输出回路开关量的输入及输出回路2.7 2.7 微机保护硬件结构举例微机保护硬件结构举例2/682022-7-28Xian University of Science and Technology 从功能上讲
2、，微机保护装置包括四个部分：从功能上讲，微机保护装置包括四个部分：数据采集系统、数据采集系统、CPUCPU主系统、开关量输入主系统、开关量输入/输出回路、电源回路输出回路、电源回路等。等。2.1 2.1 微机保护装置硬件概述微机保护装置硬件概述Xian University of Science and Technology3/682022-7-28Xian University of Science and Technology2.2.1 2.2.1 基于基于A/DA/D转换的数据采集系统组成及结构转换的数据采集系统组成及结构2.2 数据采集系统 在微机继电保护装置中，在微机继电保护装置中，
3、数据采集系统的功能数据采集系统的功能是将输入模拟电是将输入模拟电量转换为微机能够识别的数字量。量转换为微机能够识别的数字量。基于基于A/DA/D转换的数据采集系统以转换的数据采集系统以A/DA/D转换器为模拟量到数字量的转换器为模拟量到数字量的转换单元，它转换单元，它包括包括电压形成回路、模拟低通滤波器电压形成回路、模拟低通滤波器ALFALF、采样保持、采样保持电路电路S/HS/H、多路转换开关、多路转换开关MPXMPX及及A/DA/D转换电路等。转换电路等。Xian University of Science and Technology2.2.1 2.2.1 数据采集系统组成及结构数据采集
4、系统组成及结构4/682022-7-28Xian University of Science and Technology2.2 数据采集系统Xian University of Science and Technology1.1.同时采样分时转换方式同时采样分时转换方式 如图如图2-22-2所示框图，在每一个模拟通道中设有采样保持器，所示框图，在每一个模拟通道中设有采样保持器，CPUCPU发出统一的采样脉冲，使各通道在同一时刻采样。发出统一的采样脉冲，使各通道在同一时刻采样。这种在每一个采样周期对所有通道的量在同一时刻采样叫这种在每一个采样周期对所有通道的量在同一时刻采样叫同同时采样时采样。
5、图2-2 同时采样分时转换方式2.2.1 2.2.1 数据采集系统组成及结构数据采集系统组成及结构5/682022-7-282.2.分时采样分时转换的方式分时采样分时转换的方式 如图如图2-32-3所示。模拟多路转换开关置于采样保持器前端，各通所示。模拟多路转换开关置于采样保持器前端，各通道公用一个采样保持器和道公用一个采样保持器和A/DA/D转换器。在每一个采样周期内，首先转换器。在每一个采样周期内，首先对第一模拟信号进行采样，然后在对其进行对第一模拟信号进行采样，然后在对其进行A/DA/D转换，接下来在对转换，接下来在对下一通道进行采样和下一通道进行采样和A/DA/D转换，直到所有通道模拟
6、信号转换完毕。转换，直到所有通道模拟信号转换完毕。Xian University of Science and Technology2.2 数据采集系统Xian University of Science and Technology图2-3 分时采样分时转换的方式2.2.1 2.2.1 数据采集系统组成及结构数据采集系统组成及结构6/682022-7-283.3.分组同时采样分时转换的方式分组同时采样分时转换的方式 如图如图2-42-4所示框图表示。该方式将模拟信号分组，在一个采样所示框图表示。该方式将模拟信号分组，在一个采样周期内对一组的模拟信号同时采样，分时转换；各组之间则分时周期内对一
7、组的模拟信号同时采样，分时转换；各组之间则分时采样。采样。Xian University of Science and Technology2.2 数据采集系统Xian University of Science and Technology图2-4 分组同时采样分时转换的方式2.2.1 2.2.1 数据采集系统组成及结构数据采集系统组成及结构7/682022-7-282.2.2 2.2.2 电压形成回路电压形成回路 电压形成回路的电压形成回路的主要作用主要作用是电量变换。是电量变换。微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器
