而异地同步测量是工程中经常用到的方法，如果用传统的授时模式，其时钟频率的产生是用晶体，而晶体会老化，易受外界环境变化及长期的精度漂移影响，造成授时精度下降，这样异地同步测量的数据其实在理论上已经不再同步、同时了。本系统采用GPS新型授时方法，结合DSP技术和USB通信技术设计的数据采集系统能较好地解决这个问题。
1 数据采集系统的总体硬件构成与工作原理
数据采集系统模拟量输人、同步采样控制、A／D转换以及微处理器和接口组成，如图1所示。
模拟量输入部分设有多个通道(如16路)，可用来对若干路电压和若干路电流同时测量。来自PT或CT副边的电压或电流，经隔离变换、模拟低通滤波后，被建立在GPS时间基准上的同步采样系统所采样，经依次A／D转换后按顺序放入固定RAM区。DSP根据递归DFT算法，每来一个新的采样点计算一次所有被测量的各相基波分量，然后利用GPS接收器串口提供的时间信息和数据窗第一个采样点的顺序编号，给计算结果置以便于识别的“时间标签”。计算得出的各相量连同其时间标签按照一定的数据格式，经过DSP总线和USB2.0数据线送往PC上位机进行处理和分析。
2 基于GPS授时的同步采样控制单元
同步采样是实现异地同步测量的关键技术，只有各测量点的采样是同步进行的，同一时刻计算出的相量具有统一的参考时问基准，其相位关系才可直接进行比较。本文讨论了无线电广播、LORANC、OMEGS、GOES、GLO-NASS、GPS这六种不同的授时方法。这些授时方法的误差比较如表1所列。
通过比较不难看出，传统的时钟同步方法由于受技术和经济等因素的影响，在精度和实用性上很难满足异地同步测量的要求；只有GPS精密授时方法的优越性能满足要求。为此，本文所介绍的是一种基于GPS时间信号的最新时钟同步方法。
2.1 GPS系统简介
GPS(Global Positioing System，全球定位系统)是美国研制的第二代卫星导航系统。GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户设备组成。空间部分主要由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成。在地球的任意处(有360°的视野)至少可以看到3颗卫星(根据笔者实际用的情况看)。地面控制部分包括监测站、主控站和注入站。用户设备就是GPS接收机，本系统所选择的接收机是GPS-OEM板(型号是GPS15L，在2.3小节会详细讨论)，它根据自己时钟和接收到的导航电文计算出接收机(天线)所在的位置和GPS时间。
2.2 GPS授时原理
目前的定时型GPS接收机，在其内部时钟与GPS时间同步后，将给出与UCT时间同步的1 pps(秒脉冲)信号及其对应的时间代码，如图2所示。
2.3 同步采样控制单元硬件
在设计该模块时，选择G arm in公司研制开发的GPS15L OEM板和单片机AT89C51分别作为GPS接收机和控制器。该模块体现了整个系统要用到的GPS授时技术，工作原理如下：系统上电复位后，单片机通过串口TXD实现对GPS15L板初始化，设置GPS接收机传送的数据格式。初始化完毕后，GPS15L板会给出相应信息，单片机识别到这些信息后，开始接收GPS15L板传送来的时间数据，并对它进行处理，将其转换成北京时间输出。如图3所示，单片机AT89C51的串行口RXD、TXD分别和GPS15L板的TXD1、RXD1连接起通信作用。由于TXD既要在上电时给GPS15L板发出初始化命令，又要在初始化完毕后传送北京时间，因此为了不使两阶段的工作相互影响，用P1.0口线和若干逻辑门来控制通信的先后顺序。GPS15L板初始化后，还会输出秒脉冲信号。1pps信号有一路作为单片机的外部中断源，以实现时间信息的同步处理，另外也用来监测信号是否正常。还有一路信号可由单片机P1.1口进行控制，根据监测的结果决定是否需要将其传送给下一级控制器。
