【正文】 ................................ 7 電壓電流有效值的測量 .......................................................... 7 頻率的測量 ............................................................................ 7 基于傅立葉變換的諧波分析法 .............................................. 8 算法原理 ................................................................... 8 功率的測量 ...........................................................................10 本章小結 ............................................................................... 11 3. 系統(tǒng)硬件設計 ............................................................................... 11 系統(tǒng)總體方案設計 ................................................................ 11 信號采集部分設計 ................................................................13 電壓和電流的檢測與調理電路 ................................13 頻率測量電路 ..........................................................14 模數(shù)轉換部分設計 ................................................................14 處理器部分設計 ....................................................................15 TMS320VC5502 的主要外設 ......................................16 TMS320VC5502 的主要特性 ...................................16 2 外部存儲器電路的設計 .........................................................16 SDRAM 接口電路設計 .............................................17 FLASH 接口電路設計 ..............................................17 通信接口部分設計 ................................................................18 鍵盤和顯示部分設計 ............................................................18 鍵盤電路設計 ..........................................................18 顯示電路 ..................................................................19 本章小結 ...............................................................................20 4. 系統(tǒng)軟件設計 ..............................................................................20 主程序設計 ..........................................................................20 數(shù)據(jù)采集程序 .......................................................................22 數(shù)據(jù)處理程序 .......................................................................23 通信模塊 ...............................................................................24 鍵盤和顯示模塊程序 ............................................................26 本章小結 ...............................................................................27 5. 系統(tǒng)誤差分析 ...............................................................................27 誤差分析 ...............................................................................27 結論 ...............................................................................................28 參考文獻 ........................................................................................29 致謝 ...............................................................................................31 附錄 ...............................................................................................32 3 基于 DSP 的智能電力參數(shù)測試儀的研究 摘 要 電力參數(shù)的準確、快速測量對于實現(xiàn)電網(wǎng)調度自動化、保證電網(wǎng)安全與經濟運行具有重要的意義。對頻率、諧波、電壓和電流有效值及其他電力參數(shù)測量原理進行了詳細的理論闡述。