【正文】 信號預處理電路 21 TTL與RS－232電平轉(zhuǎn)換電路與接口 224. 諧波分析軟件設(shè)計 24 程序總體框架 24 常量與變量定義 25 寄存器初始化 25 A/D采集與存儲 26 諧波分析處理 26 電壓有效值 26 各次諧波含量 27 上位機通信 28 軟件上的抗干擾設(shè)計 305. 提高分析精度方法的研究 31 計算結(jié)果的處理 31 提高信號檢測的質(zhì)量 32 采用更先進的數(shù)字信號處理技術(shù) 33結(jié) 論 34致 謝 36參考文獻 37附 錄A：英文翻譯原文 38附 錄B：英文翻譯譯文 48附 錄C：諧波分析軟件源程序 55附 錄D：諧波分析系統(tǒng)硬件電路圖 60 IV 華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）1. 緒論 課題背景隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，科學技術(shù)的進步和生產(chǎn)過程的高度自動化，電網(wǎng)中各種非線性負荷及用戶不斷增長；各種復雜的、精密的，對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備越來越多。 interhamonics)：含有基波整數(shù)倍頻率的正弦電壓或電流稱為諧波。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生主要有以下幾個原因。三．電力系統(tǒng)故障　　 電力系統(tǒng)運行的內(nèi)外故障也會造成電能質(zhì)量問題，如各種短路故障、自然現(xiàn)象災害、人為誤操作、電網(wǎng)故障時發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)的工作狀態(tài)的改變、故障保護裝置中的電力電子設(shè)備的啟動等都將造成各種電能質(zhì)量問題。五．調(diào)試好系統(tǒng)的硬件和軟件，測量結(jié)果達到一定的精度。 傅立葉級數(shù) 周期函數(shù)傅立葉級數(shù)的三角函數(shù)形式以為周期的周期函數(shù)如果滿足狄利克雷條件【在區(qū)間連續(xù)或只有有限個第一類間斷點(間斷處左、右極限均存在的間斷點)；只有有限個極值點】，則可展開為傅立葉級數(shù)。這樣，不必傳送信號本身，只要傳送信號的離散值，即可在接收端根據(jù)這些離散值恢復原來的連續(xù)信號。因此，僅有周期性的離散信號才具有周期性的離散頻譜，他們在時域和頻域中均可以用有限個數(shù)的數(shù)據(jù)來表示。故譜線數(shù)，與的樣本數(shù)相等。FFT的出現(xiàn)大大推動了專用數(shù)字設(shè)備的發(fā)展，使得數(shù)字信號處理的面貌大為改觀。當N為偶數(shù)時，有 (2－13)式中，利用了，將此式寫為 (2－14) (2－15)是兩個DFT，具有的樣點數(shù)各為N/2個。當N＝2M(M為正整數(shù))時，從樣點值到DFT值將經(jīng)過M個步驟。由于M＝，每個蝶形運算須做1次乘法、2次加法運算，因此共須做MN/2＝()N/2次乘法運算，而通常DFT須做N2次乘法運算。輸入序列的排列順序稱為‘倒位序’，即將序列號n寫成二進制碼，然后二進制碼首尾倒置，將倒置的二進制碼再譯成十進制數(shù)的排列順序。 //存儲計算過程中的臨時變量int i。i64。 x3=(i/8)amp。 }for(i=0。第三層循環(huán)：由于第L級共有N/2L個群，并且同一級內(nèi)不同群的乘數(shù)分布相同，當?shù)诙友h(huán)確定某一乘數(shù)后，第三層循環(huán)要將本級中每個群中具有這一乘數(shù)的蝶形計算一次，即第三層循環(huán)每執(zhí)行完一次要進行N/2L個碟形計算。L=6。 i=6L。 */TR=dataR[k]。 單片機選型常用單片機按照處理能力分為8位，16位，32位。此外，AVR單片機集成了多種外設(shè)，如看門狗定時器、捕獲器、串行接口(UART或USART)，很多型號還集成了TWI(兼容I2C接口)、模擬比較器、ADC、低電壓復位保護、PWM控制器。ATmega32的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖3－1：圖3－1 AVR單片機片內(nèi)結(jié)構(gòu) 電源電路~，但不穩(wěn)定的電源可能會給A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果帶來誤差或?qū)纹瑱C工作產(chǎn)生潛在的危害，此外，運算放大電路需要正負5V的穩(wěn)壓電源，因此需要做一個能輸出正負5V的穩(wěn)壓電源。