【正文】 ................................ 7 電壓電流有效值的測(cè)量 .......................................................... 7 頻率的測(cè)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(cè)量 ...........................................................................10 本章小結(jié) ............................................................................... 11 3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ............................................................................... 11 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) ................................................................ 11 信號(hào)采集部分設(shè)計(jì) ................................................................13 電壓和電流的檢測(cè)與調(diào)理電路 ................................13 頻率測(cè)量電路 ..........................................................14 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì) ................................................................14 處理器部分設(shè)計(jì) ....................................................................15 TMS320VC5502 的主要外設(shè) ......................................16 TMS320VC5502 的主要特性 ...................................16 2 外部存儲(chǔ)器電路的設(shè)計(jì) .........................................................16 SDRAM 接口電路設(shè)計(jì) .............................................17 FLASH 接口電路設(shè)計(jì) ..............................................17 通信接口部分設(shè)計(jì) ................................................................18 鍵盤和顯示部分設(shè)計(jì) ............................................................18 鍵盤電路設(shè)計(jì) ..........................................................18 顯示電路 ..................................................................19 本章小結(jié) ...............................................................................20 4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ..............................................................................20 主程序設(shè)計(jì) ..........................................................................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(jié) ...............................................................................27 5. 系統(tǒng)誤差分析 ...............................................................................27 誤差分析 ...............................................................................27 結(jié)論 ...............................................................................................28 參考文獻(xiàn) ........................................................................................29 致謝 ...............................................................................................31 附錄 ...............................................................................................32 3 基于 DSP 的智能電力參數(shù)測(cè)試儀的研究 摘 要 電力參數(shù)的準(zhǔn)確、快速測(cè)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的意義。對(duì)頻率、諧波、電壓和電流有效值及其他電力參數(shù)測(cè)量原理進(jìn)行了詳細(xì)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(chǔ) 系統(tǒng)。該裝置可用來測(cè)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(duì)諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量及分析。電網(wǎng)的電流、電壓過低過高。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)蝸桿傳遞到計(jì)數(shù)器，累計(jì)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)，從而達(dá)到計(jì)量電能的目的。而完成的功能也由傳統(tǒng)的計(jì)量發(fā)展到多條記錄存儲(chǔ)、可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量 (有線或無線 )等。近幾年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷問世，使開發(fā)新式多功能電力參數(shù)測(cè)試儀成為可能。 本文的主要研究?jī)?nèi)容包括： 分析電力參數(shù)測(cè)試儀器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，指出開展電力參數(shù)綜合測(cè)試儀器 7 研究的重要意義。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，負(fù)荷功率的增減，發(fā)電機(jī)出力的變動(dòng)不斷發(fā)生，系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)的頻率產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)，這是一種企求系統(tǒng)能量均衡的動(dòng)態(tài)過程，在不破壞系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，在各節(jié)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)，不易覺察到波動(dòng)的差異。另外，頻率同步也是實(shí)現(xiàn)高精度諧波分析的重要措施之一。本設(shè)計(jì)將三相電壓電流 6路信號(hào)中的一路電壓信號(hào)送入到過零比較器得到與電壓信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)輸出，由 DSP的捕獲腳捕獲信號(hào)上升沿，利用系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)算出兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間，從而計(jì) 算出頻率。本文采用在對(duì)加窗后進(jìn)行插值的雙譜線插值算法，該方法能極大地提高 FFT計(jì)算的精度，從 而滿足諧波測(cè)量中對(duì)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(gè)輔助參數(shù)口 ? ? ? ? 。 計(jì)算 1()g???? 可以采用多項(xiàng)式逼近方法。當(dāng)采用切比雪夫多項(xiàng)式逼近奇函數(shù) ??1g? 時(shí)，所求多項(xiàng)式的偶次項(xiàng)系數(shù)將為 0，這樣就進(jìn)一步減少了乘法計(jì)算量。如果采用多項(xiàng)式逼近求出函數(shù) ??v 的近似計(jì)算公式，結(jié)果中將不含有奇次項(xiàng)。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(cè)量 對(duì) 于功率的計(jì)算包括有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)的計(jì)算，功率的測(cè)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(chǔ)系統(tǒng)主要完成測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)工作。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：由 A/D轉(zhuǎn)換芯片 ADS8364組成，該模塊主要用于實(shí)時(shí)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(cè)量電路 由于系統(tǒng)的測(cè)量是通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行周期采樣的方法來實(shí)現(xiàn)的，因此其準(zhǔn)確性不僅來源于采樣的準(zhǔn)確性還來源于系統(tǒng)頻率測(cè)量 的準(zhǔn)確性，因此加入測(cè)頻電路是必不可少的。其中閃電式 A／ D轉(zhuǎn)換器速度最快，價(jià)格也最昂貴，但閃電式 AD轉(zhuǎn)換器通常準(zhǔn)確度、分辨率不高，不宜用在高準(zhǔn)確度采樣系統(tǒng)；雙斜積分型準(zhǔn)確度高、價(jià)格低廉，但速度最慢；逐次逼近型居中，速度較快、價(jià)格適中、準(zhǔn)確度較高，它的優(yōu)點(diǎn)是能保證高分辨率、 高速轉(zhuǎn)換。由于要研制的測(cè)試儀器電壓電流的測(cè)試精度預(yù)計(jì)達(dá)到 ％ RG(量程 )，所以 A／ D轉(zhuǎn)換器位數(shù)至少要達(dá)到 12位。同步采樣也是信號(hào)頻譜分析的前提條件。 ADS8364有 6個(gè)模擬輸入通道，分為 A、 B、 C三組，每組包括 2個(gè)通道，分別由HOLDA、 HOLDB和 HOLDC啟動(dòng) A／ D轉(zhuǎn)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(hào)采用差分輸入方式，要滿足雙極性輸入就需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換， 由于采樣時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了電平轉(zhuǎn)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(shè)計(jì) 由于本裝置在測(cè)量中，大量使用乘法累加運(yùn)算，如有效值運(yùn)算、功率計(jì)算、FFT變換等，選用一般的 51系列單片機(jī)是 無法勝任的，又因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中沒有復(fù)雜的控制功能，因而選用了適合于高速數(shù)據(jù)運(yùn)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(gè)時(shí)鐘內(nèi)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(dú)立于CPU工作，為數(shù)據(jù)移動(dòng)提供六個(gè)獨(dú)立的通道。 (3)一個(gè) 40bit的 ALU，執(zhí)行高精度的算術(shù)邏輯運(yùn)算。 (7)16K字節(jié)的指令緩沖區(qū)。 (12)可編程的省電模式，各個(gè)模塊可獨(dú)立編程。 EMIF(External Memory Interface)是外部存儲(chǔ)器和 TMS320VC5502片內(nèi)其他 17 單元間的接口， CPU訪問片外存儲(chǔ)器的時(shí)候必須通