基于DSP的均压均流测试系统的设计

摘要PAGEPAGEI基于DSP的均压均流测试系统的设计摘要电力机车一般都采用交流制供电，交流电从主变压器的牵引绕组经过硅机组整流后，向牵引电动机集中供应直流电，使牵引电动机产生转矩驱动机车动轮转动。整流柜的性能将直接影响电力机车的运行能力，而整流柜主整流组件很容易出现击穿、烧损、放炮等故障，从而导致硅整流装置出现短路，断路等故障。作者对对上述问题作了较详细的研究和探讨，并设计了一种基于DSP的采用脉冲方式对电力机车整流柜进行均压均流测试的系统。首先对整流柜的结构功能、工作特性和产生故障的原因进行了分析，在此基础上设计了对整流柜进行均压均流测试的脉冲测试电路、脉冲触发电路、通道信号处理电路、信号采集电路以及DSP的接口电路等诸多硬件电路，并且开发了一套以ADC程序和串口通信程序为主的DSP软件，详细分析了上述软硬件的功能、原理和流程图。最后对该测试系统的设计进行了总结，肯定了该系统的设计方案。关键词：电力机车，DSP，整流柜，均压均流测试AbstractPAGEPAGE59THEDESIGNOFCURRENTSHAREANDVOLTAGETESTSYSTEMBASEONDSPAbstractLocomotivegeneraladoptalternatingcurrenttopower-up,thealternatingcurrentcomefromthedragwindingofmainconverterwascommutatedbytherectifier,thensupplydirectcurrenttothedragelectricmotortomakethedragelectricmotorgeneratetorquedrivelocomotiveturning.Thebehaviorofrectifiereffectthelocomotive’sabilityofrunningdirectly,butthecommutatecomponentofrectifieroccurbrokethrough,burndownblastingbreakdownandsooneasily,therebyleadtherectifiertoshortcircuitorblock.Thewriteraimattheissuediddetailresearchandexploration,designedakindofimpulsefashiontestsystemofthelocomotiverectifiercurrentshareandvoltagesharebasedonDSPFirstlyanalyzedtheframeworkfunction,workingcharacteristicsandthereasonofbreakdown,Onthisfoundationdesignedthecurrentshareandvoltagesharetestimpulsecircuit,impulseflip-flopcircuit,accesssignalprocessingcircuit,signalcollectcircuitandtheinterfacecircuitandsoonhardwarecircuit,anddevelopedasetofDSPsoftwaremainofADCsubprogramandserialinterfacecommunicationsubprogram,analyzedthefunctionprincipleandflowsheetofhardwareandsoftware.Finallymadeasummaoftheexcogitationofthetestsystem,affirmedtheexcogitationofthesystem.KeyWords:Locomotive,DSP,rectifier,currentshareandvoltagesharetest目录PAGEPAGE59目录TOC\o"1-3"\h\z主要符号说明 1第一章绪论 21.1前言 21.2整流柜的均压与均流 21.2.1电力电子器件串联时的均压 21.2.2电力电子器件并联时的均流 31.3均压和均流测试 31.3.1低压电流测试(均流测试) 31.3.2轻载电压测试(均压测试) 31.4试验装置及其目的与意义 41.4.1本试验装置的基本特点 41.4.2本试验装置的基本原理 41.4.3试验装置的目的与意义 4第二章整流柜及其均压均流测试 72.1整流柜的结构 72.2整流柜的功能和原理 82.2.1整流装置均流功能分析 92.2.2整流装置均压功能分析 102.2.3整流装置过电压保护功能分析 102.2.4整流装置过电流保护功能分析 112.2.5晶闸管的di/dt保护 112.3被测组件特性 112.4硅机组均压均流试验的现状和本系统的优点 132.4.1.国内电力机务段机车硅机组均压均流试验的现状 132.4.2新型硅机组均压均流试验装置的特点 13第三章均压、均流试验系统主电路的设计 153.1总体方案的设计 153.1.1试验系统测试方案 153.1.2均压、均流试验系统的组成 153.2电源单元的设计 173.2.1硅机组的均流测试 183.2.2硅机组的均压测试 19目录PAGEPAGE593.3触发电路的设计 203.3.1被测可控硅的触发电路 203.3.2脉冲电源触发电路 213.4信号采样与转换 223.5霍尔传感器 223.5.1霍尔电压电流传感器概述 223.5.2霍尔传感器工作原理 233.5.3霍尔传感器接线图 24第四章基于DSP的信号采集与处理系统硬件设计 284.1DSP芯片概述 284.1.1DSP芯片的分类 284.1.2DSP系统的设计过程 294.2TMS320LF240x芯片的特点 314.2.1TMS320系列DSP芯片的概况 314.2.2TMS320C2000系列DSP芯片的基本结构 324.2.3TMS320LF240x系列DSP芯片的概述 344.3以TMS320LF2407A为核心的信号采集与传输系统 354.3.1TMS320LF2407A芯片的ADC模块 354.3.2TMS320LF2407ADSP的SCI模块 37第五章信号采集、处理与传输软件设计 385.1DSP软件开发工具概述 385.2系统软件的开发 405.2.1C语言与汇编语言的混合编程 405.3ADC部分的设计 415.3.1ADC模块的电平匹配 415.3.2ADC模块的初始化 425.3.3采样值转换为有效值 435.3.4ADC模块的软件设计 445.4DSP与PC机间串行通信部分的设计 455.4.1设置串行通信口 455.4.2逻辑电平转换 455.4.3串口波特率的匹配 465.4.4串行通信的软件设计 465.4.5串口的设置 485.4.6小结 48目录PAGEPAGE595.5测试运行结果 48第六章总结 516.1主要工作回顾 516.2本课题今后需进一步研究的地方 51致谢 52参考文献 53附录A源程序 55个人简历在读期间发表的学术论文 60主要符号说明PAGEPAGE59主要符号说明U 电压；I 电流；B 磁感应强度；Ki 并联桥臂均流系数； 各并联支路的电流之和；IM 通过最大电流支路的电流。Ku 串联支路均压系数； 支路串联组件的电压(V)；UM 承受最大电压组件的电压(V)；URRM反向重复峰值电压；IRRM 反向重复峰值电流；UFM 正向通态电压；IFM 正向通态电流；EH 霍尔电势；KH 霍尔组件灵敏度； 采样/保持器的捕捉时间； 采样/保持器的设定时间； A/D转换的时间；FFT 快速傅立叶变换。第一章绪论PAGEPAGE59第一章绪论1.1前言电力机车的牵引动力是电能，但与内燃机车不同，电力机车本身没有原动力，是依靠外部供电系统供应电力，并通过机车上的整流柜将受电弓从接触网上取得的交流的电转换成直流，由牵引电动机驱动列车前进。