陸興華，黃冠華

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣州　511325)

智能斷電控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

陸興華，黃冠華

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣州511325)

摘要：提出一種改進(jìn)的基于阻抗匹配濾波放大的智能斷電控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方法。進(jìn)行了智能斷電控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和建模，采用AD9225設(shè)計(jì)智能斷電控制系統(tǒng)的ADSP-BF537并行外設(shè)接口，配置SPORT0_TFSDIV寄存器，響應(yīng)內(nèi)核中斷。設(shè)計(jì)智能斷電控制系統(tǒng)的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)A/D轉(zhuǎn)換控制算法。整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊包括了模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)、功率放大器、濾波器和電源模塊的設(shè)計(jì)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采樣。

關(guān)鍵詞：智能斷電；控制系統(tǒng)；A/D轉(zhuǎn)換；PID

在大型機(jī)電控制系統(tǒng)和電力控制系統(tǒng)中，通常會(huì)因?yàn)殡娏鬟^(guò)載而導(dǎo)致系統(tǒng)故障，需要對(duì)大型機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行智能斷電控制，保障整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。隨著DSP數(shù)字信息處理芯片的發(fā)展，采用集成數(shù)字處理芯片應(yīng)用在電力控制系統(tǒng)中成為未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。大型機(jī)電控制系統(tǒng)的智能斷電控制系統(tǒng)主要采用的是ARM控制模塊和PXI電源信息分析模塊，通過(guò)對(duì)電源電壓、電流以及用電功率的數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行信號(hào)分析，當(dāng)電壓過(guò)載時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電操作，在智能斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，功率過(guò)載的情況下瞬時(shí)電流產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖，電子被陽(yáng)極吸引實(shí)現(xiàn)電流切斷，智能斷電控制系統(tǒng)在進(jìn)行電流信息處理時(shí)，需要進(jìn)行脈沖信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的硬件控制。研究智能斷電控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方法，是整個(gè)斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[1]。

當(dāng)前，對(duì)智能斷電控制系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)的方法主要采用模擬信號(hào)預(yù)處理控制方法，通過(guò)動(dòng)態(tài)增益制，調(diào)整智能斷電控制系統(tǒng)的電壓信號(hào)到合適范圍，對(duì)采樣的斷電控制信號(hào)進(jìn)行放大、濾除，實(shí)現(xiàn)智能斷電系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換控制，其中，對(duì)智能斷電控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換方法又主要分為基于傳感器識(shí)別的智能斷電控制A/D轉(zhuǎn)換方法、基于時(shí)頻特征采集的智能斷電控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換方法和基于VXI總線驅(qū)動(dòng)的智能斷電控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換方法等[2-3]，但上述方法需要對(duì)智能斷電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制濾波，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換會(huì)出現(xiàn)電壓負(fù)載過(guò)大或過(guò)小的情況，影響整個(gè)系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。對(duì)此，相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，其中，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種基于模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)最大功率調(diào)制的智能斷電控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷電信息的采集和處理分析，該控制系統(tǒng)需要對(duì)放大器進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，若系統(tǒng)放大倍數(shù)出現(xiàn)偏差，將會(huì)影響整個(gè)斷電控制系統(tǒng)的使用效率[5-7]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于阻抗匹配濾波放大的智能斷電控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行了智能斷電控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和建模，然后分析了智能斷電控制系統(tǒng)的PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)A/D轉(zhuǎn)換控制算法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了寬頻帶大功率條件下的智能斷電控制系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試和仿真測(cè)試，展示了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)描述和算法分析