為了可靠，(C0)以消除干擾、雜波。在一些要求較高的場合，比如本設(shè)計需要用定時器每1/3200秒產(chǎn)生一個中斷采集信號，同時與RS232通信也需要較精確的波特率時，所以必須使用外部的晶振線路。3. 使用ADC 噪聲抑制器來降低來自CPU 的干擾噪聲。本設(shè)計仍然保留這部分電路。熔絲位的設(shè)置相對比較繁瑣，而且對熔絲位進行了錯誤的操作會導致單片機的死鎖。圖3－5信號預處理電路具體的做法如圖3－5所示，由LM358N的一只運算放大器與R01,R02，R03構(gòu)成一個加法電路，R03為負反饋電阻，根據(jù)運放的‘虛斷’、‘虛短’性質(zhì)，可以得到是－5V電源電壓經(jīng)電位器R04分壓得到的一個負的靜態(tài)偏置電壓；是交流信號經(jīng)電位器R05分壓后得到的一個幅值更低的交流信號；有效值約為9V，R04和R05的耗散功率可由公式得到，因此選用普通的1/8w可變電阻即可，不用再考慮耗散功率的問題。諧波分析程序通過定時器中斷產(chǎn)生固定的采樣時間，在定時器中斷中將采樣來的數(shù)據(jù)讀出并存儲。char tempstrnm[16]。 寄存器初始化寄存器的大部分設(shè)置可以通過CodeVisionAVR提供的CodeWizardAVR工具設(shè)置和生成。R0=0x24。//啟動下一次轉(zhuǎn)換 P_real++。 rms=sqrt(dataR[64]) 各次諧波含量本設(shè)計只考慮整數(shù)次諧波的計算，一個含有2～7次諧波，各次諧波含量分別為1/1/1/1/1/1/7諧波的函數(shù)為X(i)=+(sin(t)+(1/2)* sin(2*t)+(1/3)*sin(3*t)+(1/4)*sin(4*t)+(1/5)*sin(5*t)+(1/6)*sin(6*t)+(1/7)*sin(7*t))，對其采樣64點，F(xiàn)FT運算后取得的模值畫出的圖形如圖4－2中的*點。//用THDU暫時存儲h次諧波模值 ftoa(temph,2,tempstrnm)。 temph=sqrt(THDU)*100/mode[1]。unsigned char tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter。 if (++tx_wr_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_wr_index=0。四．由于在接口程序Putchar()和中斷服務程序中都要對數(shù)據(jù)緩沖器的讀、寫和隊列計數(shù)器3個指針判斷和操作，為了防止沖突，在Putchar()中對3個指針操作時臨時將中斷關(guān)閉，提高了程序的可靠性。需要注意的是，啟動看門狗之前必須執(zhí)行看門狗復位指令以防止非正常復位。表5－2 6月18日PM11時的三次諧波分析結(jié)果測量值第一次結(jié)果第二次結(jié)果第三次結(jié)果RMSHRU 1%%%HRU 2%%%HRU 3%%%HRU 4%%%HRU 5%%%HRU 6%%%HRU 7%%%由表5－2可以看到三次相鄰時間的數(shù)據(jù)非常平滑，更能顯示出諧波的總體性質(zhì)是以3次諧波為主，2次諧波次多。硬件措施主要是利用鎖相環(huán)技術(shù)，使采樣頻率實時地跟蹤被測信號基波頻率的變化，即始終保證 N=T/Ts=W/Ws的關(guān)系。傅立葉變換時在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中廣泛應用的基于變換的方法，因此理論研究非常豐富，有多種改進的算法，它們各有自己的優(yōu)點，應分情況使用。二次變換的優(yōu)點是：可以準確地檢測到信號發(fā)生尖銳變化的時刻；精確測量基波和諧波分量的幅值。軟件算法的復雜化對硬件提出了更高的要求，通常需要使用MCU或FPGA進行數(shù)據(jù)采集和通信等控制功能，而由DSP器件來完成大量的計算工作?？偲饋碚f，諧波檢測的精度在要求不高的情況下可以接受。const flash float cos_tab[64]={……………}。char flash *str_THDU=THDU:。char mm[2]={0x3a,0x09}。int x0,x1,x2,x3,x4,x5。0x01。0x01。i++){ dataR[i]=dataI[i]。} /* b= 2^(L1) */for(j=0。for(k=j。dataR[k+b]=TRdataR[k+b]*cos_tab[p]dataI[k+b]*sin_tab[p]。