由电力机车实施的牵引运行称为电力牵引，电力牵引具有功率大、效率高、过载能力强、运营费用低、司机劳动条件好、不污染环境等一系列优点。电力机车主要由车体、车底架、走行部、车钩缓冲装置制动装置和一整套电气设备等组成。除电气设备外，其余部分都同交——直流电力传动内燃机车相似。电力机车的硅整流装置是电力机车上的关键部件之一。由大功率整流二极管和晶闸管及其附件组成桥式整流电路。其功能是把来自牵引变压器副边绕组的交流电整流为直流电，供给牵引电动机使用，同时兼有调压开关级间平滑调压的作用。机车在满负荷运行的时候，整流装置处于高电压、大电流的状态之下，整流柜主整流组件很容易出现击穿、烧损、放炮等故障，从而导致硅整流装置出现短路，断路等故障，进而将直接导致机车故障而中断运输，这不仅干扰了正常的运输秩序，影响运用机车运输，给运输安全也带来了隐患，而且由于大量更换组件使检修成本上升，造成了经济损失。大功率晶闸管和硅整流管是构成硅整流装置即硅机组的基本组件，而大功率晶闸管和硅整流管组件的性能又决定了整流柜的性能。因此，测试它们的基本特性，合理地选配组件，将有助于提高机车运行的可靠性。所以我国电力机务段对电力机车上的硅机组(硅整流装置)在进行段修后，需按检修规程要求，进行均压和均流试验，以检查硅机组的均压和均流情况是否符合规程的要求。[3,4]1.2整流柜的均压与均流1.2.1电力电子器件串联时的均压对于电力机车的整流柜,为了提高整流柜的电压等级,电力半导体器件(二极管、晶闸管)的串并联是很常见的。多个串联的电力半导体器件由于其反向特性存在差异,当加上正向或反向电压时,各个管子所承受的正、反向电压也就不同。对于整流二极管而言,承受正向电压就会导通；但在承受反压时,承受过大反向电压的管子有可能被击穿,而其它管子的电压则利用不充分。而对于串联工作的晶闸管来说,由于正向阻断特性的差异,在加上正向电压但没有给门极触发脉冲时,第一章绪论PAGEPAGE59串联的晶闸管之间所承受的正向电压也是不同的。过大的正向电压有可能使对应的晶闸管正向导通或者损坏,这是电路中所不能允许的。为了使串联的电力半导体器件承受的电压分配均匀,必须对其进行均压。按照电力机车的检修规程，必须保证硅机组的均压系数在0.95以上。1.2.2电力电子器件并联时的均流对于电力机车整流柜,通常用并联多个电力电子器件的方法来提高整流柜的电流等级。多个电力电子器件并联时,由于受并联支路阻抗差异的影响及器件通态伏安特性(可控器件还有触发导通时间的差异)的影响,因而会造成稳态及瞬间电流的分配不均和开通过程中电流上升率的不同。所以,对并联的电力电子器件,必须采取均流措施。对于大容量的变流装置而言,最常用的均流方法是在电力电子开关器件串联一个均流电抗器。按照电力机车的检修规程，必须保证硅机组的均压系数在0.85以上。在电力机车整流柜,通常只需采用将器件按其正向通态特性分组,一般可以满足均流系数大于0.85的技术要求。1.3均压和均流测试1.3.1低压电流测试(均流测试)在直流输出端短接或接一个低值电阻负载，交流端施加一个可以提供整流装置额定输出电压12V的低电压最大电流额定电流为4800A情况下进行试验。整流装置通电时测量各桥臂支路的电流、按下式计算均流系数不小于0.85。即：(1-1)式中——并联桥臂均流系数；——各并联支路的电流之和(A)；——并联支路数；——通过最大电流支路的电流(A)。K值越大，说明牵引整流装置的均流效果越好，在正常运行的情况下整流组件的可靠性高。1.3.2轻载电压测试(均压测试)轻载电压试验是整流装置在很小的负载下，施加额定交流电压，检查整流装置电路的联接是否正确以及静态特性是否满足要求，并测量串联支路组件的均压系数。本整流装置均压试验测量桥臂支路串联组件的电压按下式计算出均压系数K不小于0.95。即：第一章绪论PAGEPAGE59(1-2)式中——串联支路均压系数；——支路串联组件的电压(V)；——串联支路数；——承受最大电压组件的电压(V)。K值越大，说明牵引整流装置的均压效果越好，在正常运行的情况下整流组件的可靠性越高。[5]1.4试验装置及其目的与意义1.4.1本试验装置的基本特点用脉冲方式测量组件特性的仪器和设备，国内已有不少单位早已研制和开发，并已经形成正式产品。用DSP进行数据采集和数据处理技术发展已相当成熟，在国内也早已在很多领域中得到应用。所以本试验装置采用间隙式脉冲高压、大电流测试硅机组均流均压系数的技术，以DSP为核心的数据采集及相应的处理软件和硬件，构成了一套完整的硅机组均压均流试验和数据采集处理系统，具有一定的先进性和实用性。1.4.2本试验装置的基本原理采用脉冲电源测量，在进行试验时，向被试硅机组输出一个正弦半波电压，这与整流组件在正常工作时的导通条件相同。采用高精度霍尔电流传感器和电压传感器作为电流检测组件和电压检测组件，使用以DSP为核心的数据采集板及相应的处理软件，可自动计算和输出每个被测硅机组的均流系数和均压系数，并实时输出检测结果。使检修人员更快更准确地知道整流柜各支路的均流系数和均压系数，并可以对各测量出的值进行相关判断，从而得出被测试的整流柜是否合格。在建立了较为完善的段内硅机组检修数据库的基础上，可根据每次段修积累的资料，观察组件参数的变化，参照有关的电力半导体器件的失效判据，了解和判定各组件的技术状态。使机务段能随时查看硅机组的技术状态，为预防故障状态修创造了条件。[6]1.4.3试验装置的目的与意义整流装置的设计要求整流桥任何桥臂上的并联第一章绪论PAGEPAGE59支路的电流要基本相等，这样就不致因某一臂并联支路硅组件承担过大的电流而烧损或长期工作在大电流状态下而过早地使组件降级老化而烧损。因此设计上要求任何桥臂的均流系数应在0.85以上，各晶闸管两端的电压的均压系数就在0.95以上，这样才能保证整流装置的安全使用。生产厂家在生产调试过程中是通过对硅组件的特性进行测试，将硅组件特性基本一致的搭配成组形成一个桥臂来实现0.85以上的均流系数和0.95以上的均压系数。但整流装置经过一段较长时间的使用后，通过现场检测可能发现其各方面性能均发生了不同程度的变化，使得均压系数或均流系数不能达到保证整流装置安全使用的标准。这就必然出现因某一臂并联支路硅组件承担过大的电流而烧损或长期工作在大电流状态下而过早地使组件降级老化而烧损的情况，从而导致电力机车中断运输。整流柜性能的变化主要表现在如下几点:(1)硅元件特性发生变化，硅元件降级老化，正向压降偏离原始出厂参数。(2)不同金属材料间的接触导致金属反应产生电腐蚀现象是至关重要的问题:整流装置硅元件的散热器为铝质材料，而与其相联结的铜排和硅元件管壳为铜质材料，这两种不同金属的材料相互联结在一起，长时间工作在大电流的状态下不可避免地产生金属间的反应，致使两种不同金属材料间的接触面产生电腐蚀，使接触面产生麻坑，即在硅元件的接线端和硅元件的管壳与散热器的接触面产生麻坑，最终导致整个硅元件管芯与散热器的接触电阻增大，硅元件的引出端与元件间的联结铜排间的电阻增大，使硅元件的招体电阻增大。这样必然产生两种现象:一种现象是因硅元件的整体电阻增大，通过大电流时产生损耗发热导致元件烧损;另一种是因硅元件有的已产生电腐蚀有的未产生电腐蚀，在一个桥臂并联支路某一支路中的电阻发生变化，在相同的输入电压下，必然造成电流不一致，最后因某一支路承担超负荷的电流而烧损。(3)硅元件间的联接是通过联接铜排进行联接的，联接螺栓会因长时间通过大电流而发热及电磁力的作用和机车的振动等影响，紧固力发生变化，使硅元件的联接处的接触电阻发生变化，最终也因桥臂并联支路的电阻不同，而导致桥臂支路间的电流大小不同，支路电流大的硅元件将烧损。从以上三点看出硅元件特性变化必然造成均流系数的变化；硅元件散热器与元件管壳之间电腐蚀及硅元件散热器引出端电腐蚀，均造成硅元件的整体电阻增大，正向压降自然也因此而增大，实质上等效于硅元件特性发生变化，不可避免地造成均流系数发生变化，破坏了原出厂调试好的均流系数，使均流系数降低到0.85以下，有甚者均流系数可降低到0.33，从而导致某个桥臂的支路的电流过大而烧损硅元件。