【正文】 網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。例如：基于 cLinux? 的 Microwindows，MINIGUI，基于 /2c OS? ? 的 /c GUI? 等等。 本文主要內(nèi)容如下： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 2 章中， 對 整個系統(tǒng)的關(guān) 鍵部分原理給予了介紹 ，并給出了 各個電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算公式。 最后對畢業(yè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了總結(jié)。因此 ， 要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果 ， 須采用交流采樣技術(shù)。 交流采樣法包括同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法、 非同 步采樣法等 種 ，我們 重點(diǎn)介紹同步采樣法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是無需硬件同步電路 ， 結(jié)構(gòu)簡單。相 位 比 較 器P D低 通 濾 波 器L P F壓 控 振 蕩 器V C OI N 1I N 26 4 倍 分 頻 器（ 7 4 L S 3 9 3 ）f o 圖 21 倍頻鎖相同步電路 在相位比較器 PD、低通濾波器 LPF、壓控振蕩器 VCO 構(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)加入 64 倍分頻器（ 74LS393 構(gòu)成），輸入 IN1 為被 測信號的頻率，作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率，輸出 fo 為采樣頻率。同時，倍頻后 的信號送入單片機(jī)進(jìn)行捕獲，可以精確得到脈沖寬度，從而得到電網(wǎng)實(shí)際的頻率，有關(guān)此部分，將在第三章中進(jìn)行詳細(xì)介紹。而快速傅立葉變換 (FFT)[10]是快速計(jì)算 (DFT)的一種高效方法，在實(shí)際應(yīng)用中成為穩(wěn)態(tài)諧波測量的最好方法。 下面我們來推導(dǎo)信號經(jīng)過 FFT 變換后的幅值和相位表達(dá)式。 基本交流電參數(shù)計(jì)算原理 (1) 電壓電流有效值 [14] 由電工學(xué)理論 ，交流電電壓，電流的定義式為： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 21U u dtT?? ? ( 21I i dtT?? ? ) (219) 將連續(xù)的時間信號 ()ut ( ()it )離散化，每個周期取 N 點(diǎn)采樣，則有： 1 201 N kkUuN ??? ? ( 1 201 N kkIiN ??? ? ) (220) 按照 (219)計(jì)算出電壓（電流）有效值后，就可以按照以下計(jì)算電壓偏差公式 [15]計(jì)算出所要的電壓偏差率 %dU? ： %dU? = 100%rUUUr? ? (221) 其中： U 為實(shí)際有效值， Ur 是額定值。由電工學(xué)給出有功功率的計(jì)算式為： cosP UI ?? (223) 式中： P —— 有功功率， W U —— 電壓有效值， V I —— 電流有效值， A ? —— 電壓電流之間的相位角， Rad 式中的 U ， I 前面我們已經(jīng)得到了，關(guān)鍵是 ? 的計(jì)算。將 (224)式離散化處理得到有功功率的計(jì)算公式 [17] 101 *N iiiP U IN??? ? (225) 知道了視在功率和有功功率，我們利用公式： 22Q S P?? (226) 式中： Q —— 無功功率， VAR P—— 有功功率， W 計(jì)算得到。 根據(jù)我們使用的單片機(jī)的硬件資源，本設(shè)計(jì)中，我們采用定時器捕獲的方式來實(shí)時得到頻率的數(shù)值。考慮到計(jì)數(shù)器剛開始計(jì)數(shù)時信號不一定從零點(diǎn)開始，我們舍棄前 16 次的值，從第 17 次開始，這樣就能計(jì)算出 48 個脈沖周期，接著計(jì)算出平均脈沖周期，該平均周期便是所測交流信號的周期，進(jìn)而可以得出其頻率 [18]。三相電量的不平衡度通常以負(fù)序分量與正序分量均方根值的百分比來表示 [20]。 ( 0 )2( 1)2( 2 )1 1 11131A AABCAF FF a a Faa FF??? ???????????? ?????? ?? ???? (230) ( 0 )2( 1)2( 2 )1 1 111AABAC AFFF a a FaaF F????? ???????? ???????? ???? ?? (231) 式中： 21 3 1 3,2 2 2 2a j a j? ? ? ? ? ? 正序： 2(1 ) (1 ) (1 ) (1 ),B A C AF a F F a F??， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 負(fù)序： 2( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) ( 2 ),B A C AF a F F a F??