另外，本电路选用的高稳晶振是OCXO型号的稳补晶体振荡器，其工作频率为1 MHz，频差不大于10-7。它输出的振荡信号经过整形、电平转换变为适合TTL电路的电平，经计数器分频后得到满足采样率要求的时钟信号(采样率可调)。该时钟信号每隔1 s被1 pps信号的上升沿同步1次，使之运行在GPS时间基准上。由于1 MHz晶振的稳定度很高，1 s内漂移不超过1μs，因此得到的同步采样脉冲精度很高。
3 ADC与DSP的接口部分
DSP芯片采用美国德州仪器(Texas Instruments)公司研制的数字信号处理器TMS320F2812。它是一个32位定点运算、集成度高、性价比高的DSP芯片。
数据采集系统选用ADS8361作为片外ADC模块，虽然TMS320F2812有16通道的12位ADC，但是为了进一步提高系统的A／D转换精度，增加了片外外设ADS8361。ADS8361是2+2通道，16位的A／D转换器；它同ADS7861(12位)完全兼容，可以与F2812数字信号处理器直接接口使用。它是由四通道差分输入分成两组分别连接到独立的转换器上的，可以完成双信号的同时采集，最高转换速率可以达到500 kHz。它工作在50 kHz频率时具有极强的抗干扰能力，特别适合数据采集的高采样率要求的场合。此外，ADS8361还提供高速双串行接口，可以有效地减少软件开销，并且功耗非常低，只有150 mW。
3.1 ADS8361与TMS320F2812接口电路设计
TMS320F2812处理器提供多通道缓冲串口(McBSP)和串行外设接口(SPI)，两种串口都可以与ADS8361接口。根据设计的需要，本系统采用的是McBSP的接口扩展方式。在ADS8361与TMS320F2812的接口硬件设计时，为避免数据信号产生振铃，特意考虑在DSP与ADS8361之间增加吸收电阻。由于TMS320F2812只有一个McBSP接口，因此必须将ADS8361设置在模式2和模式4。TMS320F2812与ADS8361的硬件接口电路如图4所示，ADS8361的CLOCK、(RD+CONVST)和SDA引脚分别连接到McBSP的CLKX、(FSX+FSR)和DR引脚。由于McBSP上只连接一个A／D转换芯片，片选信号(CS)直接接地，如果需要扩展多个A／D转换芯片，则可以采用GPIO控制片选信号；同时使用通用I／O控制ADS8361的工作模式，使M0=0，M1=1；DX控制ADS8361的通道选择。
3.2 模拟输入信号调理电路的设计
电力系统的相电流和相电压分别经过CT和PT变换后，输出为标准±10 V的模拟电压信号。此模拟电压信号需要经过前端的低通滤波器，滤除不必要的高频噪声信号，以及将模拟输入信号范围由±10 V变换成后端A／D所能接受的信号范围。每一路的模拟调理电路如图5所示。
4 USB接口通信电路部分
通信电路采用USB接口，USB接口芯片选用Cypress公司的CY7C68001。CY7C68001与TMS320F2812的连接电路如图6所示。
CY7C68001作为TMS320F2812的外设，采用异步 存储 器接口与TMS320F2812相连接，上位PC机可以唤醒CY7C68001，也可以配置USB芯片。USBCS是CY7C68001的片选信号线，在USBCS为低电平时，CY7C68001采用异步读写方式完成二者之间的数据和命令的 交换 。
CY7C68001有两种对外接口，分别是FIFO数据接口和命令口。数据采集系统将这两种对外接口配置在地址范围是0x004000～0x004004的空间，分配如表2所列。TMS320F2812通过CY7C68001的FIFO数据接口可以访问4个1 KB的FIFO中的数据，而FIFO数据接口的选择是通过控制地址线A[2：0]来实现的。当TMS320F2812的地址线A[2：0]为100B时，选中CY7C68001的命令口，然后通过命令口可以访问37个寄存器、
本文关键字：数据采集 DSP/FPGA技术，单片机-工控设备 - DSP/FPGA技术