1.1智能斷電控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)智能斷電控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性工作，需要設(shè)計(jì)智能斷電控制A/D轉(zhuǎn)換器。本文研究的智能斷電控制系統(tǒng)的A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)主要為電流信號(hào)、電壓信號(hào)、差壓信號(hào)、絕壓信號(hào)。電流傳感器等采集信號(hào)，由于原始的傳感器進(jìn)行信號(hào)采集是模擬數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和分析，通過(guò)對(duì)智能斷電控制系統(tǒng)的A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)信息采集以及特征分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)電控制系統(tǒng)的狀態(tài)的識(shí)別、判斷和預(yù)報(bào)。根據(jù)上述原理，進(jìn)行智能斷電控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，機(jī)電控制信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器/分析儀進(jìn)入ARM主控系統(tǒng)，進(jìn)行基線恢復(fù)和功率匹配，采用AD9225設(shè)計(jì)智能斷電控制系統(tǒng)的ADSP-BF537并行外設(shè)接口，由此，得到整個(gè)智能斷電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括信號(hào)濾波模塊、DSP復(fù)位模塊、智能斷電的動(dòng)態(tài)增益控制模塊進(jìn)而D/A芯片中斷初始化模塊，設(shè)計(jì)功率放大器電路以及電源模塊進(jìn)行智能斷電系統(tǒng)的低頻供電，為了D/A正常工作，還需配置SPORT0_TFSDIV寄存器，響應(yīng)內(nèi)核中斷。綜上描述，得到本文設(shè)計(jì)的智能斷電控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　智能斷電控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)模型

結(jié)合圖1分析可知，本文設(shè)計(jì)的智能斷電控制系統(tǒng)的默認(rèn)的倍頻數(shù)為10倍，電壓必須大于1.2 V，以此需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)查詢(xún)中斷標(biāo)志位判斷，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)指標(biāo)描述如下：

(1)智能斷電控制系統(tǒng)尺寸為70 mm×50 mm；

(2)智能斷電控制系統(tǒng)整體功耗；

(3)智能斷電控制系統(tǒng)信號(hào)的特征采樣率不低于25 MHz；

(4)智能斷電控制系統(tǒng)的采樣分辨率不低于16位；

(5)CAN收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行高壓控制；

(6)AD轉(zhuǎn)換電力的能譜數(shù)據(jù)分析具有基線恢復(fù)功能。

根據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，智能斷電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、噪聲低。根據(jù)智能斷電控制A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合前期調(diào)研和芯片選擇，進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。

1.2智能斷電A/D轉(zhuǎn)換控制算法分析

在進(jìn)行硬件模塊設(shè)計(jì)之前，需要進(jìn)行智能斷電系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換控制算法的設(shè)計(jì)和描述，然后將算法寫(xiě)入到DSP芯片中，實(shí)現(xiàn)智能斷電控制，本文設(shè)計(jì)的智能斷電A/D轉(zhuǎn)換控制算法采用PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，選取一個(gè)三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為控制器，圖2為PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2　三層前向PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在智能斷電A/D轉(zhuǎn)換控制中采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為2×3×1結(jié)構(gòu)，智能斷電A/D轉(zhuǎn)換控制的訓(xùn)練向量模式為：

x(t)=(x0(t),x1(t),…,xk-1(t))T

其中ωj=(ω0j,ω1j,…,ωk-1,j)T，表示PID控制器的自適應(yīng)加權(quán)向量。PID控制器神經(jīng)元j執(zhí)行CAN初始化的權(quán)向量迭代式為：

wj*(t+1)=wj*(t)+α(cj*)[x(t)-wj*(t)]

其中j∈(j*,NEj*(t))，采用PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷A/D采樣是否完成，根據(jù)收到的數(shù)值調(diào)節(jié)輸出電壓為：

u0=-sgn(Mn)ρ(t)sgn(s)

通過(guò)PID變結(jié)構(gòu)控制，激發(fā)一個(gè)切斷電流的電壓脈沖信號(hào)，進(jìn)行智能斷電控制，然后執(zhí)行中斷初始化，綜上所述，本文設(shè)計(jì)的智能斷電控制系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換控制的傳遞函數(shù)為：

式中Y(s)——A/D轉(zhuǎn)換控制的輸出參數(shù)；R(s)——輸入控制參數(shù)；e-τs——時(shí)鐘頻率補(bǔ)償向量。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)輸入新的訓(xùn)練向量模式x(t)=(x0(t),x1(t),…,xk-1(t))T，得到智能斷電A/D轉(zhuǎn)換控制的模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)目標(biāo)函數(shù)為：