8、或其它变换器上取得信号，互感器或其它变换器上取得信号，并把这些信号通过处理变成并把这些信号通过处理变成微微机保护装置中的数模转换器输入电压机保护装置中的数模转换器输入电压范围内的电压范围内的电压等形式，等形式，其实其实现方法如图现方法如图2-52-5。Xian University of Science and Technology2.2 数据采集系统Xian University of Science and Technology2.2.2.2.2 2 电压形成回路电压形成回路8/682022-7-28Xian University of Science and Technology2.2
9、数据采集系统Xian University of Science and Technology 在微机保护中，一般采用在微机保护中，一般采用电流变换器将电流信号变换为电压信电流变换器将电流信号变换为电压信号号。采用电流变换器时，连接方式如图。采用电流变换器时，连接方式如图2-62-6所示。所示。由图由图2-62-6可得可得122LHLHLHiuRiRn其中：其中：R RLHLH为电流变换器的变比。为电流变换器的变比。在设计时，相关参数应满足的条件是在设计时，相关参数应满足的条件是maxmaxLHLHiRUn2.2.2.2.2 2 电压形成回路电压形成回路9/682022-7-28Xian Un
10、iversity of Science and Technology2.2.3 2.2.3 模拟低通滤波器模拟低通滤波器 在电力系统发生故障时，可在采样之前先用一模拟低通滤波器在电力系统发生故障时，可在采样之前先用一模拟低通滤波器将频率高于采样频率一半的信号滤掉。将频率高于采样频率一半的信号滤掉。模拟低通滤波器一般为一阶或二阶的模拟低通滤波器一般为一阶或二阶的RCRC阻容滤波器。如图阻容滤波器。如图2-72-7所示。所示。2.2 数据采集系统Xian University of Science and Technology2.2.2.2.3 3 模拟低通滤波器模拟低通滤波器10/682022-
11、7-28Xian University of Science and Technology当负载开路时，一阶当负载开路时，一阶RCRC滤波器的截止频率为滤波器的截止频率为:当滤波器接有负载时，一阶当滤波器接有负载时，一阶RCRC滤波器的截止频率为：滤波器的截止频率为：其中：其中：二阶低通滤波器的二阶低通滤波器的传递函数传递函数为为:2.2 数据采集系统Xian University of Science and TechnologyRCf21=C)11(affCCRRaL 211 3()H sRCRC2.2.2.2.3 3 模拟低通滤波器模拟低通滤波器11/682022-7-28Xian Un
12、iversity of Science and Technology2.2 数据采集系统2.2.4 2.2.4 采样保持电路采样保持电路1.1.采样保持电路的作用原理采样保持电路的作用原理 采样保持采样保持(sample/Hold)(sample/Hold)电路，其电路，其作用作用是在一个极短的时间内是在一个极短的时间内测量模拟输入量在采样时刻的瞬时值，并在测量模拟输入量在采样时刻的瞬时值，并在A/DA/D转换器进行转换的转换器进行转换的期间保持其输出恒定，以便使期间保持其输出恒定，以便使A/DA/D转换器将其转换成计算机便于接转换器将其转换成计算机便于接受的数字信号。受的数字信号。利用采样保
13、持电路后，可以方便的对利用采样保持电路后，可以方便的对多个模拟量实现同时采样多个模拟量实现同时采样。Xian University of Science and Technology2.2.2.2.4 4 采样保持电路采样保持电路Xian University of Science and Technology12/682022-7-28采样保持电路的采样保持电路的工作原理工作原理可用图可用图2-82-8来说明来说明。2.2 数据采集系统2.2.2.2.4 4 采样保持电路采样保持电路Xian University of Science and Technology13/682022-7-28
14、2.2 数据采集系统 在实际采样保持器中，采样状态（在实际采样保持器中，采样状态（S S态）时，上的电压不可能态）时，上的电压不可能立即跟踪输入电压，而有一个过渡过程实际的跟踪采样和保持过程立即跟踪输入电压，而有一个过渡过程实际的跟踪采样和保持过程如图如图2-92-9。2.2.2.2.4 4 采样保持电路采样保持电路Xian University of Science and Technology14/682022-7-282.2.对采样保持电路的要求对采样保持电路的要求2.2 数据采集系统 高质量的采样保持电路应高质量的采样保持电路应满足以下几点满足以下几点：（1 1）截获时间短。）截获时间