， 零序：( 0 ) ( 0 ) ( 0 ) ( 0 ),B A C AF F F F?? 即一個不對稱的三相系統(tǒng) ( , , )A B CFFF 可以分解為三個對稱的三相系統(tǒng)：零序系統(tǒng)( 0 ) ( 0 ) ( 0 )( , , )A B CFFF、 正 序 系 統(tǒng)(1) (1) (1)( , , )A B CFFF、負(fù)序系統(tǒng)( 2 ) ( 2 ) ( 2 )( , , )A B CFFF。 (5) 公用電網(wǎng)諧波 為了定量表示電力系統(tǒng)正弦波形的畸變程度， GBT 145491993 中定義了一些波形畸變的指標(biāo)。 (6) 電壓波動 電壓波動是指一系列電壓變動或工頻電壓包絡(luò)線的周期性變化。第二小節(jié)中，我們著重介紹了基本的電能質(zhì)量參數(shù)的算法。 在明確了原理及參數(shù)算法后，我們將進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)部分。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件框圖如圖 31 所示。從此部分引出四根線接入單片機(jī)的 I/O 口，分別是：電壓信號，電流信號，頻率信號，地線。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 模擬部分設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件模擬部分主要分為 信號采集部分，信號調(diào)理兩大部分 。這里 采用北京新創(chuàng)四方電子有限公司的兵字 DVDI001 電壓互感器和 ZMCT103C 型電流互感器。 D V D I 0 0 1RR i 圖 32 電壓互感器接法圖 Z M C T 1 0 3 CR輸 入輸 出 圖 33 電流互感器接法圖 上面兩圖中 R 為采樣電阻，由于兩種互感器都是電流型互感器，所以互感器的輸出端不允許開路。這里使用了一系列的處理電路 [23]。 85234671U1785234671U251KR5320KR5720KR6410KR65R66GNDGND+5V+5V5V5VIN31OUT2ADJU21 圖 34 電平抬升原理圖 圖 34 中第一級運(yùn)算放大器為電壓跟 隨器，起到阻抗匹配作用。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 抗混疊濾波電路 考慮到本裝置應(yīng)用的靈活性和實(shí)際情況，所測模擬信號較多，包括A、 B、 C 三相電流和電壓。如圖 36 所示，是我們得到的幅相隨輸入頻率的響應(yīng)特性曲線。 10KR1021MR103100KR104C28200pFC29GNDGNDGNDVCINVCINAIN14BIN3VCIN9INH5CA6CB7R111R212PCP1PC12PC213VCOUT4SF10ZEN15U374046CLR2CLK1QA3QB4QC5QD6U38ASN74LS393NCLR12CLK13QA11QB10QC9QD8U38BSN74LS393NGNDGND輸出12P1Header 2 圖 37 同步采樣電路原理圖 輸入方波信號經(jīng)過鎖相倍頻電路后，產(chǎn)生 64 倍頻，即輸出信號是輸入信號頻率的 64 倍，這個頻率的信號可以用來控制 AD 的采樣，即每個周期采樣 64 點(diǎn)。由于其超低功耗性，這類微控制器可被設(shè)計(jì)為可用電池工作，而且可以有很長使用時間，可用于便攜式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。內(nèi)存大，滿足裝置多功能測量的需要。系統(tǒng)的功耗與系統(tǒng)工作的頻率成正比。 (4)帶有捕獲 /比較模塊的定時器 TimerA 和 TimerB。端口 P1P6 可通過寄存器定義為輸入和輸出，本設(shè)計(jì)中通過 P3 口實(shí)現(xiàn)鍵盤查詢功能， P4 口實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能 。 MSP430F449 的超低功耗設(shè)計(jì)，要求有不同 頻率的時鐘輸出給不同的模塊。 (3) ACLK 為 32768Hz,使 LFXT1CLK 工作在低頻模式。 (3) JTAG 模塊 MSP430F449 在內(nèi)部集成了 JTAG((Joint Test Action Group)模塊， 我們可以通過 JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對 CPU 的仿真和在線編程及調(diào)試和下載程序等功能，外部需要一臺帶有并行接口的 PC 主機(jī)。 TDI 對應(yīng)管腳 91，是測試數(shù)據(jù)輸入，可以直接相連?？紤]到實(shí)際需要，顯示部分我們采用帶有字庫 的 TS128643型字符型 LCD，和 4 鍵獨(dú)立式鍵盤。第一小節(jié)從確定了硬件整體設(shè)計(jì)方案。 