根据中修修程对整流装置均流系数的检测，发现许多整流装置某个桥臂或多个桥臂其均流系数极差，仅在0.4与0.7之间，据此可计算出机车运行在大坡道区段时的段桥整流臂最大支路电流(以SS3B为例):在大坡道区段机车电机电流经常以600A的大电流持续运行，当整流装置的均流系数在0.4时，其最大支路的电流为A=6I/(3*KIM)=3*600/(3*0.4)=1500A,当均流系数在0.7时同样可算出其最大支路的电流在857.14A。而整流装置的整流管的型号为ZP800-30，其额定工作电流为800A第一章绪论PAGEPAGE59，因此可以看出在均流系数降低的情况下，段桥整流臂上最大电流支路的整流元件实实在在地承担着超过其额定电流很多的电流，这样整流元件自然就容易发生烧损和降级老化等故障现象。而某一支路的1个硅元件烧损，便发生恶性循环，有可能造成整个桥臂支路烧损等事故。从上述可见，电力机车的整流装置在装车前或是进行检修时进行均压均流试验是多么的重要和必需，对整流装置的各支路的均流试验和各串联晶闸管(机车检修需要时)的均压试验是否准确可靠，直接关系到机车的安全运行和国家人民生命财产的安全。对这项试验的检修是否方便快捷也是关系到测试人员的劳动强度，因此本论文针对这些实际的情况详细设计了基于DSP的均压均流测试系统以满足机车整流装置检修的需求。所以本文以介绍SS—3B电力机车硅机组为对象，设计了一种基于DSP的采用间隙式脉冲高压、大电流测试硅机组均流均压系数的技术，进行均压均流测试的系统，还可根据硅机组型号的不同对系统稍加改进。与各种该系统能够较准确地对整流柜的整体性能及有关参数进行检测，使整流柜硅元件达到最佳匹配状态，保证了机车正常运行。该产品具有DSP自动数据采集及数据处理系统，为整流柜的检修提供重要的参数。该产品的推广使用，将为电力机务段检修整流柜提供先进可靠的手段，降低整流柜故障的返修率，同时必将带来可观的经济效益和社会效益。第二章整流柜及其均压均流测试PAGEPAGE59第二章整流柜及其均压均流测试2.1整流柜的结构从结构上来说各种电力机车上的整流柜的结构不太相同，但由于机车的发展是一个连续的过程，所以其结构都具有相似性，只是根据具体的电力机车的主要用途和功能所以其整流装置存在差异。以韶山3型4000系电力机车(简称韶山3B型)为例，韶山3B型电力机车采用大功率硅整流管和晶闸管组成的桥式全波整流电路的TGZ11型整流装置，每台机车的整流装置由=1\*ROMANI端整流柜和=2\*ROMANII端整流柜组成。每个整流柜组成一个独立的三段不等分半控桥，向1个转向架3台并联工作的牵引电动机供电。但是=1\*ROMANI端整流柜要比=2\*ROMANII端整流柜多二个可控桥臂，作为电阻制动时供给两个转向架6台牵引电动机的励磁电流。除此以外，两个整流柜的外形尺寸和安装位置都是相同的。半导体组件在柜内的布置和接线如图2-1所示：图2-1韶山3B型机车整流柜原理图Fig.2-1locomotiverectifierschematicofShaoshan3BTGZ11型整流装置由晶闸管、整流管、触发脉冲输出部分、快速熔断器、RC保护、安装构架、汇流母排和控制导线等组成。整流装置主电路接线原理图见图2—2。它由两个串联桥组成单相半控桥式整流电路，向3台并联工作的牵引电动机供电。全车共有这样独立的两套系统。串联桥的第一个半控桥由四个桥臂组成，T11、T12是可控管，D11、D12是不可控臂。每个桥臂均由2串3并半导体组件组成，第二个桥由八个桥臂组成。D13、D14是不可控臂，由整流管2串3并组成，其余都是可控桥臂。其中T15、T16桥臂承受的电压最高，由2串3第二章整流柜及其均压均流测试PAGEPAGE59并晶闸管组成。T13、T14桥臂承受的电压为前者的1/2，因此它由晶闸管1串3并组成。T17、T18桥臂是供给电阻制动励磁电流的。制动时各牵引电动机的励磁绕组相互间接成串联，供给它的励磁电源电压为牵引工况桥臂的1/3，所以它仅由1个晶闸管组成，但是牵引时它承受的反向电压又比T13、T14高，为T15、T16的2/3。为了安全起见，在桥臂晶闸管上串联1只整流管来分担其承受的反向电压。图2-2整流装置主电路原理图Fig.2-2rectifierschematicofmaincircuit2.2整流柜的功能和原理TGzll型是供韶山3B型电力机车使用的整流装置，它由大功率整流二极管和晶闸管及其附件所组成，具有以下功能：1.把交流电变为直流电供给牵引电动机；2.进行平滑调压；3.供给制动励磁电流，并可平滑调节该电流。其它类型电力机车的整流柜也具有同样的功能第二章整流柜及其均压均流测试PAGEPAGE59TGzll型车整流装置有下述优点：1.采用不等分三段顺控桥，可实现整流和无级相控调压，持续工况运行它具有多段桥的优点，有利提高功率因子，减少谐波成分。2.触发脉冲部分采用韶山6型电力机车用的脉冲输出模块，技术指针先进，工作可靠。2.2.1整流装置均流功能分析整流装置的主桥臂由三个并联支路组成，通过各并联支路的电流不会完全一样。流过大电流支路的半导体组件有可能过载而损坏，电流小的支路则组件没有充分利用。最理想的是让所有并联支路通过的电流都一样，即所谓均流。实际上这是不可能的，因为有许多因素影响电流的均匀分配。例如：半导体组件正向特性的差异，汇流母排的影响，串联组件之间连接导线的影响，快速熔断器之间电阻值的差异，接触电阻的影响，以及冷却风分布不均匀相上下层之间冷却风温度不同的影响等。这许多影响因素中，最主要的是半导体组件的正向特性。因此，为使各并联支路的电流分配趋向一致，最简单的方法就是在工厂组装时，各并联支路按整流管的正向压降或晶闸管的通态电压进行编组。这样做了以后，出厂试验时只需稍许调整，一般均可达到技术要求的均流系数0.85。对于并联工作的晶闸管，还要考虑它们的动态均流问题。所谓动态均沈就是并联晶闸管在开通过程中的均流。由于晶闸管开通时间的不同，首先导通的组件，不仅要承受桥臂的全部电流，而且自身并联的电容器以及其它未导通晶闸管并联的电容器也会瞬间向它放电，使其承受一个迅速增长的di/dt，造成半导体组件内局部过热而损坏，如图2-3所示。图2-3一个晶闸管先导通时，流过的放电电流示意图Fig.2-3thesketchmapofcurrentthroughthethyristorwhichisfirston为了动态均流，对于只串联一个晶闸管的T13、T14桥臂，在每个晶闸管支路串联一只由第二章整流柜及其均压均流测试PAGEPAGE59磁环构成的均流电抗器。在某支路电流迅速增长的瞬间，该支路电抗器上将会感应出一个反电势，阻止电流的增长，从而达到动态均流的作用。但是，当电流增长到一定数值以后，磁芯饱和，电抗器也就不起作用了。2.2.2整流装置均压功能分析串联工作的半导体组件，由于它们的反向特性有差异，当加上反向电压时，各串联组件所承受的反向电压就不同。承受过大反向电压的组件有可能被反向击穿，而其它组件的电压利用也不充分。此外，串联工作的晶闸管由于正向阻断特性的差异，在加上正向电压，但没有门板触发脉冲信号时，串联组件之间承受的正向阻断电压也是不相同的。过大的正向电压有可能使晶闸管正向转折而导通，这是电路中不能允许的，同时这种不正常的转折导通多来几次，晶闸管的正向阻断特性有可能丧失而成为整流二极管了。为使串联组件承受的电压分配均匀，即所谓均压，通常在每个串联组件的两端并联均压电阻。选取的均压电阻值，一般要比半导体组件的反向电阻值小得多，而且在工厂组装时要对每只均压电阻进行阻值测量并分组，使每个串联支路的各均压电阻值基本相等，这样支路串联组件之间的电压分配就可以按并联均压电阻值进行分配而趋向一致了。这里选取均压电阻为30kQ、30w的线绕电阻，并联均压电阻以后，在最高工作电压下，各串联支路的均压系数可以达到0.95以上。