15、短。（2 2）保持时间要长。）保持时间要长。（3 3）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的泄漏电流要小。）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的泄漏电流要小。2.2.2.2.4 4 采样保持电路采样保持电路Xian University of Science and Technology15/682022-7-282.2 数据采集系统 图图2-102-10是微机保护装置中常采用的一种采样保持电路芯片是微机保护装置中常采用的一种采样保持电路芯片LF398LF398的的原理图。原理图。2.2.2.2.4 4 采样保持电路采样保持电路Xian University of Science and T
16、echnology16/682022-7-282.2 数据采集系统2.2.5 2.2.5 模拟多路转换开关模拟多路转换开关 多路转换器包括选择接通路数的二进制译码电路和各路电子开多路转换器包括选择接通路数的二进制译码电路和各路电子开关，它们被集成在一个电路芯片中。以关，它们被集成在一个电路芯片中。以1616路多路转换开关芯片路多路转换开关芯片AD7506AD7506为例，内部示于图为例，内部示于图2-112-11。译码/驱动 0 1 2 3ENAAAA0 .15ASAS输出015 .iiuu(15)PPUV(15)SSUV图2-11 AD7506 内部结构图0u2.2.2.2.5 5 模拟多路
17、转换开关模拟多路转换开关Xian University of Science and Technology17/682022-7-282.2 数据采集系统 2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器 模数转换是实现计算机控制的关键技术，是将模拟量转换为模数转换是实现计算机控制的关键技术，是将模拟量转换为计算机能够识别的数字量的桥梁。计算机能够识别的数字量的桥梁。1.1.模数转换的一般原理模数转换的一般原理 模数转换器模数转换器ADC(analog-to-digital converter)ADC(analog-to-digital converter)是将输入的模是将输入的模拟量与基准电压比
18、较，编成二进制代码数字信号的电路，它可以拟量与基准电压比较，编成二进制代码数字信号的电路，它可以被认为是一个编码电路。被认为是一个编码电路。在进行在进行A/DA/D转换时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数转换时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍，这个用二进制数表示模拟输入量的转化过程叫做倍，这个用二进制数表示模拟输入量的转化过程叫做量化量化。所取。所取得最小单位叫做得最小单位叫做量化单位量化单位，用，用表示。表示。把量化的结果用代码表示出来称为把量化的结果用代码表示出来称为编码编码。既然模拟电压是连。既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被续的，那么它就不一定能被整除，因而量化过
19、程不可避免的会整除，因而量化过程不可避免的会引入误差，这种误差称为引入误差，这种误差称为量化误差量化误差。量化的量化的方法方法：1 1）无偏移的分层量化法无偏移的分层量化法 2 2）有偏移的分层量化有偏移的分层量化 2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian University of Science and Technology18/682022-7-282.2 数据采集系统 例：例：下面用下面用3 3位二进制数表示模拟信号来说明量化过程。位二进制数表示模拟信号来说明量化过程。如图如图2-122-12所示。所示。2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian Universi
