【正文】 4100001 1 5101101 5 6110011 3 7111111 7 為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的FFT，需要MCU的指令系統(tǒng)有著豐富的間接尋址方式，且最好能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。這時(shí)，采樣所得的信號(hào)中混入虛假的低頻信號(hào)分量，這種現(xiàn)象叫做混疊。設(shè)信號(hào)為單一頻率信號(hào)(t)= （）其對(duì)應(yīng)的頻譜為()=2π（） （）即在處有一條單一的譜線。減少頻譜泄漏的方法主要有3種:l)利用加窗插值算法對(duì)快速傅立葉算法進(jìn)行修正的方法，該方法可減少泄漏，有效地抑制諧波之間的干擾和雜波及噪聲的千擾，從而可以精確測(cè)量到各次諧波電壓和電流的幅值及相位。 電能質(zhì)量供電電壓允許偏差電壓允許偏差是指電力系統(tǒng)電壓緩慢變化時(shí)，實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差，通常指電壓變化率小于每秒1%時(shí)實(shí)際電壓值與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓值之差，可用有名值或標(biāo)稱值表示。 (HR)周期性交流量中含有的第n次諧波分量的方均根值與基波分量的方均根值之比(用百分?jǐn)?shù)表示)，第n次諧波電壓含有率以HRU表示，第n次諧波電流含有率以HRI表示。A/D轉(zhuǎn)換在整個(gè)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中占有非常重要的地位。(4)多種尋址方式循環(huán)尋址(Circular addressing),位倒序(bitreversed)等特殊指令，使FFT、卷積等運(yùn)算中的尋址、排序及計(jì)算速度大大提高。TMS32O系列DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)包括:(l)哈佛結(jié)構(gòu)。由于FFT運(yùn)算涉及的運(yùn)算在數(shù)字信號(hào)處理中很有代表性，因此FFT運(yùn)算時(shí)間常作為衡量DSP芯片運(yùn)算能力的一個(gè)指標(biāo):(d)MIPS:即每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令。另外考慮到價(jià)格，芯片的硬件資源，還有利用的成熟度和可靠度及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件等原因，在這里我選擇TMS320LF2407。片內(nèi)高達(dá)32K字的FLASH程序存儲(chǔ)器，544字雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SRAM）10位的轉(zhuǎn)換精度難以滿足高性能系統(tǒng)的要求。片內(nèi)時(shí)序控制器控制1至4通道的轉(zhuǎn)換，在默認(rèn)模式下4個(gè)采樣保持放大器的輸出從1通道到4通道依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)4個(gè)通道全部轉(zhuǎn)換完畢后對(duì)外部產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。MAX125的同步采樣特性使MAX125可以很方便地用于多相電機(jī)控制、電網(wǎng)同步控制、功率因數(shù)監(jiān)測(cè)、數(shù)字信號(hào)處理振動(dòng)和波形分析。取MAX125的信號(hào)作為中斷信號(hào)，若它為低說(shuō)明本次轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，就可以驅(qū)動(dòng)中斷服務(wù)程序，讀取A心轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。CH2ACH2B，CH3ACH3B，CH4ACH4B：分別為通道通道通道4的2路模擬信號(hào)輸入端，后同通道1。RD：讀狀態(tài)輸入端；根據(jù)轉(zhuǎn)換模式，需要轉(zhuǎn)換N個(gè)通道，則需且僅需N個(gè)RD脈沖（1≤N≤4）。最后一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，芯片將中斷輸出引腳INT拉低。為防止模擬信號(hào)的干擾，在電路板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將模擬地和數(shù)字地隔離。TMS320LF2407A可擴(kuò)展的外部程序存儲(chǔ)器總共192K字:64K字程序存儲(chǔ)器:64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器。