【正文】 等 。 國內(nèi)外研究概況 一般而言，測(cè)量是為確定被測(cè)對(duì)象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程。這些設(shè)備對(duì)電源的波動(dòng)和外界干擾十分敏感，任何供電質(zhì)量的惡化都可能會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電能的需求量日益增加，同時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓、電流等數(shù)據(jù)，采用交流采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種電力參數(shù)的在線實(shí)時(shí)測(cè)量；通過基于 DSP 芯片的 FFT 算 法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；并通過液晶屏顯示三相電壓平均值、三相電流平均值、諧波、功率等特征值和三相電壓電流波形。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。s average and threephase current’s average， power, harmonic， threephase voltage and current waveform by LCD． Meanwhile, the system has the function of transfer data, it is convenience for the data further analysis， the statistics and the memory． It can provide the longterm effective basis for the electric power department39。從危害程度來看。 電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。 廣義的說，任何實(shí)驗(yàn)科學(xué)的結(jié)論，是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)推斷的結(jié)果，而數(shù)據(jù)的取得，就要靠測(cè)量。還存在許多問題： 1．處理功能較差、可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間較小 、 運(yùn)算速度較慢 、 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 、 不滿足電力監(jiān)測(cè)高實(shí)時(shí)性的要求； 2．電力系統(tǒng)中最常用微處理器包括 51 系列和 96 系列等控制型器件，但隨著電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量和計(jì)算要求的不斷提高，這些器件在計(jì)算能力方面已不能很好地適應(yīng)電力系統(tǒng)的要求，致使電力系統(tǒng)的高精度測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)控和先進(jìn)算法的運(yùn)用受到了限制； 3．有的產(chǎn)品雖然直接引進(jìn)了國外的技術(shù)模塊，功能較強(qiáng)，可是價(jià)格較高，且不完全適合我國市場(chǎng)： 4．有的產(chǎn)品無通訊和控制輸出功能，不滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的發(fā)展方向； 5．人機(jī)交互性不好。考慮到以上技術(shù)要點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 作為本系統(tǒng)的主處理器，采用其豐 富的片內(nèi)外設(shè)，來完成系統(tǒng)整體功能。 DSP 編程 DSP 芯片的開發(fā)需要一套完整的軟、硬件開發(fā)工具 。鏈接器的輸入是可重定位的 COFF 目標(biāo)文件和目標(biāo)庫文件，它也可以接受來自文檔管理器中的目標(biāo)文件以及鏈接以前運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的輸出模塊。 C 語言文件則根據(jù)實(shí)際情況而定，一般程序的復(fù)位和中斷向量需要用匯編語言編寫；頭文件定義 DSP 內(nèi)部寄存器的地址分配，書寫一次后可被其他程序反復(fù)使用；命令文件主要定義堆棧、程序空間分配和數(shù)據(jù)空間分配等。 MEMORY 偽指令用來標(biāo)示實(shí)際存在的目標(biāo)系統(tǒng)中可被使用的存儲(chǔ)器范圍，每個(gè)存儲(chǔ)器范圍都有名字、起始地址和長度。 有效的 4 個(gè)屬性包括： R 規(guī)定存儲(chǔ)器只讀； W 規(guī)定存儲(chǔ)器只寫； X 規(guī)定存儲(chǔ)器可以包含可執(zhí)行代碼； I 規(guī)定存儲(chǔ)器可以被初始化 。 在電氣信號(hào)的檢測(cè)中，采用微處理器的數(shù)字式測(cè)量方式精度好、功能強(qiáng)、智能化程度高、檢測(cè)結(jié)果易于傳輸和與控制系統(tǒng)共享，較傳統(tǒng)測(cè)量方式具有較大的優(yōu)越性，因而受到普遍歡迎，目前廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制 、 試驗(yàn)等各領(lǐng)域。由于這些特點(diǎn)，在微機(jī)引入電氣測(cè)量的初期，此方法得到廣泛應(yīng)用。但它要求采樣速率較高，并且測(cè)量結(jié)果必須通過一定的數(shù)值算 法求出來，計(jì)算量相對(duì)較大，對(duì)微處理器的計(jì)算速度要求較高。 