20、ty of Science and Technology19/682022-7-282.2 数据采集系统 一个理想的一个理想的A/DA/D转换器，其要转化的输入电压转换器，其要转化的输入电压 、输出的、输出的数字量数字量D D、参考电压、参考电压 之间的关系为之间的关系为对于单极性的模拟量对于单极性的模拟量，D D可表示为可表示为 均为二进制码，其值只能是均为二进制码，其值只能是“1”“1”或或“0”“0”。因而。因而 上式即为上式即为A/DA/D转换器中，将模拟信号进行量化的表示式转换器中，将模拟信号进行量化的表示式。量化误差为量化误差为srURUsrRUDU1212222nnDBBB1nB
21、B1212222nsrRnUUBBB12RnqU 2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian University of Science and Technology20/682022-7-282.2 数据采集系统2.2.数模转换器数模转换器DACDAC 数模转换器的作用数模转换器的作用是将数字量转换成模拟量。图是将数字量转换成模拟量。图2-132-13是一个是一个4 4位数模转换器的原理图。位数模转换器的原理图。2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian University of Science and Technology21/682022-7-282.2 数据采集系
22、统这种电阻网络有一个特点，这种电阻网络有一个特点，即输出电压为即输出电压为当取当取 时，时，由此可见，输出的的模拟量电压由此可见，输出的的模拟量电压 正比于输入的数字量，比例常正比于输入的数字量，比例常数为数为 或或 。RFSCFU RuI RDRFRRSCRuUDSCuRFU RRRU 2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian University of Science and Technology22/682022-7-282.2 数据采集系统3.3.逐次逼近型逐次逼近型ADCADC的原理的原理 逐次逼近型的逐次逼近型的D/AD/A转换器转换器原理原理如图如图2-142-14所
23、示。所示。+-D/ASAR置数选择逻辑RUiu模拟电压二进制数字量输出D时钟A图2-14 逐次逼近型A/D转换器Du 置数逻辑的作用是置数送出数字置数逻辑的作用是置数送出数字量量D D；暂存器暂存数字量；暂存器暂存数字量D D，以便数模，以便数模转换；数模转换器实现数字量到模拟转换；数模转换器实现数字量到模拟量的转换，输出量的转换，输出 送给比较器的反相送给比较器的反相输入端；比较器比较输入电压输入端；比较器比较输入电压 和和 ，输出置数逻辑。输出置数逻辑。iuDu 2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian University of Science and Technology2
24、3/682022-7-282.2 数据采集系统4.A/D4.A/D转换的溢出与极性转换的溢出与极性 对于没有对于没有设置片内偏置电路设置片内偏置电路的的A/D A/D 转换器，可以通过外接简单转换器，可以通过外接简单偏置电路把单极性的偏置电路把单极性的A/DA/D转换器变成双极性的偏置二进制码的转换器变成双极性的偏置二进制码的A/DA/D转转换器。换器。其其连接方法如图连接方法如图2-152-15。+-A来自D/AR1RbRiuu单极性A/D转换器uu图2-15 A/D转换器偏置双极性输入 2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian University of Science and
25、 Technology24/682022-7-282.2 数据采集系统外加偏置电压外加偏置电压 和电阻和电阻 的大小可按下式计算：的大小可按下式计算：UbR112RbRUURR 其中：其中：是是A/DA/D转换器的满量程输入电压，转换器的满量程输入电压，包括信号源之内阻。包括信号源之内阻。对于这一类对于这一类A/DA/D转换器，变成双极性输入后，一般均用偏移码转换器，变成双极性输入后，一般均用偏移码 表示双极性输入结果，假设表示双极性输入结果，假设A/DA/D转换器是转换器是8 8位的输入电压位的输入电压u u+的要求的要求范围是范围是0+5V,0+5V,偏置电路中的偏置电压偏置电路中的偏置电