儀器整體分為兩大部分：數(shù)據(jù)采集和處理系 統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示 和存儲 系統(tǒng)。該裝置可用來測量單相、三相交流電路的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功和無功功率、視在功率等參量； 可對諧波進行實時測量及分析。電網(wǎng)的電流、電壓過低過高。轉盤的轉動經蝸桿傳遞到計數(shù)器，累計轉盤的轉數(shù)，從而達到計量電能的目的。而完成的功能也由傳統(tǒng)的計量發(fā)展到多條記錄存儲、可與計算機進行數(shù)據(jù)交換、可進行遠程實時測量 (有線或無線 )等。近幾年來隨著半導體技術的飛速發(fā)展，新技術、新產品不斷問世，使開發(fā)新式多功能電力參數(shù)測試儀成為可能。 本文的主要研究內容包括： 分析電力參數(shù)測試儀器的國內外發(fā)展現(xiàn)狀，指出開展電力參數(shù)綜合測試儀器 7 研究的重要意義。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運轉的狀態(tài)下，負荷功率的增減，發(fā)電機出力的變動不斷發(fā)生，系統(tǒng)中不同節(jié)點的頻率產生不同程度的波動，這是一種企求系統(tǒng)能量均衡的動態(tài)過程，在不破壞系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，在各節(jié)點同時檢測，不易覺察到波動的差異。另外，頻率同步也是實現(xiàn)高精度諧波分析的重要措施之一。本設計將三相電壓電流 6路信號中的一路電壓信號送入到過零比較器得到與電壓信號頻率相同的方波信號輸出，由 DSP的捕獲腳捕獲信號上升沿，利用系統(tǒng)時鐘計算出兩個上升沿之間的時間，從而計 算出頻率。本文采用在對加窗后進行插值的雙譜線插值算法，該方法能極大地提高 FFT計算的精度，從 而滿足諧波測量中對諧波參數(shù)的精度要求。顯然， 1 0 2 1 1k k k k? ? ? ?在離散頻譜中找到這兩條譜線，從而可確定 1k 和 2k 令這兩條譜線幅值分別是11()y X k f??和22()y X k f??則由式 ()可知： 101202( 2 ( ) )( 2 ( )W k ky NW k ky N???? ? （ ） 由于 0101kk? ? ? ，所以可引入一個輔助參數(shù)口 ? ? ? ? 。 計算 1()g???? 可以采用多項式逼近方法。當采用切比雪夫多項式逼近奇函數(shù) ??1g? 時，所求多項式的偶次項系數(shù)將為 0，這樣就進一步減少了乘法計算量。如果采用多項式逼近求出函數(shù) ??v 的近似計算公式，結果中將不含有奇次項。由于本裝置采用加漢寧窗的修正算法，現(xiàn)把加漢寧窗的修正公式列出 ： 1 2 4 6211 . 5( ) ( 2 . 3 5 6 1 9 4 0 3 1 . 1 5 5 4 3 6 8 2 0 . 3 2 6 0 7 8 3 0 . 0 7 8 9 1 4 6 1 )a r g ( ) ( ( 1 ) 0 . 5 ) ( 1 , 2 )2 iiA N y yX k f i??? ? ??? ? ???? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ???（ ） 功率的測量 對 于功率的計算包括有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)的計算，功率的測量 . 在正弦波情況下，有功功率為 : cos( )P UI ?? （ ） 其中 ： U、 I電壓和電流的有效值， cos( )? 功率因數(shù)。數(shù)據(jù)顯示與存儲系統(tǒng)主要完成測量數(shù)據(jù)的顯示、存儲工作。 模數(shù)轉換模塊：由 A/D轉換芯片 ADS8364組成，該模塊主要用于實時采集電網(wǎng)參數(shù)。該模塊主要用于數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的通訊。下面說明電流采樣電路，電壓采樣電路和電流采樣電路類似，在這里就不多做說明了。 R 1R 2R 3R 4R 5R 6R 7R 8R P 1++L M 3 2 4+ 5 V 5 VL M 3 2 4+ 5 V 5 V 1 . 6 5 V 圖 電流采樣電路 R 3 0R 3 1R 3 2R 3 3R 3 4R 3 5R 3 6++L M 3 2 4+ 5 V 5 VL M 3 2 4+ 5 V 5 V 1 . 6 5 VP T1 : 1R P 4 圖 電壓 采樣電路 14 頻率測量電路 由于系統(tǒng)的測量是通過對信號進行周期采樣的方法來實現(xiàn)的，因此其準確性不僅來源于采樣的準確性還來源于系統(tǒng)頻率測量 的準確性，因此加入測頻電路是必不可少的。其中閃電式 A／ D轉換器速度最快，價格也最昂貴，但閃電式 AD轉換器通常準確度、分辨率不高，不宜用在高準確度采樣系統(tǒng)；雙斜積分型準確度高、價格低廉，但速度最慢；逐次逼近型居中，速度較快、價格適中、準確度較高，它的優(yōu)點是能保證高分辨率、 高速轉換。由于要研制的測試儀器電壓電流的測試精度預計達到 ％ RG(量程 )，所以 A／ D轉換器位數(shù)至少要達到 12位。同步采樣也是信號頻譜分析的前提條件。 ADS8364有 6個模擬輸入通道，分為 A、 B、 C三組，每組包括 2個通道，分別由HOLDA、 HOLDB和 HOLDC啟動 A／ D轉換。數(shù)字電源供電電壓為 3V～ 5V，既可以與 供電的微控制器接口，也可以與 5V供電的微控制器接口。 在本系統(tǒng)中，模擬信號采用差分輸入方式，要滿足雙極性輸入就需要進行電平轉換， 由于采樣時已經進行了電平轉換 。 ADS8364的 REFIN和 REFOUT引腳接到一起輸出 +2． 5V的參考電壓。 處理器部分設計 由于本裝置在測量中，大量使用乘法累加運算，如有效值運算、功率計算、FFT變換等，選用一般的 51系列單片機是 無法勝任的，又因為本系統(tǒng)中沒有復雜的控制功能，因而選用了適合于高速數(shù)據(jù)運算的 TI公司的 55xx系列 DSP中的TMS320VC5502作為主處理器。這些總線使得 C55x能在一個時鐘內完成三次數(shù)據(jù)讀操作和兩次數(shù)據(jù)寫操作。 DMA控制器獨立于CPU工作，為數(shù)據(jù)移動提供六個獨立的通道。 (3)一個 40bit的 ALU，執(zhí)行高精度的算術邏輯運算。 (7)16K字節(jié)的指令緩沖區(qū)。 (12)可編程的省電模式，各個模塊可獨立編程。 EMIF(External Memory Interface)是外部存儲器和 TMS320VC5502片內其他 17 單元間的接口， CPU訪問片外存儲器的時候必須通