dataR[k]=dataR[k]+dataR[k+b]*cos_tab[p]+dataI[k+b]*sin_tab[p]。i。while(i0) {b=b*2。 */ }for(i=0。0x01。i++) { x0=x1=x2=x3=x4=x5=0。 P_real++。 char *s2=%。char flash *str_U=RMS voltage:。在此，謹向他致以崇高的敬意和衷心的感謝！最后，向各位辛勤培育我們的老師們致以崇高的感謝！參考文獻1 (Austrian)George Systems Harmonics Fundamentals,Analysis and Filter :Springer,20012 Peter . 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Protel ：中國鐵道出版社，20056 ：中國水利水電出版社，19887 ：中國電力出版社，20018 王兆安,黃俊. ：西安交通大學出版社，20029 ：機械工業(yè)出版社，200310 ：華北電力大學，200011 吳湘淇，：中國鐵道出版社，199612 ：高等教育出版社，200213 求實科技，：人民郵電出版社，200214 ：電子工業(yè)出版社，200515 ：中國電力出版社，200416 ：中國電力出版社，200117 ：中國電力出版社，200518 沈文，Eagle lee，：清華大學出版社，200319 吳雙力，：北京航空航天大學出版社，200420 ：北京郵電大學出版社，200521 ：清華出版社，1999附 錄C：諧波分析軟件源程序/*********************************************Project : Harmonics anlayseVersion : Date : 2006613Author : YinMing Company : NCEPUComments: Chip type : ATmega32LProgram type : ApplicationClock frequency : MHzMemory model : SmallExternal SRAM size : 0Data Stack size : 512*********************************************/include include include include include include define RXB8 1define TXB8 0define UPE 2define OVR 3define FE 4define UDRE 5define RXC 7define FRAMING_ERROR (1FE)define PARITY_ERROR (1UPE)define DATA_OVERRUN (1OVR)define DATA_REGISTER_EMPTY (1UDRE)define RX_COMPLETE (1RXC) //wdtdefine WDRF 3define WDTOE 4define WDE 3//取算術(shù)平均值的次數(shù)。表x－1 6月19日AM01時的兩次次諧波分析結(jié)果測量值第一次結(jié)果第二次結(jié)果RMSHRU 1%%HRU 2%%HRU 3%%HRU 4%%HRU 5%%HRU 6%%HRU 7%%凌晨1時左右微機用戶開始關(guān)機，表x－1中數(shù)據(jù)同表5－2相比，可以看到三次諧波含有率大幅度減小，表x－1中第二組數(shù)據(jù)比第一組數(shù)據(jù)晚兩分鐘測得，因此第二組數(shù)據(jù)測量時，微機用電量更少，同時，第三次諧波含量更少。缺點是：(1)在實時系統(tǒng)中運算量較大，需要如DSP等高價格的高速芯片。二．二次變換法二次變換是一種基于能量角度來考慮的新的時域變換方法?；舅枷胧牵豪脭?shù)字存儲示波器以固定采樣率分別采集標準工頻信號和有頻率漂移的工頻信號，用諧波分析程序?qū)山M采樣數(shù)據(jù)分別進行譜分析，通過比較分析結(jié)果，獲得同步誤差的定量信息。采用軟件同步采樣技術(shù)，可使檢測結(jié)果達到很高的精度和準確度。本試驗中采取對8次計算結(jié)果求平均值。如果程序執(zhí)行時沒有及時復位定時器，一旦時間超過復位周期， ATmega32 就會復位，并執(zhí)行復位向量指向的程序。三．用編譯控制命令pragma savereg和pragma savereg+，使得由CVAVR在生成的中斷服務程序中不進行中斷保護(CVAVR生成中斷保護會將比較多的寄存器壓入堆棧中)，而在中斷中嵌入?yún)R編，只將5個在本中斷中必須要保護的寄存器壓棧。asm(cli)if (tx