26、压 取取+5V+5V，时，由时，由图图2-152-15知知RU1RU1bRRRiuuuu即即:则：则：225iuuuu5=22iiuuuu 2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian University of Science and Technology25/682022-7-282.2 数据采集系统5.ADC5745.ADC574芯片简介芯片简介 目前微机保护常用的目前微机保护常用的A/DA/D转换器芯片转换器芯片AD574,AD574,其内部包括快速其内部包括快速1212位位D/AD/A转换器、高性能比较器、逐次比较逻辑寄存器、时钟电路、转换器、高性能比较器、逐次比较逻辑寄存器
27、、时钟电路、逻辑控制电路及三态输出数据锁存器等。一次转换时间为逻辑控制电路及三态输出数据锁存器等。一次转换时间为2525s s，工作电源为工作电源为15V15V和和+5V+5V。其外型管脚见图。其外型管脚见图2-162-16，2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian University of Science and Technology26/682022-7-282.2 数据采集系统6 6 微机保护对模数转换器的主要要求微机保护对模数转换器的主要要求 对微机保护而言，选择对微机保护而言，选择A/DA/D转换芯片时，主要考虑转换时间、转换芯片时，主要考虑转换时间、量化误差和分辨率。
28、量化误差和分辨率是由量化误差和分辨率。量化误差和分辨率是由A/DA/D转换器输出的位数转换器输出的位数决定。决定。1 1）A/DA/D转换器完成一次转换需要的时间为转换器完成一次转换需要的时间为A/DA/D转换的时间转换的时间。各个模。各个模拟量通道公用一个拟量通道公用一个A/DA/D转换器，所以至少要求采样间隔时间转换器，所以至少要求采样间隔时间 ，与，与模拟量路数模拟量路数n n、A/DA/D转换一路的时间转换一路的时间 、读取一次、读取一次A/DA/D转换结果转换结果 的的时间的关系为时间的关系为其中，为时间余量。其中，为时间余量。2 2）A/DA/D转换器的位数转换器的位数，决定了量化
29、误差大小，反映转换的精度和分，决定了量化误差大小，反映转换的精度和分辨率，这对微机保护十分重要。辨率，这对微机保护十分重要。STADtRtSADRTn tttt 2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian University of Science and Technology27/682022-7-282.2 数据采集系统 例如，例如，A/DA/D转换器转换器AD574AAD574A的分辨率是的分辨率是1212位的，即该转换器的输位的，即该转换器的输出数据可以用个二进制数进行量化，其分辨率为出数据可以用个二进制数进行量化，其分辨率为1LSB1LSB。如果用百分。如果用百分数来表示分
30、辨率时，其分辨率为数来表示分辨率时，其分辨率为 量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由于有限数字对模拟量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由于有限数字对模拟量进行离散取值而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位量进行离散取值而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位分辨率，即分辨率，即 。提高分辨率可减少量化误差。提高分辨率可减少量化误差。12111100%100%100%0.0244%409622N12LSB 2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian University of Science and Technology28/682022-7-282.2 数据采集系统7
31、7 基于基于A/DA/D转换器的数据采集系统举例转换器的数据采集系统举例图图2-182-18是常见的数据采集系统与是常见的数据采集系统与CPUCPU连接的接线方式之一。连接的接线方式之一。2.2.6 2.2.6 模数转换器模数转换器Xian University of Science and Technology29/682022-7-282.2 数据采集系统2.2.7 2.2.7 基于基于VFCVFC转换的数据采集系统转换的数据采集系统1.1.基于基于VFCVFC的数据采集系统组成的数据采集系统组成 电压频率转换器电压频率转换器VFCVFC（Voltage Frequency Convert