半导体组件在正向导通结束加上反向电压时，由于载流子积蓄效应，存在着反向恢复电荷。组件需要经过几微秒到几十微秒之后才能恢复反向阻断能力，在恢复反向阻断能力的瞬间，对组件将产生一个所谓换相过电压。由于各组件的反向恢复电荷不尽相同，串联工作时，各组件产生的换相过电压也不同，组件之间特产生一个动态不平衡电压ΔU。反向恢复电荷最少的组件，最先恢复反向阻断能力，将承受支路的全部反向电压。为使串联组件动态均压，可借助在半导体组件两端并联电容和电阻、并尽量减少串联组件之间的反向恢复电荷差异来达到。本装置在每只整流管和晶闸管两端并联1uF的电容器、22Ω电阻作为动态均压用。同时要求串联工作的整流管和晶闸管之间反向恢复电荷之差不大于400µc。2.2.3整流装置过电压保护功能分析晶闸管和整流管从导通转换到截止而承受反向电压时会产生一个峰值远远超过正常工作电压的换相过电压，如不采取措施将会导致组件损坏。通常在半导体组件两端并联电容器和电阻器进行保护如图2－4所示。前述瞬态均压用的1µF电容和22Ω电阻支路也起着过电压保护的作用。电阻可在晶闸管导通的瞬间，限制电容器向晶闸管放电的di/dt，并对换相过电压产生的振荡有阻尼作用。第二章整流柜及其均压均流测试PAGEPAGE59图2-4过电压保护电阻、电容Fig.2-4overvoltageprotectiveresistance、capacitance对于装置以外侵入的过电压，则由机车主电路设置在变压器次边的RC回路进行保护，要求把过电压抑制在变压器次边电压的2倍以下。2.2.4整流装置过电流保护功能分析整流装置本身不带短路保护，遇有牵引电动机接地、环火或半导体组件文路击穿而引起的短路，由机车主断路器跳闸分断主电路进行保护。为使整流装置内流过短路电流的其它半导体组件不致损坏，受半导体组件过载能力的限制，要求主断路器的动作时间在3个周波即0.06s以内。对于T13、T14桥劈和励磁桥劈，为更加可靠起见，每只晶闸管都串联有1个NGT3—630/380型快速熔断器加以保护，该快速熔断器的额定电流(有效值)为630A。2.2.5晶闸管的di/dt保护我们知道，晶闸管具有正向阻断特性，就是加上正向电压，门极不给触发脉冲时它是不会自行导通的。一旦给出门极触发脉冲，晶闸管就开始导通。导通过程首先从门极开始，逐渐向门极周围的阴极而扩展而达到全面导通。如果导通过程电流增长过快，即di/dt过大，而导通扩展的面积还不够大时，将会产生局部电流密度过高把半导体组件烧坏。为此，对于只有1个组件串联的T13、T14桥臂，在每个晶闸管上串联1个均流电抗器来限制过快增长的di/dt。如前所述，该电抗器还具有桥臂支路动态均流的作用。从对整流柜的功能分析可以看出，虽然就其最初的设计而言是为了达到理想的均压均流的功能，但由于器件本身的原因和制造安装时的原因使得整流装置不能达到比较理想的状态，所以对电力机车的整流装置在装车前有必要对其进行均压、均流测试，均压均流测试系统的研制的意义就在于此。2.3被测组件特性硅整流管的伏安特性曲线，如图2-5所示。对应于B第二章整流柜及其均压均流测试PAGEPAGE59点电流叫正向平均电流，它是半个周期里流过硅整流管的电流，在一个周期内的平均电流值。此时电压大约0.45～0.55V左右。UF为正向平均电压(正向压降)，是正半周电压降在一个周期内的平均值，即实际电压的一半左右。URRM为反向重复峰值电压，对应的电流IRRM为反向重复峰值电流(也称漏电流)。图2-5整流管伏安特性曲线Fig.2-5rectifyingtubevolt-amperecharacteristiscurve晶闸管的伏安特性曲线，如图2-6所示。其反向特性与硅整流管一样。正向特性则为：正向电压在一定限度内，门极电流IG等于0时，晶闸管与硅整流管的反向特性相似，呈现阻断状态(OA段)，当正向电压超过一定限度(A点)时，漏电流增大，晶闸管突然变为导通，此时电压叫做正向转折电压UBO。正常工作时，IG达到规定的电流使晶闸管导通，UT点为正向通态平均电流时的正向平均通态电压。图2-6晶闸管伏安特性曲线Fig.2-6thyristorvolt-amperecharacteristiscurve其中，根据机车实际要求，试验台的主要测试点为以下4个参数：(1)反向重复峰值电压URRM，0～3000V；(2)反向重复峰值电流IRRM，0～60mA；(3)正向通态电压UFM(UT)，0～5V；(4)正向通态电流IFM(IT)，0～2500A。第二章整流柜及其均压均流测试PAGEPAGE592.4硅机组均压均流试验的现状和本系统的优点2.4.1.国内电力机务段机车硅机组均压均流试验的现状我国电力机务段对电力机车上的硅机组(硅整流装置)在进行段修后，按检修规程要求，需进行均压和均流试验，用以检查硅机组的均压和均流情况是否符合规程的要求。均压试验由于试验设备容量小，测试较方便，大多能正常进行；而均流试验则存在一些困难和问题，主要表现在以下几个方面：=1\*GB3①试验没备容量大，试验耗电大按现有段修规程(SS3型机车)要求，均流试验时，需给被试硅机组通以3300安(最大4800安)的大电流，15分钟后，在热状态下进行各支路电流的测量：现有的均流试验设备多半是从段内的配电变压器取电，通过试验装置中的感应调压器和低压大电流变压器给被试硅机组提供单相工频可调的大电流，调压器的容量大多在36～100KVA左右，一些机务段的配电变压器常难以满足要求。=2\*GB3②试验工作难度大，工作条件差连结导线需要采用大截面的铜排，连结处要求接触良好，以避免通过大电流时发生过热现象，给接线工作增加了难度；较长时间的持续大电流，在试验变压器、连结铜排和硅机组中产生大量的热量，使试验场所温度升高，持续的大电流还产生电磁噪音，恶化了工作条件和测试的准确度。=3\*GB3③更换组件时，缺少足够的资料依据来选择替换的组件当被试硅机组的均流系数不符合要求，需要更换组件时，选择被更换的组件和替换组件，都缺少足够的较为科学的资料依据，使组件的更换带有一定程度的盲目性，而延长了检修时间。2.4.2新型硅机组均压均流试验装置的特点=1\*GB3①采用脉冲工作方式，试验变压器容量小，试验耗电大为减少。本试验装置在试验时，向被试硅机组输出一个正弦半波电压，与整流组件在正常工作时导通条件相同。一台机车(SS3型)2台硅机组的均流试验，总计通电时间仅需3秒左右，耗电和发热将大大减小，由于每次通电时间极短对配电系统的影响甚微。=2\*GB3②利用DSP的模数转换模块ADC进行数据采集，测试自动化程度较高，测试资料的实时性较好，测试精度得以提高，测试速度快，耗时少。=3\*GB3③采用DSP进行数据处理和输出，可自动计算和输出被测硅机组的均压均流系数：在积累了一定的测试资料后，还可给出更换组件的提示(包括更换的组件号和对均流、均压系数不符合要求的支路组件参数)。=4\*GB3④可为更换组件提供需要的参数均流试验中，在测量支路电流时，可同时测量该支路各组件的通态第二章整流柜及其均压均流测试PAGEPAGE59压降，并利用计算机对硅机组的组件网络进行故障诊断分析，为更换组件提供必要的参数依据。=5\*GB3⑤为电力机务段机车维修的微机管理和硅机组的状态修创造了条件可方便地建立硅机组检修数据文件，便于与机务段的微机管理系统衔接。在建立了较为完善的段内硅机组检修数据库的基础上，可根据每次段修积累的资料，观察组件参数的变化，参照有关的电力半导体器件的失效判据，了解和判定各组件的技术状态。使机务段能随时查看硅机组的技术状态，为预防故障状态修创造了条件。=6\*GB3⑥还可根据用户要求，增设功能。由于本设备具有上述诸多的优点，因此使用新型均压、均流试验装置无疑是给机务段提供了一套便捷而又经济的测试设备，随着本设备的使用，各机务段必将在硅机组的检修和运用方面提高一个档次，大量节省人力和物力资源，完善测试手段，缩短检修时间，减少元器件的损耗，同时降低了硅机组的故障率。