在硬件設(shè)計(jì)完成后，我們就可以在此平臺上依據(jù)我們的需求進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 進(jìn)行數(shù)據(jù)來集時，通過 TimerA 的脈沖捕獲功能來觸發(fā) AD 的采樣，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生中 斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲。 快速性 :在硬件上要求采樣和計(jì)算芯片的高速性，軟件上要求算法的高效率，從而可以在每 64 點(diǎn)采樣間隔的時間內(nèi)完成各個電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲，以能實(shí)現(xiàn)計(jì) 算和采樣的同步。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 系 統(tǒng) 初 始 化開 總 中 斷有 鍵 按 下 ？采 集 完 畢 ？否數(shù) 據(jù) 采 集否數(shù) 據(jù) 處 理是按 鍵 散 轉(zhuǎn)是顯 示主 程 序 開 始 圖 41 主程序流程圖 主程序中系統(tǒng)初始化函數(shù)包括液晶模塊初始化，定時器 A 初始化，ADC12 初始化，鍵盤 I/O 口初始化等。 數(shù)據(jù)采集部分，利用 外部硬件電路，產(chǎn)生與交流信號同步的方波信號，再經(jīng)過鎖相倍頻電路將此方波 64 倍頻，得到一系列脈沖信號，利用TimerA 捕獲脈沖信號的上升沿， 同時 觸發(fā) AD 采樣。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 定 時 器 A 中斷 入 口C o u n t 6 3 ?記 錄 脈 沖 寬 度啟 動 A D 轉(zhuǎn) 換存 儲 轉(zhuǎn) 換 數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn) 換 完 成 中 斷 標(biāo) 志 置 位 ？否中 斷 退 出C o u n t = 0P f l a g = 1否是是 圖 42 數(shù)據(jù)采樣流程圖 鍵盤 掃描 程序設(shè)計(jì) 按鍵接口方式采用獨(dú)立式接法，利用查詢方式實(shí)現(xiàn)按鍵掃描，簡單方便。 本設(shè)計(jì)中，我們采用常用的按時間抽選的基 2FFT 算法 (DIT)，并使其輸入位倒序，輸出為自然順序。 這樣節(jié)省了內(nèi)存空間，提高了內(nèi)存的利用效率。其中： 2log ( )LN? 級 數(shù)、 11 2 ( )im ?? 運(yùn) 算 蝶 數(shù)， 622im ?? (蝶群數(shù) )、 3 *2* 1m j m? (蝶群地址 )。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 本章小結(jié) 本章我們主要介紹了上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)過程。第二小節(jié)詳細(xì)介紹了軟件各個模塊的設(shè)計(jì)思路與流程，經(jīng)過 燒入單片機(jī)實(shí)際運(yùn)行，基本達(dá)到了我們 本次設(shè)計(jì) 的目的。 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 :采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的電網(wǎng)線路，負(fù)載主要為一臺東明 MD2100型快速制版機(jī)。電流通道峰值為 左右，谷值為 180mV 左右，也滿足上述要求。其輸入信號是電壓互感器二次側(cè)的交變電壓信號，幅值范圍為 ~+，頻率 50Hz，經(jīng)過過零比較后，得到如圖 53 所示的波形。 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果測試 運(yùn)行結(jié)果主要包括電壓、電流，頻率，有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、諧波參量等參數(shù)。 對于電網(wǎng)諧波的測量，我們記錄 多組 2~9 次諧波 含有率，如表 53所示。 綜合分析系統(tǒng)的各個部分，誤差大體來自以下幾個環(huán)節(jié)。在實(shí)際精度要求很高的情況下，可以考慮對信號的幅值進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償 ，另外也可以選用一些專用的濾波器芯片來來最大程度的抑制或消除 混疊現(xiàn)象對動態(tài)測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的影響 同時保證幅值損失最小 。 (4) 數(shù)據(jù)截?cái)?和舍入 誤差 在 數(shù)據(jù)處理 的過程中， 由于各種因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換帶來的誤差，也是一個不可忽視的因素。這樣就產(chǎn)生了所謂的柵欄效應(yīng)。 通過本文，我們得到的結(jié)論如下： 針對交流采樣過程難以做到整周期采樣的困難，文章里提出一種行之有效的利用鎖相環(huán)倍頻控制采樣的方法，測試結(jié)果證明，這種方法比軟件同步法簡單且更有