式中，α>0,β>0，JPθ表示智能斷電A/D轉(zhuǎn)換控制的確定上界，輸入層至隱含層權(quán)值為ωij(i=1,2;j=1,2,3)，由此實(shí)現(xiàn)智能斷電控制和A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在上述算法描述和總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行智能斷電控制的A/D轉(zhuǎn)換模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用MUX101程控開(kāi)關(guān)控制AD8021，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊包括了模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)、功率放大器、濾波器和電源模塊的設(shè)計(jì)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，智能斷電控制系統(tǒng)主機(jī)箱選用NI公司C尺寸VXI-1200便攜式9插槽機(jī)箱，智能斷電控制系統(tǒng)主機(jī)箱選用NI公司C尺寸VXI-1200便攜式9插槽機(jī)箱，A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行智能斷電控制系統(tǒng)信號(hào)采集，為智能斷電控制系統(tǒng)提供雙路16位電流輸出。A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)輸出信號(hào)的范圍在±10V之間，運(yùn)算放大器穩(wěn)定到1/1 024，由Mux101多路開(kāi)關(guān)控制智能斷電控制的A/D轉(zhuǎn)換模塊的晶振頻率，得到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)預(yù)處理機(jī)電路設(shè)計(jì)

智能斷電控制系統(tǒng)中，選用VCA810進(jìn)行機(jī)組的電壓控制，設(shè)計(jì)帶通濾波器：

Vgain=10-2(Vc+1)(-2V≤VC≤0)

式中Vc——帶寬控制電壓；Vgain——效濾除接收信號(hào)后的電壓放大增益。

選擇了MAXIM公司的5階開(kāi)關(guān)電容設(shè)計(jì)智能斷電控制的A/D轉(zhuǎn)換模塊的功率放大器，為了有效地消除智能斷電控制的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中的零點(diǎn)偏移，在各級(jí)芯片間設(shè)置匹配放大濾波器，采用阻抗匹配濾波放大提高智能斷電控制的A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)的傳輸功率增益，阻抗匹配濾波放大的等效電路如圖4所示。

圖4　阻抗匹配濾波放大的等效電路

圖5　智能斷電控制的A/D轉(zhuǎn)換的硬件接口電路

圖5中，采用±10V的雙極性輸入，轉(zhuǎn)換序列完成后把電流和電壓等數(shù)據(jù)寄存在TOUT→/CNVST通道中，用BUSY信號(hào)，H#/S接高電平，通過(guò)程序加載實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。

3系統(tǒng)調(diào)試和仿真結(jié)果分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的智能斷電控制系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器的性能，進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，AD7864的輸出為電源控制的電壓脈沖信號(hào)，最高位D[11]是符合位，A4～A0的CPLD符號(hào)擴(kuò)展譯碼為/RST、LDA#和LDB#，2轉(zhuǎn)換電壓是單極性的，輸出模擬電壓為+2.049V，電流最大輸出為1A，配置信息采用如下方式進(jìn)行程序加載：

Biuhgiigs--->

Instay5rhhh--->

[*]Don'tusehth/usrrt

Appletsliergbhghs(assoft-links) --->

智能斷電控制系統(tǒng)的S201S處理器有4種電源，每個(gè)處理器采用功率放大器進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，得到智能斷電控制系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換輸出的時(shí)序圖如圖6所示。

圖6　智能斷電控制系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換輸出的時(shí)序圖

采用本文控制系統(tǒng)，在頻率為600，低電平為3.3下，具有較好的智能斷電控制的A/D轉(zhuǎn)換性能，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)智能斷電控制，在脈沖寬度為2時(shí)，得到控制信號(hào)的A/D采樣結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7　智能斷電控制的A/D采樣輸出

采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，能有效實(shí)現(xiàn)智能斷電控制，采樣數(shù)據(jù)連續(xù)，CAN卡能回放多幀數(shù)據(jù)，新性能穩(wěn)定可靠。

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A/D Conversion Design for Intelligent Power Control System

LU Xing-hua, HUANG Guan-hua

(Huali College, Guangdong University of Technology, Guangzhou 511325, China)

Abstract:This paper proposes an improved A/D converter module design method for intelligent power failure control system based on impedance matched filtering amplifier. The whole design and modeling of the intelligent power control system is carried out. The ADSP-BF537 parallel peripheral interface of AD9225 is designed, and the SPORT0-TFSDIV register is configured. PID neural network A/D control algorithm is designed. The whole A/D conversion module includes the design of analog signal preprocessor, power amplifier, filter and power module, and realizes batch data conversion and data sampling by A/D conversion.

Key words:intelligent power failure; control system; A/D conversion; PID

DOI：10.11973/dlyny201603003

作者簡(jiǎn)介：陸興華(1981)，男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制算法。

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)03-0278-05