[5]第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59第三章均压、均流试验系统主电路的设计3.1总体方案的设计3.1.1试验系统测试方案按照传统的方法为了建立均压、均流测试环境，需要在整流器内部通过上千安培的电流，并且有上千伏的电压，如果按照机车实际，直接给牵引电机供电，则需要几千瓦的能量，这是不切实际的，既耗费人力能量，又不可能提供如此大的负载，还增加不安全因素。在国际上，前苏联在1983年在变电所的变流机组的均流、均压状态检测中，采用了新型脉冲供电方式，但提供的脉冲大电流不是工频正弦电流，因此，使硅机组在试验过程和使用过程中的导通情形大相径庭，参数采用峰值电压表。1991年前苏联又相继在机车整流装置的检测中采用了脉冲方式电源，但它主要是为了检测硅元件的反向漏电流，用于元件的故障诊断和失效预测。而用脉冲方式测量元件特性的仪器和设备，国内已有不少单位早已研制和开发，并已经形成正式产品。用计算机进行数据采集和数据处理技术发展已相当成熟，在国内也早已在很多领域中得到应用。因此,本系统的均压、均流测试装置采用脉冲电源、基于DSP的均压、均流数据采集系统和计算机及相关软件。构成了一套完整的硅机组均压、均流试验和数据采集处理系统，具有一定的先进性和实用性。我们采用脉冲工作方式，以降低试验变压器容量，减少试验耗电量。即在试验时，向被试验硅机组输出一个正弦半波电压，与整流组件在正常工作时的导通条件相同。一台机车(SS3B型)2台硅机组的均流试验，总计通电时间仅需3秒左右，耗电和发热将大大减小，每次通电时间极短(10ms)对配电系统的影响甚微。采用基于DSP的均压、均流数据采集系统有利于提高数据采集的精度和实时性。[6]3.1.2均压、均流试验系统的组成试验系统主要由电源单元（包括均流电源和均压电源）、触发控制单元、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器、数字信号处理器（DSP）、显示器及打印机组成。基本框图，如图3-1所示。第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59图3-1测试系统原理框图Fig.3-1principleschematicoftestsystem一、电源单元均流电源的输入输出特性如下：(1)输入：电压(交流50Hz)380V最大电流(交流50Hz)200A(2)输出：最大输出电流(峰值)4800A空载电压(脉冲)21V额定输出电压(脉冲)12V均压电源的输入输出特性如下：(1)输入：电压(交流50Hz)380V最大电流(交流50Hz)3A(2)输出：最大输出电压(峰值)3300V最大输出电流(峰值)200mA二、触发控制单元(1)电源电压(工频)220V(2)脉冲输出单元输出合格脉冲信号三、信号采集与转换单元(采用电流传感器和电压传感器采集)第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59(1)电流信号信道4路(可根据用户要求设计)最大量程1000A／路(2)电压信号信道2路(可根据用户要求设计)最大量程1000V／路四、DSP信号处理系统(1)数据采集处理子模块(2)串行通信子模块(3)接口电路3.2电源单元的设计由于本测试系统是采用间隙式脉冲高压、大电流测试硅机组均流均压系数的技术进行均压、均流测试，即要求在进行均压测试时向被测支路输入间隔为3秒钟的高压半正弦波，即要求在进行均流测试时向被测支路输入间隔为3秒钟的大电流半正弦波，所以为了能够实现每隔3秒钟向被试硅机组输出一个如图3－2所示的半正弦波的目的，可以利用555定时器设计专门的触发电路，对均压电源和均流电源的可控硅进行适当控制，具体的触发电路将在后文中作详细说明。图3-2延时三秒输出脉冲Fig.3-2delay3secondoutputimpulse为了能够方便地进行均压测试和均流测试，在本系统的硬件设计部分设计了如图3－3所示的均压、均流主电路。具体功能为：当按下均压测试开关QA1时，均压电路导通并使相应的指示灯亮，而且可以通过ZJ1接到的蜂鸣器发出声音，此时可以进行硅机组的均压测试，与此同时均流测试的开关QA2将失去作用并使均流电路保持断路，给均压电路中的晶闸管输入触发脉冲后，通过分压电阻将均压测试电源电压调节在适合作均压测试的位置，即保证有电压为3300V电流为200mA的高电压小电流的均压电源输出；同样当按下均流测试开关QA2时，均流电路导通并使相应的指示灯亮，而且可以通过ZJ2接到的蜂鸣器发出声音，此时可以进行硅机组的均流测试，与此同QA1将失去作用并使均压电路保持断路第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59，给均流电路中的晶闸管输入触发脉冲后，通过限流电阻将均流测试电源电流调节在适合作均流测试的位置，即保证有电压为12V最大电流为4800A低电压大电流的均流电源输出。图3-3主电路图Fig.3-3maincircuitschematic3.2.1硅机组的均流测试本测试系统以SS3B三段顺控桥车型的为测试对象，由于一个整流柜就是一个三段顺控桥，所以一般可以将这些车的变流装置直接按照桥式整流接线，只要将三段顺控桥的输出短接即可。测试电路如图3-4所示:第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59图3－4SS3B型机车均流试验接线图Fig.3-4SS3Blocomotiverectifiercurrentsharetestconnectgraph在测试时可以把大电流变压器输出端接在al-xl端，测量Dl,D2,T1,T2各管的均流情况，这时，由于三段顺控桥的输出短接(1,3或2,4号线短接)。进行上述测量时，D3,D4管将达到续流的作用。再改接到a2-x2端，测量D3,D4,T3,T4各管的均流情况，这时Dl,D2管将起到续流的作用。在上述接线下进行SS3B型机车试验时，总电流额定值为1650A(2400A),单管电流额定值为250A,警戒值为300A。进行SS3B型机车试验时，一次可以测量4个桥臂的12条支路均流情况(将1~12号测试传感器分别夹在待测的支路上)，一个柜子共有10个桥臂，需要测量3次(即前两次每次测量4个桥臂，最后一次测量2个桥臂，且最后一次测量只用到1-s号测试传感器)。在实际工作中，主要关注支路中最大电流是否超标，所以我们一般按照式3-1进行计算，即以最大电流支路计算的均流系数为准。(3-1)式中——并联桥臂均流系数；——各并联支路的电流之和(A)；——并联支路数；——通过最大电流支路的电流(A)。3.2.2硅机组的均压测试对于电力机车的整流柜,为了提高整流柜的电压等级,电力半导体器件(二极管、晶闸管)常常进行串联，对于这种具有晶闸管和整流管串联的装置为了使串联的电力半导体器件承受的电压分配均匀,必须对其进行均压，所以应该测量管子之间的均压系数。例如在进行SS3B型机车的试验时，一般需要将一个柜的两个桥臂接成对接方式，然后把高压交流电源加在两个桥臂的尾部，即可分别测量两个桥臂的均压。如图3-5所示：第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59图3-5SS3B型机车整流柜均压试验接线图Fig.3-5SS3Blocomotiverectifiervoltagesharetestconnectgraph在此测试系统的电压检测当中，设计为一次可以测试多个晶闸管两端的电压，比如根据需要可以一次只测2个或4个或6个晶闸管两端的电压。在实际工作中，主要关注支路中最大电压是否超标，所以我们一般按照式3-2进行计算，即以最大电流支路计算的均压系数为准。即：(3-2)式中——串联支路均压系数；——支路串联组件的电压(V)；——串联支路数；——承受最大电压组件的电压(V)。