半周期積分法有一定的濾除高頻分量的能力，因?yàn)榀B加在基頻成分上的幅度不大的高頻分量在算法中其對(duì)稱的正負(fù)半周期相互抵消，剩余的未被抵消的部分所占比重就相應(yīng)減少了，但是該算法不能抑止直流分量 。但傅立葉算法復(fù)雜，運(yùn)算量大，傳統(tǒng)的單片機(jī)芯片難于滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。與式 (36)對(duì)比，只要將 )(kX 取共軛，然后直接利用 DFT公式 (36)，最后再將運(yùn)算結(jié)果取一次共軛，并乘以 l/N。我們知道，乘法運(yùn)算比加法運(yùn)算復(fù)雜，且運(yùn)算時(shí)間長。由于直接運(yùn)算 DFT 的計(jì)算量太大，限制了 DFT 的應(yīng)用。 把 N 點(diǎn)序列 x(n)， n=0， l， 2， n1 按 n為偶數(shù)和奇數(shù)分為兩個(gè)長為 N/2 的序列 ??? ??? )12()( )2()(21 rxr rxrxx r=0， 1， 2，?， N/21 注意到，由于 WeW NNjN 2/22 ?? ? ? ， 2，且 ??rx1 、 ??rx2 的 N， 2 點(diǎn) DFT 分別為 ? ? ? ?? ? ? ????????????????1202/221202/11NrrknNrRKnWxXWxXrkrk 因此 N 點(diǎn)序列的 )(nx 的 DFT 可表示為 ? ? ? ?kkkX XWX kN 21)( ?? k=0， 1， 2，?， N1 X1(k)， X2(k)都是 N/2 點(diǎn)的 DFT， X(k)是 N 點(diǎn)的 DFT，因此單用 X1(k)表示 X(k)并不完全。這就使得運(yùn)算時(shí)取數(shù)據(jù)的地址編排 “混亂無序 ”。 DSP 控制器特有的反序間接尋址，就是專為 FFT 算法而設(shè)計(jì)的；其他的間接尋址方式還可以實(shí)現(xiàn)增／減 l 或增／減一個(gè)變址量，這就為各種查表方法的實(shí)現(xiàn)提供了方便。 近幾年也相繼提出了許多改進(jìn)方法，如短窗傅里葉變換、小波變換等。 將 ??tu 和 ??ti 分別用傅立葉級(jí)數(shù)表示展開，并考慮正弦函數(shù)的正交性，可得 ???? 0k kPP 同理可得無功功率表達(dá)： ???? 0k k 為了計(jì)算方便，功率因數(shù)采用下式求得： QP PSP 22c o s ???? 現(xiàn)有的電力參數(shù)檢測(cè)裝置由于大多采用傳統(tǒng)的 MCU 芯片，采樣點(diǎn)數(shù)大多為32 點(diǎn)和 64 點(diǎn)。 TMS320LF2407A 為增強(qiáng)型哈佛 (HARVARD)總線結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序、數(shù)據(jù)和 I/O 三個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，每個(gè)存儲(chǔ)空間為 64K l6 位。 3． 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)、 I/O 空間有效。 圖 43 復(fù)位電路 首先要明確的一個(gè)概念是，如何選用系統(tǒng)時(shí)鐘 ?這可以從系統(tǒng)所需時(shí)鐘信號(hào)的電氣指標(biāo)來說明。由于采用了外部震蕩器獲取時(shí)鐘源，所以 PLLF2 和 PLLF引腳要按照?qǐng)D 45 所示的方法連接。本系統(tǒng)采用 10MHz的晶振，查閱相關(guān)芯片資料，選擇 R32=11， C29=， C30=。 4．模擬電路電壓 。由于實(shí)際開發(fā)中使用的仿 真 器到電路板距離不遠(yuǎn) (小于 15 厘米 )，所以采用了如圖 48 所示的電路接法 。 基于以上的考慮本系統(tǒng)采用 TMS320LF2407A 芯片內(nèi)部自帶 A/D。本電路主要由互感器、電壓跟隨器和加法電路三部分組成。由于作為日歷時(shí)鐘器件配制有電池供電，可作為 RAM 的保護(hù)電源，故 256 字節(jié)的 RAM 可視為非易失性 RAM。 設(shè)計(jì)中 4 個(gè)按鍵直接接到 TMS320LF2407A 的 I/O 口上，采用查詢的方式讀取鍵值。 該模塊具有 ~ 的寬工作電壓范圍。其接口電路如圖412 所示 。 所有 DSP 軟件模塊的功能都在主控模塊的調(diào)配下協(xié)調(diào)執(zhí)行。與一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，本系統(tǒng)中 DSP 與 A/D 器件之間沒有采用硬件FIFO，而是 用軟件的方法在數(shù)據(jù)區(qū)開辟了 6 個(gè) 512 字節(jié)的存儲(chǔ)區(qū)域，來完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的緩沖。 圖 51 主程序流程圖 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 33 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊完成對(duì)三相電壓三相電流進(jìn)行交流采樣，數(shù)據(jù)采集模塊由TMS320LF2407A 的片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元完成。對(duì)于進(jìn)行信號(hào)處理的 FFT 運(yùn)算，則 采用 C 語言與匯編語言混合編寫，在 C 程序中的關(guān)鍵部分用匯編語句代替 C 語句以優(yōu)化程序的執(zhí)行效率 。 