對(duì)照以上信號(hào)的使用方法，為了便于程序仿真調(diào)試，本系統(tǒng)擴(kuò)展了兩片IS6lLV6416，一片用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另一片用作程序存儲(chǔ)器。圖34 復(fù)位電路 鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)電路功能是對(duì)A/D芯片提供CONVST信號(hào)。所謂頻率合成是指將任一給定的基準(zhǔn)頻率變換成一系列新的頻率信號(hào)fff3…而這些新頻率的穩(wěn)定度和基準(zhǔn)頻率相當(dāng)。 PCF8583有三個(gè)主要功能，可自動(dòng)計(jì)時(shí)、編程設(shè)定、編程起鬧；事件計(jì)數(shù)器可進(jìn)行事件計(jì)數(shù)器編程起鬧；256字節(jié)的靜態(tài)RAM，地址自動(dòng)增量，其工作原理與一般帶I2C接口的EEPROM相同。 按鍵輸入和液晶顯示電路 本設(shè)計(jì)采用常規(guī)的44鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)液晶顯示的菜單查詢、翻屏等各種功能。LCMxxZK的字型ROM內(nèi)含8192個(gè)16*16點(diǎn)中文字型和128個(gè)16*8半寬的字母符號(hào)字型。其中SLCK為輸入串行脈沖引腳，而SID為輸入串行數(shù)據(jù)引腳。其接口電路如圖3一9所示:圖39串行接口電路4 硬件系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，下面就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試了，這是設(shè)計(jì)中很重要的一步。對(duì)照一下CLKMD1，CLKMD2，CLKMD3，檢查頻率是否正確，如果CLKOUT的輸出正確，一般來(lái)說(shuō)，DSP部分的硬件工作基本正常。硬件設(shè)計(jì)應(yīng)注意如下要點(diǎn)：（1）認(rèn)真處理好復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)。本文對(duì)該監(jiān)測(cè)儀的軟件和硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，解決了一系列技術(shù)問(wèn)題。（4）采用了工業(yè)上常用的4*4鍵盤和LCM12864液晶顯示功能，顯示方式為菜單式的層次化方式。由于時(shí)間的原因，剩余的工作還有待于日后完成?！罢l(shuí)言寸草心，報(bào)得三春暉”， 最后，特別感謝作者的家人，是他們給予了作者學(xué)習(xí)的保障，并不斷給作者鼓勵(lì)和支持，使作者完成學(xué)業(yè)。兩位老師充分利用自己工作之余給作者進(jìn)行細(xì)心的導(dǎo)，不厭其煩的解答作者提出的各種問(wèn)題，定期檢查作者的設(shè)計(jì)進(jìn)展，提出了大量寶貴的意見，并介紹了許多期刊書目資料供作者參考，有高度的責(zé)任心。 雖然諧波監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)的硬件部分，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了其主要的功能。（3）軟件中采用電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)中常用的FFT變換算法，是諧波檢測(cè)精度的可靠保證。DSP選用的是TMS32公LF2407芯片，它具有豐富的片上外設(shè)，多達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用物入輸出引腳，因此可以大大的簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)和體積，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。使用Debugger軟件，查看相應(yīng)的SRAM單元，是在按照設(shè)定交替變化，表明這部分沒(méi)有問(wèn)題。仔細(xì)檢查了原件是否可靠的焊上，管腳間、電源與地間沒(méi)有短接，表貼元件焊接時(shí)相鄰管腳沒(méi)有撘錫、短路，元器件、有極性電容的安裝方向也都正確。MAX3232為電平轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)單易用，MAX3232具有一個(gè)專有的低壓降發(fā)送器輸出級(jí)，可獲得真正的RS232性能。采用C語(yǔ)言編程，程序的可移植性強(qiáng)。本設(shè)計(jì)就是采用的這種方法，在后續(xù)介紹軟件時(shí)再予以詳細(xì)說(shuō)明。當(dāng)日歷時(shí)鐘收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)數(shù)據(jù)線SDA拉為低電平來(lái)應(yīng)答接受，因此IOPC3與IOPC5引腳應(yīng)配置為I/O方式，并要求接上拉電阻。 