K值越大，说明牵引整流装置的均压效果越好，在正常运行的情况下整流组件的可靠性越高。3.3触发电路的设计3.3.1被测可控硅的触发电路可控硅的是一种能在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、容量大、体积小等优点，它是大功率开关型半导体器件。只有当可控硅阳极A与阴极K之间加有正向电压，同时控制极G与阴极间加上所需的正向触发电压时，方可被触发导通。此第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59时A、K间呈低阻导通状态，阳极A与阴极K间压降约1V。单向可控硅导通后，控制器G即使失去触发电压，只要阳极A和阴极K之间仍保持正向电压，单向可控硅继续处于低阻导通状态。只有把阳极A电压拆除或阳极A、阴极K间电压极性发生改变（交流过零）时，单向可控硅才由低阻导通状态转换为高阻截止状态。单向可控硅一旦截止，即使阳极A和阴极K间又重新加上正向电压，仍需在控制极G和阴极K间有重新加上正向触发电压方可导通。单向可控硅的导通与截止状态相当于开关的闭合与断开状态，用它可制成无触点开关。所以必须通过合适的触发脉冲的触发才能对可控硅进行测试，为此本系统设计了如图3-6所示的单脉冲触发电路触发被测可控硅，以满足测试需要。图3-6被测可控硅触发电路Fig.3-6thetestedthyristorflip-flopcircuitgraph3.3.2脉冲电源触发电路根据测试系统对电路具体的触发要求以及如上所述的可控硅的工作特点，设计了脉冲电源触发电路原理图如图3-7所示。在此原理图中采用555定时器每间隔3秒产生一个固定的脉冲来定时触发图中的主电路中的可控硅，从而使得脉冲变压器导通从而实现均压、均流试验台测试时晶闸管的导通与关断，使其每隔3秒能够输出半工频脉冲，以满足对整流柜的测试需要。第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59图3-7脉冲电源触发电路Fig.3-7impulsepowersupplyflip-flopcircuitgraph3.4信号采样与转换由于本试验采用的是半工频脉冲，频率是50Hz,周期为0.02s，因为是半工频脉冲，其周期为10ms，若在10ms采样100点，则采样频率为10kHz，如果对四路均流信号进行采样，就要在10ms内采400个数据，每个数据的采样间隔为25us，若是对两路均压信号进行采样对速度的要求更低，所以通过对本系统所采用的TMS320LF2407A芯片的事件管理器模块（EVA或EVB）中的相应定时器的周期寄存器的设置，确定采样频率，模拟信号经处理后送入DSP内部的ADC模块，其采样频率为10kHz，TMS320LF2407A芯片的性能完全能够在采样频率上满足被测试对象在速度上的要求。3.5霍尔传感器3.5.1霍尔电压电流传感器概述霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。按照霍尔传感器的功能可将它们分为：第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按照霍尔传感器应用大致分为：直接应用和间接应用。霍尔传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀。

霍尔线性传感器的精度高、线性度好；霍尔开关传感器无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。其中取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围可以很宽，可达－55℃～150℃。直接应用是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，其中最具特色的当推是霍尔电流、电压类传感器/变送器，它们已成为当今电子测量领域中应用最多的传感器件之一，是测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器，是一种新型的高性能电气隔离检测组件，被广泛用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域以及逆变焊机，发电及输变电设备，电气传动，数控机床等工业产品上，它正在逐步替代传统的互感器和分流器，并具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。间接应用是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来做被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量电量来进行检测和控制。[7]3.5.2霍尔传感器工作原理普通的电流传感器在体积上和电参数上都不适合作DSP检测系统的传感器检测组件。由于霍尔组件具有体积小、灵敏度高、温漂小等特点，是理想的电流传感组件。由其制成的霍尔电流传感器具有很好的电隔离性能和抗震动冲击性能，并且具有响应速度快、频率范围宽、测量范围广、测量精度高的优点，广泛应用于测量直流、交流、脉冲电流以及各种不规则波形的电流。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。将一块半导体薄片置于磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体的另外两边将产生一个与控制电流和磁场感应强度乘积成正比的电势，这一现象就是霍尔效应。霍尔传感器主要由霍尔组件、恒流源、线性放大器组成。霍尔组件是一种半导体四端薄片，将霍尔组件置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当垂直于磁场方向的电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，可表示为：EH=KHIB(4-1)式中EH——霍尔电势；KH——霍尔组件灵敏度；I——激励电流；B——磁感应强度。第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59当激励电流由恒流源控制时，I为常数，霍尔组件感受到被测电流引起的磁感应强度B的变化，从而引起霍尔电势的变化，霍尔电势经放大器放大输出作为检测信号输入DSP。电压传感器与电流传感器具有同样的工作原理,主要区别在于电压传感器的一次侧绕组与限流电阻串联后与被测电压并联。[8]3.5.3霍尔传感器接线图当进行均压测试时的电压传感器接线图，根据所测电压大小的不同,用户可根据需要在被测电压一端串接一个电阻R后再接到传感器的原边,串接电阻R的大小由下式决定：R=VP/IIN-RIN式中R为串联电阻,Vp为被测电压,IIN为额定输入电流,RIN为传感器的原边内阻。串接电阻功率大小由W=Vp*IIN确定。电压传感器的输出端的应用接线方法与磁平衡式电流传感器相同,电压传感器的接线方法如图3-8所示。图3-8电压传感器接线图Fig.3-8voltagesensorconnectgraph电压传感器一般有5个接线端子,其中“+HT”、“-HT”为原边分别接被测电压输入端的正极和负极。另外4个端子为负边端子,“+”端接+15V电源,“-”端接-15V电源，“OUT”端为信号输出端，公共端接地。[9][10]在本测试系统中各支路的电压通过电压传感器按照如图3－9的接线方法，将模拟的电压量传送出。而OUT端出来的信号是5V的，高于DSP3.3V的工作电压，所以应该先将电压降低，再接入DSP芯片的ADCIN引脚，从而完成模拟电压量的采集，通过DSP的ADC模块将其转变为数字量，并通过本系统设计的软件进行均压系数的计算。