32、erVoltage Frequency Converter）是一种）是一种实现模数转换功能的器件。按照图实现模数转换功能的器件。按照图2-192-19的连接方式，实现模拟信号的连接方式，实现模拟信号到数字信号的转换功能。到数字信号的转换功能。2.2.7 2.2.7 基于基于VFCVFC转换的数据采集系统转换的数据采集系统Xian University of Science and Technology30/682022-7-282.2 数据采集系统2.VFC2.VFC转换器的电压和频率的关系转换器的电压和频率的关系VFCVFC器件在直流输入的条件下，输入电压为器件在直流输入的条件下，输入电压为
33、 ，输出方波脉冲信，输出方波脉冲信号的频率为号的频率为f f，则，则式中：式中：VFC VFC的转换系数，一般为为常数。的转换系数，一般为为常数。如果在一个采样间隔如果在一个采样间隔 内对计数器的计数结果进行读数的话，那内对计数器的计数结果进行读数的话，那么，相当于在这个间隔么，相当于在这个间隔 内对脉冲内对脉冲“个数个数”进行求和计算。计数器进行求和计算。计数器的计数值与输入电压信号的积分成正比即：的计数值与输入电压信号的积分成正比即：在交流输入的条件下，在交流输入的条件下，在交流输入的条件下，在交流输入的条件下，VFCVFC在任意在任意t t时刻的时刻的输出频率与该时刻模拟量输入电压的瞬时
34、值成正比，即输出频率与该时刻模拟量输入电压的瞬时值成正比，即srUvsrfK UVKSTSTSSt Tt TVsrttDfdtKU dtmax()sin()()VsVsrf tK UtK ut 2.2.7 2.2.7 基于基于VFCVFC转换的数据采集系统转换的数据采集系统Xian University of Science and Technology31/682022-7-282.2 数据采集系统交流输入条件下，计数器的计数值与输入电压信号的积分也成正交流输入条件下，计数器的计数值与输入电压信号的积分也成正比即：比即：因此，可以得出关于因此，可以得出关于VFCVFC的重要结论：的重要结论：
35、VFCVFC型数据采集系统的输出型数据采集系统的输出值与输入电压值与输入电压 的积分成正比，且比例系数为常数。的积分成正比，且比例系数为常数。()St TVsrtDKut dt)(tusr 2.2.7 2.2.7 基于基于VFCVFC转换的数据采集系统转换的数据采集系统Xian University of Science and Technology32/682022-7-282.2 数据采集系统3.V/F3.V/F转换的分辨率与采样频率的关系转换的分辨率与采样频率的关系 分辨率分辨率一般用一般用A/DA/D转换器输出的数字量位数来衡量。转换器输出的数字量位数来衡量。VFC VFC等效的位数取
36、决于等效的位数取决于：1 1）VFCVFC的最高频率；的最高频率；2 2）采样间隔和积分采样间隔和积分间隔的大小。间隔的大小。VFC VFC的最大输出数字量的最大输出数字量 与与VFCVFC最大频率最大频率 之间的关系如下：之间的关系如下：积分间隔数与采样间隔之间的关系，如图积分间隔数与采样间隔之间的关系，如图2-202-20所示。所示。maxDVFCfmaxVFCVFCSSfDfNTNf积分间隔)3(NNTS积分间隔)3(NNTSk1kST采样间隔ST图2-20 N与TS的关系 2.2.7 2.2.7 基于基于VFCVFC转换的数据采集系统转换的数据采集系统Xian University o
37、f Science and Technology33/682022-7-282.2 数据采集系统4.V/F4.V/F转换型数据采集系统的特点转换型数据采集系统的特点 VFC VFC构成的数据采集系统主要有以下特点：构成的数据采集系统主要有以下特点：（1 1）低通滤波。）低通滤波。（2 2）抗干扰能力强。）抗干扰能力强。（3 3）位数可调。）位数可调。（4 4）与微型机的接口简单。）与微型机的接口简单。（5 5）实现多微型机共享。）实现多微型机共享。（6 6）易于实现同时采样。）易于实现同时采样。（7 7）不适用于高频信号的采集。）不适用于高频信号的采集。2.2.7 2.2.7 基于基于VFCV
