隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，目前國內使用的繼電保護測試儀種類繁多，但是由于繼電保護測試儀自身的性能直接影響著對繼電保護裝置的評價，因此測試儀的工作性能和穩(wěn)定性尤為重要。雖然DL／T624-1997《繼電保護微機型試驗裝置技術條件》對繼電保護試驗裝置提出了明確的要求，規(guī)定了定期檢驗周期和檢驗項目，但因為沒有相關的檢測規(guī)程或規(guī)范，也沒有現(xiàn)成的檢測裝置，這為繼電保護測試儀的驗收和周檢帶來了一定的困難。因此，需要這樣一種數(shù)據采集裝置來精確采集繼電保護測試儀的各項數(shù)據，以便上位機對數(shù)據進行分析，從而對繼電保護測試儀進行檢定。

1 系統(tǒng)方案設計

本文設計的數(shù)據采集裝置專門用于繼電保護測試儀器各項數(shù)據的采集。設計選用DSP作為數(shù)據采集裝置的核心控制器。系統(tǒng)硬件總體結構如圖1所示。系統(tǒng)由電壓、電流采樣電路，信號放大，低通濾波，同步信號的獲取與識別，直流取樣，模／數(shù)轉換電路以及通訊模塊電路等組成。

本方案中，數(shù)據選擇器選用AD公司生產的AD7502芯片。AD7502芯片為雙四選一數(shù)據選擇器，因此需要兩片A／D轉換器進行循環(huán)采樣。模／數(shù)轉換芯片選用的是TI公司推出的16位并行高速轉換器ADS8515。主控制芯片選用TI 公司的數(shù)字信號處理器TMS320F2812。TMS320F2812是32位定點高速數(shù)字處理器，最高工作頻率150 MHz，該芯片采用改進的哈佛結構，片內有六條獨立并行的數(shù)據和地址總線，極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)據吞吐能力，32位的累加器、16位的硬件乘法器和輸入、輸出數(shù)據移位寄存器相結合，能快速地完成復雜的數(shù)值運算。因此TMS320F2812的計算速度非常高，可以滿足系統(tǒng)的在線實時性要求。

在與上位機通訊時，綜合各種因素，本方案選用USB總線技術實現(xiàn)。USB接口芯片選用Philips公司的ISP1581。ISP1581是Philips 公司推出的一款高性價比的USB 2.0接口芯片，它完全遵循USB 2.0規(guī)范，支持7個IN端點，7個OUT端點和一個固定控制IN／OUT端點。ISP1581支持USB 2.0的自檢工作模式和USB 1.1的返回工作模式，可以在高速或全速條件下正常運行。ISP1581內部集成有串行接口引擎(SIE)、PIE、8 KB的FIFO存儲器、數(shù)據收發(fā)器、PLL的12 MHz晶體振蕩器和3.3 V的電壓調整器。ISP1581與外部微控制器的通信主要通過一個高速通用并行接口來實現(xiàn)。它與微控制器的連接有兩種模式：斷開總線模式和通用處理器工作模式。在斷開總線模式下，AD[7：0]為多路復用的8位地址／數(shù)據總線，DATA[15：0]為單獨的DMA數(shù)據總線；在通用處理器工作模式下，AD[7：0]為單獨的8位地址線，DATA[15：0]為16位控制器數(shù)據總線。此時，DMA將多路復用到DATA[15：0]控制器的數(shù)據總線上。本裝置在硬件設計中將電路設計成通用處理器模式。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 電壓、電流采樣電路設計

本系統(tǒng)采集三相電壓、三相電流以及中性線的兩路電壓和電流信號。電壓和電流的采樣電路類似，電壓采用電壓互感器，電流采用電流互感器，通過運放 OPA2277組成電壓和電流采樣電路。電壓采集電路如圖2所示。圖2中，T1為電壓互感器。電壓互感器出來的信號通過OPA2277處理后送入數(shù)據選擇器AD7502的S1輸入引腳。其他7路電壓和電流信號分別送入AD7502的另外7個輸入引腳。

2.2程控濾波電路設計

系統(tǒng)中選用數(shù)據選擇器AD7502作為四路電壓和四路電流信號的模擬開關。濾波電路選用OPA2277來實現(xiàn)，電路原理圖如圖3所示。其中，AD7502的A0，A1接DSP通用I／O口的 GPIOB4，GPIOB5口，EN引腳接高電平。GPIOB4，GPIOB5輸出不同值來控制AD7502不同通道的接通，從而將8路信號依次送人兩片 A／D轉換器。

2.3 A／D轉換電路與DSP接口電路的設計

A／D轉換器是模／數(shù)轉換電路中的核心器件，在整個測量系統(tǒng)中占有重要地位。如果模／數(shù)轉換器的位數(shù)低時，將引起較大的測量誤差，本裝置選用德州儀器(TI)公司的A／D 芯片ADS8515作模／數(shù)轉換器。ADS8515是采樣率為250 KSPS的16位并行A／D轉換器，輸入電壓范圍能達到±10 V。ADS8515屬于逐次逼近寄存器型(簡稱SAR型)A／D轉換器，這種結構的轉換器通過輸入的模擬信號與比較器逐次比較來輸出數(shù)字信號，是目前應用最多的轉換器類型。SAR型A／D轉換器的功耗比較低，體積比較小，而且A／D內部通常具有采樣保持器，它可以維持采樣電壓直到轉換結束，且其轉換速率很快。ADS8515和DSP的接口電路如圖4所示。

由于TMS320F2812的I／O電壓是3.3 V電平，而ADC則是5 V電平，因此需要電平轉換芯片74LVC245來實現(xiàn)隔離功能。ADS8515的控制是通過對片選信號CS、啟動信號R／C以及對狀態(tài)信號BUSY的查詢來實現(xiàn)的。BUSY，CS，R／C，分別接DSP的中斷信號引腳XINT1和通用I／O接口GPIOB0，GPIOB1。為了保證雙DSP的同步采樣，防止數(shù)據輸出時兩DSP數(shù)據的串擾，采用將另一個DSP的片選信號CS和啟動信號R／C分別接DSP的通用I／O接口GPIOB2和GPIOB3的方法。這樣可以保證雙DSP同步采樣，并依次讀取兩個A／D中的數(shù)據。