與PCF8583的接口電路 PCF8583為帶I2C總線接口的日歷時(shí)鐘芯片，其中還有256字節(jié)的靜態(tài)RAM，PCF8583也可作為一個(gè)6個(gè)BCD碼事件計(jì)數(shù)器，故在系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。=NN為采樣點(diǎn)數(shù)。TL7705A具有處理上電復(fù)位、欠電壓檢測(cè)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位的功能。RD信號(hào):讀使能選通信號(hào)讀選擇表示一個(gè)有效的外部讀周期此信號(hào)對(duì)所有外部程序、數(shù)據(jù)、FO空間有效。這種將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)空間中的思想簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但是，由于取指令和取操作數(shù)據(jù)要訪問(wèn)同一存儲(chǔ)空間，使用同一總線，指令和數(shù)據(jù)分時(shí)讀寫，因此在高速運(yùn)算時(shí)，不但不能同時(shí)取指令和取操作數(shù)，而且還會(huì)造成傳輸通道上的瓶頸現(xiàn)象。芯片工作模式中的所有通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，采樣/保持器重新處于采樣狀態(tài)，跟蹤模擬輸入的變化，此后，鎖相環(huán)的輸出脈沖的跳變將啟動(dòng)XINT2中斷，軟件執(zhí)行中斷子程序，CS和RD將配合依次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。MAX125提供的工作模式一共有9種，具體的描述見表3一1。CLK：時(shí)鐘輸入端；通常為16MHz,占空比必須為30℅至70℅，以保證信噪比SNR和動(dòng)態(tài)噪聲電平DNL的性能。重新上電后，其默認(rèn)的工作模式是多路開關(guān)處于A組CHI，單通道轉(zhuǎn)換。比如4路信號(hào)采樣，用TMS320C32的片上定時(shí)器1的TCLKI作為A心轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)，其中定時(shí)器輸出的時(shí)鐘頻率通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行設(shè)置，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿啟動(dòng)MAX125，MAX125就可以進(jìn)行同步采樣，然后將按照預(yù)先設(shè)置的工作方式從1通道到4通道依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直到4個(gè)通道全部轉(zhuǎn)換完畢。當(dāng)所有的轉(zhuǎn)換完成后，可以依次對(duì)RD腳施加讀脈沖以讀出內(nèi)部數(shù)據(jù)，四次讀操作依次讀出RAM中的4個(gè)數(shù)據(jù)字。一個(gè)+，一個(gè)經(jīng)過(guò)緩沖的電壓基準(zhǔn)輸入端，一個(gè)內(nèi)部的16MHz時(shí)鐘，一組可以同時(shí)對(duì)4路輸入信號(hào)進(jìn)行同步采樣的采樣/保持電路。對(duì)于交流信號(hào)需要另外設(shè)計(jì)限幅抬壓電路?；赥MS320C2xxDSP的CPU內(nèi)核，保證了TMS320LF240x系列DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。例如，電力系統(tǒng)一周波大約20ms為一幀，對(duì)于三路電壓和電流的采集，每20msFFT算法應(yīng)循環(huán)六次。(b)MAC時(shí)間:即一次乘法加上一次加法的時(shí)間。(7) 所有DSP包含JTAGJoint Test Action Group標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口(IEEEll49標(biāo)準(zhǔn)接口)，便于對(duì)DSP作片上的在線仿真和多DSP條件下的調(diào)試。在通用計(jì)算機(jī)的乘法用軟件實(shí)現(xiàn)，需要用若干個(gè)機(jī)器周期。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)的諧波監(jiān)測(cè)儀以TMS320LF2407為核心，數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換器用的是MAX公司的14位A/D MAX125，保證了測(cè)量的精度。 （）式中Un是第n次諧波電壓:諧波電流含量I In=178。其中電壓和頻率偏差基本上取決于供求平衡關(guān)系，而后三者則不僅與電力系統(tǒng)有關(guān)，而且受用戶負(fù)荷性質(zhì)的影響因此，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置不僅安裝在電力系統(tǒng)的樞紐變電站中，還應(yīng)對(duì)重要用戶和特殊用戶(產(chǎn)生波形畸變的用戶)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，下面就其中本論文主要需要的3項(xiàng)指標(biāo)的定義及算法進(jìn)行闡述。 