圖 411 鍵盤 LCD 電路 串行通信接口電路 在本系統(tǒng)中， TMS320LF2407A 與 PC 機(jī)通過串行 121 進(jìn)行通信， PC 機(jī)從串行 121 向 DSP 按照一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送命令幀， TMS320LF2407A 接收到命令幀后按要求回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。為了便于簡單、方便地顯示漢字，該模塊具 2Mb 的中文字型 CGROM，該字型 ROM 中含有 8192 個(gè) 16 16 點(diǎn)陣中文字庫；同時(shí)，為了便于英文和其它常用字符 的顯示。如圖 410 中的三個(gè)二極管較好的解決了以上問題。因?yàn)?TMS320LF2407A 的 A/D的參考的高低電壓分別是 和 0V， 所以本系統(tǒng)又設(shè)計(jì)了一個(gè)加法電路，使跟隨器輸出電流波形正向平移 ，也就是圖 49 中后面的 LM358 的 3 腳電壓等于 ，這樣就保證采樣電壓信號(hào)到達(dá) TMS320LF2407A 的 A/D 前保持在0V~ 之間，滿足 A/D 輸入信號(hào)范圍。 2． TMS320LF2407A 的 I/O 引腳的接口電壓為 ，所以，在進(jìn)行 A/D 采樣之前也必須對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將其調(diào)整到 DSP 芯片可以承受的范圍之內(nèi)。 2．采樣精度：采樣精度用 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié) 果的二進(jìn)制位來表示，分為 8 位、 10位、 12 位 、 14 位、 16 位等；位值越高，采樣精度就越高。 本系統(tǒng)采用外圍供電電壓 5V 的方式，圖 46 為 5V 電源電路圖 1234D?B R I D G E 1C12 20 0u F / 2 20 VC31 00 0u F / 2 20 V C40 . 1u FC20 . 1u FV i n1GND2V ou t3U1 7 80 5A C I N 1A C I N 2+ 5V 圖 46 外接 5V 電源電路 但是 TMS320LF2407A 需要的是 的電壓，所以本系統(tǒng)選用 TPS7333Q，它是 TI 公司為了配合 DSP 而設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換芯片，輸入電壓 5V，輸出最大電流 500mA，連接電路如圖 47 所示。 2． TMS320LF2407A 外設(shè)電壓 。這對(duì)于整個(gè)電路板的電磁兼容性是很有好處的，因?yàn)橥獠恐恍枰褂幂^低頻率的晶振，避免外部電路干擾時(shí)鐘。 4．驅(qū)動(dòng)能力：整個(gè)系統(tǒng)有多少 芯片需要提供時(shí)鐘。其接口電路如圖 42 所示 。在外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，可以利用DS 信號(hào)來產(chǎn)生片選信號(hào) 。 圖 41 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) DSP 最小系統(tǒng)是能使 DSP 正常工作的最基本的 DSP 系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)采用 FFT 算法具體到電力參數(shù)中，將電壓序列 u(t)分解為基波和各次諧波分量的形式可得到： ? ? dttktuT Tkna ?? 0 c o s2 ? ? ? dttktuT Tknb ?? 0 s in2 ? 式中 k 代表諧波次數(shù) (k=0， 1， 2，? )，積分離散化后 ? ????? 10 2c o s2 Nnkn knNnuTa ? ? ????? 10 2s i n2 Nnkn knNnuTb ? 由此可以經(jīng)過計(jì)算得到第 k 次諧波的電壓的幅值、相角和有效值如下： 幅值： baUknknkn 22 ?? 相角： abknknk /tan 1??? 有效值： ? ?baUUknknknk 222121 ??? 同理，也可計(jì)算出電流的幅值，相角和有效值。傅立葉變換法是將離散的采樣值經(jīng)過離散傅立葉變換 (DFT)轉(zhuǎn)換到頻域，求出基波和諧波分量，再求出有效值及功率，實(shí)際使用中可以采用快速傅立葉變換 (FFT)以提高運(yùn)算速度。如果輸入按自然順序排列，則輸出就會(huì)變成碼位倒序排列；如果輸入、輸出均按照自然順序排列，則蝶形流圖的形狀會(huì)發(fā)生扭曲，造成不能即位運(yùn)算或計(jì)算機(jī)內(nèi)存增加等新問題。 X1(k)， X2(k)仍是高復(fù)合數(shù)的 DFT，我們按照上述方法繼續(xù)給以分解。 和周期性 WW knNnkN )1( ?? ，將長序列的 DFT分解為若干短序列的 DFT，然后將其合并。隨著 N 的增大，運(yùn)算次數(shù)迅速增加，例如。 通常 )(nx 、 )(kX 和 WnkN 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 1965 年，Cooly與 Tukey提出可大幅度減小 DFT 中的計(jì)算量的方法，這使得 DFT 真正得第三章 電力參數(shù)測(cè)量及其計(jì)算原理 15 到應(yīng)用并引起了數(shù)字信號(hào)處理算法的迅速發(fā)展。進(jìn)而可以求得視在功率，無功功率、功率因數(shù)分別為 UIS? ， PsQ 22 ?? ， UIP??cos 均方根算法可以對(duì)采樣值直接進(jìn)行運(yùn)算得到電流、電壓有效值、有功、無