第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59图3-9均压测试时电压传感器接线图Fig.3-9voltagesharetestvoltagesensorconnectgraph在试验过程中发现直接从传感器信号端出来的正向电压和反向电压信号并不是理想的半正弦波，为了能够使输出信号变成易于处理的半正弦波，设计了正向、反向电压处理电路接到电压传感器的输出端。由于正向电压信号处理电路和反向电压信号处理电路是相同的，只是处理对象不同，在此仅列出正向电压信号处理电路，如图3-10所示。图3-10正向电压信号处理电路Fig.3-10forwardvoltagesignalprocessingcircuitgraph当进行均流测试时的电流传感器接线图电流传感器的接线方法如图3－7所示。电流传感器一般有4个接线端子,其中“+”端接+15V电源,“-”端接-15V电源，“OUT”端为信号输出端，“GND”端接地。IX为穿心输入的被测电流。第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59图3－11电流传感器接线图Fig.3-11currentsensorconnectgraph在本测试系统中各支路的电流通过电流传感器按照如图3-12所示的接线方法，将模拟的电流量传送出去，经放大器放大后，接入DSP芯片的ADCIN引脚，从而完成模拟电流量的采集，通过DSP的ADC模块将其转变为数字量，并通过本系统设计的软件进行均流系数的计算。[11]图3-12电流传感器接线图Fig.3-12currentsensorconnectgraph与均压测试过程一样，在测试过程中直接从电流传感器信号端出来的信号并不是理想的半正弦波，为了能够使输出信号变成易于处理的半正弦波，设计了一个通道电流处理电路接到电流传感器的输出端，如图3-13所示图3-13通道电流信号处理电路第三章均压、均流试验系统主电路的设计PAGEPAGE59Fig.3-13accesscurrentsignalprocessingcircuit第四章基于DSP的信号采集与处理系统硬件设计PAGEPAGE59第四章基于DSP的信号采集与处理系统硬件设计本测试系统以TI公司的TMS320LF2407A芯片为核心，辅以相应的外部电路，完成电压信号、电流信号的采集和处理，并通过SCI模块将处理结果输出。包括DSP芯片及其外围器件，电压电流模拟量输入，均压均流系数输出和显示等部分。下面将具体说明基于DSP的信号采集与处理系统各部分的构成。4.1DSP芯片概述DSP芯片，即数字信号处理芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片除了具有接口方便、稳定性好、编程方便、精度高、可重复性好、集成方便等特性外，与一般单片机相比，还有以下特点：1.在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；2.程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；3.片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；4.具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；5.快速的中断处理和硬件I/O支持；6.具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；7.可以并行执行多个操作；8.支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以并行执行。与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些，比如单片机和DSP相比各有特点，前者控制功能强，后者数字信号处理能力强。但是，近年来新推出的DSP芯片已经将通用微处理器的一些功能集成在芯片中，DSP芯片已经可以实现普通微处理器的功能。[11]因为DSP有强大的运算功能和高速的传输数据能力，能方便地处理以运算为主的实时信号，所以DSP对于数字信号的数字滤波、FFT/DFT、相关运算、谱分析、卷积等预算的针对性应用能力，使得在下列领域都有极优秀的表现：1.语音处理：语音信箱、语音识别、语音鉴别、语音合成、文字变声音、语音矢量编码等。2.通讯：高速调制解调器、编\译码器、传真、蜂窝移动电话、数字留言机、语音信箱、回音消除、噪音对消、电视会议、扩频通信等。3.仪器仪表与测量：数据采集、暂台分析、模态分析、谱分析。4.工业控制：电机控制、发电机控制、电梯控制、航海、交通控制、硬盘驱动器伺服控制系统、振动分析等。5.医用电子：心电图/脑电图、核磁共振、血液分析、X－射线断层扫描等、助听器。6.增强、动画、电子地图。桌面出版系统。高清晰电视等。[12]4.1.1DSP芯片的分类DSP芯片可以按照下列三种方式进行分类。第四章基于DSP的信号采集与处理系统硬件设计PAGEPAGE591.按基础特性分这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称为静态DSP芯片。例如，日本OKI

电气公司的DSP芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片属于这一类。如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容，则这类DSP芯片称为一致性DSP芯片。例如，美国TI公司的TMS320C54X就属于这一类。

2.按数据格式分这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP芯片，如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motorola公司的MC56000等。以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motorola公司的MC96002等。

不同浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，如TMS320C3X，而有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式，如Motorola公司的MC96002、FUJITSU公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等。

