來源：單片機及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用   作者：肖宛昂 陳劍云

摘要：在電力系統(tǒng)交流采樣系統(tǒng)中，經(jīng)常要測量電網(wǎng)頻率，再根據(jù)頻率/周期的變化調(diào)整采樣周期。本文在簡單分析TMS320F240片內(nèi)定時器、捕獲器的使用原理后，提出一種全新的跟蹤頻率變化的交流采樣技術(shù)。

關(guān)鍵詞：交流采樣 頻率變化 DSP TMS320F240

在交流采樣系統(tǒng)中，通常是一個周波采樣64點或128點的電量值，然后對這些數(shù)據(jù)進行處理。如果電網(wǎng)頻率恒定，則采樣間隔t=T/N(T為周期，N為采樣點)，而電網(wǎng)的頻率通常有一定的波動，所以要不斷調(diào)整采樣間隔。

在單片機系統(tǒng)中，一般采用過零觸發(fā)電路和單片機的外部中斷來檢測電量周波的開始和結(jié)束時間，再利用內(nèi)部定時器計算出周期和采樣間隔，在采樣間隔定時中斷程序中啟動一次采親。這種方案有兩個缺點：其一，電路實現(xiàn)復(fù)雜；其二，精度不高，因為要考慮中斷能否實時響應(yīng)。過零觸發(fā)電路產(chǎn)生的中斷響應(yīng)具有不確定性。

我們在使用TMS320F240 DSP開發(fā)交流采樣系統(tǒng)時，巧妙地利用該款DSP的定時器、捕獲器和不中屏蔽中斷（NMI）實現(xiàn)了跟蹤頻率變化的交流采樣。

1 NMI中斷、定時器、捕獲器的簡單分析

（1）NMI中斷

TMS320F24X系列有一個不可屏蔽中斷（NMI）引腳。當(dāng)該引腳有跳變信號時（可編程為上升沿或下降沿觸發(fā)），立即進入中斷程序，可以用于緊急事件的處理。本文中用于跟蹤被測電量的頻率。

（2）定時器介紹

TMS320F240有3個通用定時器，每個通用定時器有6種計數(shù)方式：①停止/保持模式，模式0；②單增計數(shù)模式，模式1；③連續(xù)增計數(shù)模式，模式2；④定向增/減計數(shù)模式，模式3；⑤單增/減計數(shù)模式，模式4；⑥連續(xù)增/減計數(shù)模式，模式5。

設(shè)fc是CPU的時鐘頻率，則定時時間t=脈沖個數(shù)/（fc/分頻系數(shù)），脈沖個數(shù)與定時周期寄存器的值或比較寄存器的值有關(guān)。工作過程是：①根據(jù)CPU的頻率、定時時間確定計數(shù)寄存器的初值TxNT、周期寄存器的初值TxPER、比較寄存器的初值TxCMP。②啟動定時器計數(shù)。③計數(shù)到比較寄存器的值發(fā)生比較匹配中斷，同時使TxCMP引腳發(fā)生跳變。本文中利用T3CPU的跳變?nèi)右淮蜛/D轉(zhuǎn)換。④計數(shù)到周期寄存器的值發(fā)生周期匹配中斷。

定時器一旦開始工作就不受程序影響，準(zhǔn)確性高，保證每隔固定間隔進行采樣。

（3）捕獲器介紹

捕獲單元用于捕獲引腳上電平的變化并記錄發(fā)生的時間，記錄事件發(fā)生的時間以定時器的計數(shù)器作時基。當(dāng)捕獲引腳發(fā)生跳變時，捕獲單元將該時刻時基的計數(shù)寄存器T2CNT的值裝入相應(yīng)的FIFO隊列中。FIFO隊列可以裝入兩個值，第三個裝入時會將第一個值擠出。如果將捕獲器的跳變輸入信號和NMI輸入信號并聯(lián)（見圖2），則可以在NMI中斷程序中讀取跳變時的時基值（讀FIFOx寄存器）。例如：以T2作時基，引腳電平第一次上跳時，T2計數(shù)寄存器T2CNT的值為X1，第二次為X2，T2分頻系數(shù)為D，CPU頻率為fc,則變化時間間隔為

t=D/fc×(X2-X1)

2 設(shè)計思想

過零觸發(fā)電路的輸出接TMS320F240外部不可屏蔽中斷引腳NMI，確保了中斷的實時響應(yīng)；同時，過零觸發(fā)電路的輸出還接到捕獲器1的輸入端CAP1，T2定時器作捕獲器的時基，捕獲器可以捕獲兩個脈沖間隔的時間（用T2計數(shù)器的變化量表示），這樣可以計算出周波的周期/頻率。

用一個定時器T3完成定時觸發(fā)采樣，每隔一個采樣周期T3定時器的比較匹配輸出端T3CMP輸出一個下降沿脈沖去啟動ADC進行一次A/D轉(zhuǎn)換，所以T3CMP的啟動信號的間隔具有確定性。

下面對頻率/周期和采樣間隔的計算作出推導(dǎo)。

（1）頻率和周期

捕獲器用T2作時基，CAP1端每出現(xiàn)一個上升沿脈沖表示一個周波開始，同時立刻進入NMI中斷程序，在中斷程序中讀取FIFO1寄存器的值賦給T3的周期寄存器。要注意的是：FIFO1總是初始化為0，所以FIFO1的值是在剛過去的周波內(nèi)T2計數(shù)器的增加值；而T2的分頻系數(shù)為128，假設(shè)DSP的工作頻率為20MHz，這樣就可以計算出上一個周波的周期T和頻率f：

T=(1/20) μs×128×（FIFO1）=

（128/20）×10 -6×（FIFO1）s

f=1/T=(20×10 6)/[128×(FIFO1)]=156250/(FIFO1)Hz

（2）跟蹤頻率變化的采樣間隔

如