38、FC转换的数据采集系统转换的数据采集系统Xian University of Science and Technology34/682022-7-28 将将DSPDSP应用于微机继电保护的应用于微机继电保护的优点优点：1 1）DSPDSP具有良好的并行特性，并有专门设计的适于数字信号处具有良好的并行特性，并有专门设计的适于数字信号处理的指令系统等，与单片机相比具有更适合数字信号处理的优点。理的指令系统等，与单片机相比具有更适合数字信号处理的优点。2 2）将将DSPDSP应用于微机继电保护，不但可以完成数据采集、信号应用于微机继电保护，不但可以完成数据采集、信号处理的功能，还可完成以往主要由处理
39、的功能，还可完成以往主要由CPUCPU完成的运算，实现独立的继完成的运算，实现独立的继电保护功能。电保护功能。2.3 基于DSP的数据采集系统Xian University of Science and Technology35/682022-7-282.3.12.3.1数据采集系统的硬件结构数据采集系统的硬件结构 数据采集系统的数据采集系统的硬件结构硬件结构如如图图2-212-21所示所示。2.3 基于DSP的数据采集系统2.3.1 2.3.1 数据采集系统的硬件结构数据采集系统的硬件结构Xian University of Science and Technology36/682022-7
40、-28 交流采样通道的交流采样通道的原理原理如如图图2-222-22所示所示。2.3 基于DSP的数据采集系统 运放是在运放是在5V5V供电条件下，输出电压为供电条件下，输出电压为-4.1-4.1+4.1V+4.1V，因此当，因此当信号最大量程时，对应的运放输出幅值应小于信号最大量程时，对应的运放输出幅值应小于4.1V4.1V，否则运放将发，否则运放将发生电压饱和。生电压饱和。当互感器输出电流为当互感器输出电流为I I时，运放输出的电压时，运放输出的电压 忽略对幅忽略对幅值的影响），为防止运放发生电压饱和，必须选择合适的值的影响），为防止运放发生电压饱和，必须选择合适的 、。1012fIRRU
41、RR3R4R2.3.1 2.3.1 数据采集系统的硬件结构数据采集系统的硬件结构Xian University of Science and Technology37/682022-7-28 TMS320VC33TMS320VC33与与A/DA/D部分的接口如图部分的接口如图2-232-23所示所示。2.3 基于DSP的数据采集系统 DSPDSP通过调用程序存储器中的程序对采样的数据进行处理与计算，其计算通过调用程序存储器中的程序对采样的数据进行处理与计算，其计算结果与存放在电可擦除可编程只读存储器（结果与存放在电可擦除可编程只读存储器（EEPROMEEPROM）中的整定值进行比较，以）中的整
42、定值进行比较，以判别装置是否出口。判别装置是否出口。2.3.1 2.3.1 数据采集系统的硬件结构数据采集系统的硬件结构Xian University of Science and Technology38/682022-7-282.3.2 2.3.2 软件设计软件设计数据采集系统程序流程如图数据采集系统程序流程如图2-242-24所示。所示。2.3 基于DSP的数据采集系统 系统软件设计的系统软件设计的主要功能主要功能是完成数据采集、把数据读取到数据是完成数据采集、把数据读取到数据存储器、数据分析与处理、数据输出。存储器、数据分析与处理、数据输出。2.3.2 2.3.2 软件设计软件设计Xi
43、an University of Science and Technology39/682022-7-282.4.1 CPU2.4.1 CPU主系统的概述主系统的概述1 1.CPUCPU主系统组成主系统组成 一个基本的一个基本的CPUCPU主系统包括主系统包括中央微处理器中央微处理器CUPCUP、存储器、晶振电、存储器、晶振电路、复位电路、定时器、路、复位电路、定时器、I/OI/O接口等。接口等。如果构成计算机如果构成计算机最小应用系统最小应用系统的是单片机，则称为单片机最小的是单片机，则称为单片机最小应用系统。图应用系统。图2-252-25即是一个最小应用系统即是一个最小应用系统。图图2-2
44、62-26为为TMS320LF2407TMS320LF2407构成的构成的DSPDSP应用系统应用系统。2.4 CPU主系统2.4.1 CPU2.4.1 CPU主系统的概述主系统的概述Xian University of Science and Technology40/682022-7-282.2.微处理器微处理器 微处理器的核心是算术逻辑单元（微处理器的核心是算术逻辑单元（ALUALU），为反映），为反映ALUALU运算得到运算得到的某些结果，作为计算机判断的依据，内部设置了标志字，此外还的某些结果，作为计算机判断的依据，内部设置了标志字，此外还有累加器和若干个通用寄存器，作为暂时存放操作
