TMS320C5410A在电能质量监测装置设计中的应用

TLV2541转换电路

根据系统工作要求，本设计的AD芯片选用TLV2541，TLV2541是一种高性能微型12位低功耗CMOS模数转换器，它使用宽电源供电，工作电压范围是2.7V~5.5V；器件具有片选CS、串行时钟SCLK和串行数据输出SDO，提供了能与大多数串口微处理器直接相连接的3线SPI接口；能够维持非常低的功耗。TLV2541有SPI和DSP两种工作方式，在本文中，由于TLV2541直接与DSP相连，由DSP控制AD芯片采样，因此在此采用DSP工作方式，TLV2541芯片与DSP处理器连接如图6所示。

图6 TLV2541芯片与DSP处理器连接图

信号采集模块电源电路

在本设计中，MAX291滤波器和运算放大器都使用±5V的双极性电源。5V电源可由电源LM1117-5提供，LM1117是一种三端线性稳压电源，其应用电路简单，只需要在输入输出端加上滤波电容和旁路电容就可以得到稳定的输出，LM1117-5电源电路如图7所示。-5V电源则由CMOS电压转换芯片ICL7660提供，ICL7660电源电路如图8所示，ICL7660只需要外接两个电容，就能够将+1.5V~+10V范围内的正电压转换为-10V~-1.5V的负电压。

图7 LM1117-5电源电路图

图8 ICL7660电源电路图

DSP信号处理模块设计

DSP信号处理模块用于与AD芯片进行通信，控制AD采样频率，并对所得到的数据进行运算处理，再把运算结果通过HPI接口传送给MSP430单片机。根据系统要求，DSP信号处理模块选用TMS320VC5410A处理器。

TMS320VC5410A处理器是一种改进哈佛架构的定点数字信号处理器，拥有并行的算术逻辑、专用硬件逻辑单元、片上存储器以及其他的片上外设；具有1条程序空间总线和3条数据空间总线；它允许同时存取程序指令和数据，两个读操作和一个写操作也能在单周期内执行，极大地提高了DSP的运行速度。数据能在程序空间和数据空间之间进行传输，这种并行方式使得DSP在一个周期内能够执行一系列的逻辑、算术和位操作指令。而且，TMS320VC5410A还拥有管理中断、重复操作和函数调等功能的控制机制。本文中，TMS320VC5410A的片上外设用到了多通道缓冲串口（McBSP）和主机接口（HPI-8），McBSP用于AD采样控制，HPI用于与MSP430的通信控制。

McBSP提供了与一些串行设备的全双工、双向的通信，如串行模数转换器等，McBSP由一个数据通道和一个控制通道组成，它们通过7个引脚与外部器件相连接。数据通过数据发送引脚DX和接收引脚DR与连接到McBSP的器件进行通信；控制信息以时钟和帧同步信号的形式通过CLKX、CLKR、FSX和FSR来传送。C5410A可以通过16位宽的控制寄存器与McBSP通信。本文中，缓冲串口McBSP用来与AD芯片TLV2541通信，采集AD转换后的数值，接口连接如图6所示，CLKX/R引脚与TLV2541的SCLK引脚相连接，为AD提供时钟；FSX/R引脚与TLV2541的 引脚相连接，由帧同步信号来控制采样频率；DR引脚与TLV2541的SDO引脚相连接，接收串行数据。最后串行数据读入寄存器，CPU通过指令从寄存器取出数据，存入自定数组。

主机是接口的控制者，通过专用的地址、数据寄存器和HPI控制寄存器与HPI通信。增强型主机接口HIP-8的功能是使主处理器可以访问C5410A的片内存储器。本文选用MSP430单片机作为主机，通过HPI-8接口访问DSP内存，读取DSP运算后的结果。DSP与MSP430单片机的通信握手通过HPI中断来实现。

TMS320VC5410A处理器的供电分为I/O的3.3V供电和给内核的1.5V~1.6V供电。本设计采用TPS767D301电源芯片供电，它是TI公司专门为DSP系统设计的电源芯片，具有双路输出、低压降、稳压的特点；它能提供两路电压输出，即固定的3.3V电压和1.2V~5.5V的可调电压；电源芯片的输入电压范围为-0.3V~13.5V。

MSP430单片机控制模块设计

MSP430单片机控制模块是整个监测装置的主机，用于与DSP通信，读取DSP的运算结果，并把结果在液晶屏上显示出来，其外围配有实时实钟、外部EEPROM和USB接口等功能器件。

MSP430系列单片机是一种超低功耗的16位工业级混合信号微处理器，它是德州仪器公司推出的。当实时时钟处于工作状态时，该系列单片机待机耗流量可低至0.8µA。根据系统工作要求，本文选用MSP430F2471单片机作为主机，该单片机具有如下特点：1.8V~3.6V工作电压、片内带有闪存、处理速度16MIP以及掉电复位；拥有6×8个I/O口、32KB片内FLASH存储器和4KB片内RAM、一个16位Timer_A、一个16位Timer_B，四个通用串口USCI。这些片上资源极大地方便了单片机控制模块的设计。下面简要介绍液晶显示、按键输入和MSP430单片机控制模块的电源电路设计。

①液晶显示。本设计选用OCM12864-9图形点阵液晶显示模块，该模块采用3.3V供电，内部集成了液晶驱动芯片ST7920P，采用3根时序控制线和8位并行数据就能显示128×64点阵的图形和字符；它提供20个引脚与外部器件相连。

②按键输入。通常，单片机的按键输入有中断式和扫描式两种。由于MSP430F2471单片机具有强大的I/O资源，P1、P2口均是带有中断功能的I/O，因此，本文采用中断式按键设计，即使用I/O口的中断功能实现按键识别，只在有按键输入时，CPU才会响应中断并执行程序，CPU资源消耗少。

③MSP430单片机控制模块的电源电路。在单片机控制模块中，MSP430单片机、实时实钟以及EEPROM都采用3.3V电源供电；而在DSP信号处理模块中，TPS767D301电源提供3.3V电压，并且最大电流为1A，足够支持DSP信号处理模块和MSP430单片机控制模块的功耗，在此也由TPS767D301电源给MSP430单片机控制模块供电。

结束语

目前，电能污染较严重，公用电网供电质量日益恶化，严重地威胁着电力系统的安全和稳定运行，因此必须提高电能质量，确保用电设备安全稳定运行。实时在线电能质量监测是保证电网安全运行的重要措施，本文基于TMS320C5410A芯片设计了一款电能质量监测装置。首先对电能质量监测进行了概述，然后给出了电能质量监测装置的结构组成，最后对该装置的各组成模块设计进行了详细阐述。