諧波測(cè)量頻譜泄漏原因及解決方案 所謂頻譜泄漏就是信號(hào)頻譜中各譜線之間相互影響，使測(cè)量結(jié)果偏離實(shí)際值，同時(shí)在真實(shí)譜線兩側(cè)其它基波整數(shù)倍頻率點(diǎn)上出現(xiàn)一些幅值較小的假譜，簡(jiǎn)單的講，造成頻譜泄漏的原因是因?yàn)椴蓸宇l率與信號(hào)頻率不同步，造成周期采樣信號(hào)的相位在始端和終端不連續(xù)。則采樣信號(hào)為x[n]=x(n△t)，并且采樣信號(hào)總是有限長(zhǎng)度的，即n=0，1，…N一1。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。例如N=8時(shí)，x(3)的標(biāo)號(hào)是k=3，它的二進(jìn)制是011，倒位序二進(jìn)制是110，即dk=6?？焖俑道锶~算法又分為時(shí)間抽取(DIT)FFT和頻率抽取(DIF)FFT兩類。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)電壓對(duì)稱且無(wú)畸變時(shí)，各電流分量（基波正序無(wú)功分量、不對(duì)稱分量及高次諧波分量）的測(cè)量電路比較簡(jiǎn)單，并且延時(shí)小。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波測(cè)量尚屬起步階段。隨著現(xiàn)在電力電子的發(fā)展，相角控制換流器和逆變器已成為越來(lái)越廣泛的應(yīng)用技術(shù)，特別是逆變器供電的交流驅(qū)動(dòng)在數(shù)量和額定功率上都在增加，并且隨著節(jié)能興趣的增加，他們對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生越來(lái)越重要的影響。2 電力諧波的檢測(cè)原理及分析本章主要介紹電力采集的幾項(xiàng)重要指標(biāo)以及電力系統(tǒng)測(cè)試的幾種模型，對(duì)比幾種測(cè)試模型的優(yōu)缺點(diǎn)，特別是其中基于FFT變換方法易產(chǎn)生的關(guān)于頻譜泄漏缺點(diǎn)，提出采用鎖相倍頻的采集測(cè)試方法，該方法既可以消除頻譜泄漏缺點(diǎn)，又可以達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量。此外，工業(yè)中廣泛使用的電弧焊和接融焊設(shè)備、硅鐵爐、高頻爐等均屬非線性負(fù)荷。5)通過(guò)測(cè)量相位，有功功率，無(wú)功功率和視在功率的測(cè)量計(jì)算，可以優(yōu)化配置電力設(shè)備，提高功率因素。在重視高檔儀器開發(fā)的同時(shí)，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)，注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機(jī)，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟化，隨著各類儀器裝上了CPU，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，軟件上投入了巨大的人力物力，儀器儀表智能化程度越來(lái)越高。對(duì)電網(wǎng)損耗的影響。目前對(duì)負(fù)荷的模型還研究得很不夠，背景諧波對(duì)遠(yuǎn)離諧波源線路得影響也不可忽略，由于元件諧波阻抗的復(fù)雜性和諧波源的多樣性和多變性，給諧波分析工作帶來(lái)一定的困難。電力系統(tǒng)高次諧波源在許多情況下可以當(dāng)作電流源來(lái)處理，在諧波源特性方面尚有大量的問(wèn)題需要研究，例如各種型號(hào)電鐵機(jī)車運(yùn)行時(shí)諧波含量及牽引供電臂諧波特性等。DSP芯片在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有:1）信號(hào)處理—如數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅立葉變換、相關(guān)運(yùn)算、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等。近些年，我國(guó)也開發(fā)了一些電力測(cè)量裝置和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，但在功能上、實(shí)用化方面還不夠理想，還存在許多問(wèn)題: 1)處理功能較差、可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間較小、運(yùn)算速度較饅，難以運(yùn)用精確嚴(yán)格的算法進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理