45、对象和中间运算有累加器和若干个通用寄存器，作为暂时存放操作对象和中间运算结果的地方。结果的地方。微处理器的字长是一个标志微机档次的重要参数，微处理器发微处理器的字长是一个标志微机档次的重要参数，微处理器发展到今天，已经有展到今天，已经有4 4位、位、8 8位、位、1616位和位和3232位的产品。位的产品。2.4 CPU主系统2.4.1 CPU2.4.1 CPU主系统的概述主系统的概述Xian University of Science and Technology41/682022-7-283 3.存储器存储器 存储器用来存放程序、数据和中间结果。存储器用来存放程序、数据和中间结果。其包括其
46、包括随机存储器随机存储器和只读存储器和只读存储器。随机存储器包括随机存储器包括动态动态RAMRAM、集成、集成RAMRAM、静态、静态RAMRAM、挥、挥发发RAMRAM；只读存储器包括只读存储器包括掩模掩模ROMROM、可编成、可编成ROMROM、可改写、可改写EPROMEPROM、电可、电可擦除擦除E2PROME2PROM。在微机继电保护程序中，程序和常数多采用存放在可改写的在微机继电保护程序中，程序和常数多采用存放在可改写的EPOROMEPOROM中。采样数据、中间运算结果和标志则需存放在中。采样数据、中间运算结果和标志则需存放在RAMRAM中。微中。微机继电保护的定值放在机继电保护的定
47、值放在E2PROME2PROM中中。2.4 CPU主系统2.4.1 CPU2.4.1 CPU主系统的概述主系统的概述Xian University of Science and Technology42/682022-7-284 4.I/OI/O接口接口 作为微机保护的作为微机保护的I/OI/O设备，都可以经过可编程的并行接口芯片设备，都可以经过可编程的并行接口芯片和可编程的串行接口芯片实现与计算机的连接。和可编程的串行接口芯片实现与计算机的连接。输入与输出有输入与输出有两种基本方法两种基本方法，1 1）并行输入并行输入/输出，输出，2 2）串行输串行输入入/输出。并行方式用于本地数字信号的输
48、入输出。并行方式用于本地数字信号的输入/输出，串行方式用于输出，串行方式用于远方数字信号的输入远方数字信号的输入/输出。输出。2.4 CPU主系统2.4.1 CPU2.4.1 CPU主系统的概述主系统的概述Xian University of Science and Technology43/682022-7-282.4.2 2.4.2 微机保护中的常用芯片的应用特点微机保护中的常用芯片的应用特点1.1.单片机单片机单片机与通用的微机相比其单片机与通用的微机相比其主要结构特点主要结构特点表现在：表现在：（1 1）单片机的存储器）单片机的存储器ROMROM和和RAMRAM是严格区分的。是严格区分
49、的。（2 2）采用面向控制的指令系统。）采用面向控制的指令系统。（3 3）单片机的）单片机的I/OI/O引脚通常是多功能的。引脚通常是多功能的。（4 4）单片机的外部扩展能力强。）单片机的外部扩展能力强。单片机还有以下单片机还有以下优点优点：（1 1）体积小成本低，运用灵活，易于实现产品化）体积小成本低，运用灵活，易于实现产品化。（2 2）面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务）面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务。（3 3）抗干扰能力强，适应温度范围为宽）抗干扰能力强，适应温度范围为宽。（4 4）可以方便的实现分布式控制，使整个控制系统效率和可靠性）可以方便的实现分
50、布式控制，使整个控制系统效率和可靠性大为提高。大为提高。2.4 CPU主系统2.4.2 2.4.2 微机保护中的常用芯片的应用特点微机保护中的常用芯片的应用特点Xian University of Science and Technology44/682022-7-282 2 数字信号处理器数字信号处理器DSPDSP DSPDSP芯片特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器芯片特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器.数字信号处理器数字信号处理器DSPDSP的的结构特点结构特点表现如下：表现如下：（1 1）采用改进型的哈佛结构。）采用改进型的哈佛结构。（2 2）流水线操作。）流水线操作。（3