3.按用途分按照DSP的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片属于通用型DSP芯片。专用DSP芯片是为特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和FFT，如Motorola公司的DSP56200，Zoran公司的ZR34881，Inmos公司的IMSA100等就属于专用型DSP芯片。4.1.2DSP系统的设计过程总的来说，DSP芯片有非常好的正规设计方法。图4-1是DSP系统设计的一般过程。从流程图可知，在设计DSP系统时首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标。其次是根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制以及体积功耗等要求选择合适的DSP芯片。第四章基于DSP的信号采集与处理系统硬件设计PAGEPAGE59图4-1DSP系统开发流程图Fig.4-1DSPsystemdevelopflowsheet选择DSP芯片是DSP系统设计过程中一个非常重要的环节。只有选定了DSP芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。DSP芯片的选择应该根据实际的应用系统需要而确定。不同的DSP应用系统由于应用场合、应用目的等不尽相同，对DSP芯片的选择也是不同的。一般而言，选择DSP芯片时应考虑如下诸多因素。系统中DSP的选用在对系统的应用和需求有了全面的了解之后,开始选择器件,这将对产品设计周期的各个方面带来很大的影响。根据具体需要考虑不同DSP芯片的性能指标,主要包括以下几个方面。1.DSP芯片的运算速度。运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP芯片时所需要考虑的一个主要因素。DSP芯片的运算速度可以由以下各个指标来确定。指令周期:即执行1条指令所需的时间,通常以ns为单位；MAC时间:即1次乘法加上1次加法的时间。大部分DSP芯片可在1个指令周期内完成一次乘法和加法操作；FFT执行时间:即运行1个N点FFT程序所需的时间。由于FFT运算涉及的运算在数字信号处理中很有代表性,因此FFT运算时间常作为衡量DSP芯片运算能力的一个指标；MIPS:即每秒执行百万条指令；MOPS:即每秒执行百万次操作；MFLOPS:即每秒执行百万次浮点操作；第四章基于DSP的信号采集与处理系统硬件设计PAGEPAGE59BOPS:即每秒执行十亿次操作。2.DSP芯片的运算精度。一般的定点DSP芯片的字长为16位,如TMS320系列。浮点芯片的字长一般为32位,累加器为40位。浮点处理器能够以数字值处理庞大的变量而依然提供极其精确的结果,且C语言编程调试方便,但是价钱较贵。定点处理器价格便宜,功耗低,占用硅资源比较少,但动态变化范围比较小。3.DSP芯片的硬件资源。不同的DSP芯片所提供的硬件资源是不相同的,如片内RAM、ROM的数量,外部可扩展的程序和数据空间、总线接口以及I/O接口等。即使是同一系列的DSP芯片,不同DSP芯片也具有不同的内部硬件资源,可以适应不同的需要。4.DSP芯片的开发工具。在DSP系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。如果没有开发工具的支持，要想开发DSP系统几乎是不可能的。如果有功能强大的开发工具的支持，如C语言支持，则开发的时间大大缩短。浮点型DSP比定点型DSP较易实现编程,在进行产品开发时,如果产品的开发周期很短,在选择芯片时浮点型优于定点型。所以，在选择DSP芯片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发工具。5.DSP芯片的价格。DSP芯片的价格也是选择DSP芯片所需考虑的一个重要因素。如果采用价格昂贵的DSP芯片，即使性能再高,其应用范围肯定会受到一定的限制。因此根据实际系统的应用情况,需确定一个价格适中的DSP芯片。当然，由于DSP芯片的发展迅速，DSP芯片的价格往往下降较快，因此在开发阶段选用某种价格稍贵的DSP芯片，等到系统开发完毕，其价格可能已经下降很多了。6.DSP芯片的功耗。在某些DSP应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。除了上述因素外,选择DSP芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、供货情况、生产周期等。[14]在完成上述两步操作之后，接下来就可以设计实时DSP系统了，DSP系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计主要是设计DSP芯片的外围电路及其它电路；软件设计和编程主要根据系统要求和所选的DSP芯片编写相应的DSP程序。DSP硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试一般借助于DSP开发工具，如软件模拟器、DSP开发系统或仿真器等。调试DSP算法时一般采用对实时结果和模拟结果进行比较的方法，如果实时程序和模拟程序的输入相同，则两者的输出应该一致。系统其他软件的调试可以根据实际情况进行。硬件调试一般采用硬件仿真器进行，如果没有相应的硬件仿真器，且硬件系统不是十分复杂，也可以借助一般的工具进行调试。系统的软件和硬件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行。当然，DSP系统的开发，特别是软件的开发是一般需要反复进行的过程，虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但时间上模拟环境不可能做到与实时系统环境完全一致，而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能够实时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行，则必须重新修改或简化算法。[15]4.2TMS320LF240x芯片的特点4.2.1TMS320系列DSP芯片的概况第四章基于DSP的信号采集与处理系统硬件设计PAGEPAGE59TMS320系列包括：定点、浮点、多处理器数字信号处理器和定点DSP控制器。TMS320系列DSP的体系结构专为实时信号处理而设计，该系列DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。以下特性使得TMS320系列芯片成为很多信号处理及控制应用的理想选择：(1)灵活的指令集；(2)内部操作灵活性；(3)高速的运算能力；(4)改进的并行结构；(5)有效的成本；目前TI公司主推的DSP有：TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000等三大系列,TI也称之为三个平台（Platform）。TMS320系列同一产品系列中的器件具有相同的CPU结构，但片内存储器和外设的配置不同。派生的器件集成了新的片内存储器和外设，以满足不同的需求。通过将存储器和外设集成到控制器内部，TMS320器件降低了系统成本，节省了电路板空间，提高了系统的可靠性。TMS320C2000平台，包含16位C24xx和32位C28xx的定点DSP。C2000针对控制领域做了优化配置，集成了了众多的外设，适合逆变器、马达、机器人、数控机床、电力等应用领域。TMS320C5000平台，包含代码兼容的定点C54x和C55x。其提供性能、外围设备、小型封装和电源效率的优化组合，适合便携式上网、语音处理及对功耗有严格要求的地方。TMS320C6000平台，包含定点C62x和C64x以及浮点C67x。其追求的是至高性能，适合宽带网络、图像、影像、雷达等处理应用。由于C2000定位在控制领域，其包含了大量片内外设，如IO、SCI、SPI、CAN、A/D等等。这样C2000既能作为快速微控制器（单片机）来控制对象，也能作为DSP来完成高速数字信号处理，DSP的高性能与通用微控制器的方便性紧密结合在一起，所以C2000也常被称为DSP控制器。可见本系统设计采用C2000系列是能够满足设计要求的。4.2.2TMS320C2000系列DSP芯片的基本结构一、哈佛结构哈佛结构是不同于传统的冯·偌依曼结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和资料存储在不同的存储空间中，即程序内存和数据存储器是两个相互独立的内存，每个内存独立编址、独立访问。与两个内存相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，减轻了程序运行时的访存瓶颈，使资料吞吐率提高了一倍。例如最常见的卷积运算中,一条指令同时