【正文】 () 式中 : 0a — 直流分量 ； nA 和 n? — n 次諧波的幅值和初相角 ； na 和 nb — n 次諧波的余弦項(xiàng)系數(shù)和正弦項(xiàng)系數(shù)。 當(dāng)已知 N個(gè)時(shí)域抽樣值時(shí)，如果直接按“式 ()”計(jì)算 N的頻率分量，需要進(jìn)行 N2次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和 N(N1)次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算。頻率的軟件跟蹤大大地簡(jiǎn)化 了硬件電路，但是與硬件跟蹤相比，它的實(shí)時(shí)性比較差。因此信號(hào)的“過(guò)零點(diǎn)”為。由于 DFT的計(jì)算量很大，所以在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)其應(yīng)用受到了很大的限制。 由于 A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)都是實(shí)數(shù)，而一般的 FFT程序中輸入數(shù)據(jù)都是些復(fù)數(shù)。位倒序?qū)ぶ反蟠蟮靥岣吡?FFT 算法的執(zhí)行速度和在程序中使用存儲(chǔ)器的效率。從第 3級(jí)起開(kāi)始使用循環(huán)法，根據(jù) FFT 原位計(jì)算的特性，每次循環(huán)通過(guò)改變算子和旋轉(zhuǎn)因子的步長(zhǎng)，利用 DSP 匯編語(yǔ)言中簡(jiǎn)便的間接尋址指令規(guī)律找到算子和因子值，有效的實(shí)現(xiàn)蝶形運(yùn)算。 注意到，對(duì)于 8 點(diǎn) FFT，只需用三位二進(jìn)制代碼來(lái)標(biāo)注整個(gè)數(shù)據(jù)。作為一個(gè)電力諧波測(cè)量裝置，一般應(yīng)具有這樣幾種功能 :能夠在任何時(shí)刻對(duì)電力信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣 :能夠快速準(zhǔn)確的分析各種包括電壓、電流在內(nèi)的電力基本參量 :能夠比較直觀的顯示分析結(jié)果。該板提供低功耗的、標(biāo)準(zhǔn)的、獨(dú)立的 C54系列開(kāi)發(fā)平臺(tái)，允許用戶(hù)為 C54 XX系列 DSP 評(píng)估和開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。 DNil 芯片的運(yùn)算速度可以用以下幾種性能指標(biāo)來(lái)衡量 : (1)指令周期 :即執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間，通常以 us(納秒 )為單位。 2. DSP 芯片的價(jià)格 DSP 芯片的價(jià)格也是選擇 DSP 芯片所需考慮的一個(gè)重要因素。浮點(diǎn)芯片的字長(zhǎng)一般為 32 位，累加器為 40位。 除了上述因素外，選擇 DSP 芯片還應(yīng)考慮到封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等。 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)算量是確定選用處理能力為多大的 DSP 芯片的基礎(chǔ)。如果采樣頻率為 8kHz，即樣點(diǎn)之間的間隔為 125 s? ,DSP 芯片的 MAC 周期為 200ns，則 76MAC 周期需要 s? 的時(shí)間，顯然無(wú)法實(shí)時(shí)處理，需要選用速度更高的 DSP 芯片。 TMS320C54xx 具有以下硬件優(yōu)點(diǎn) (1)圍繞 1組程序總線、 3組數(shù)據(jù)總線和 4組地址總線建立的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，解決了馮 （ 8）最新的靜態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)使得芯片具有更低的功耗和更強(qiáng)的輻射能力。所有的C54xx 芯片都包括隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器 (RAM)和只讀存儲(chǔ)器 (ROM)。為攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 了便于管理，片內(nèi) RAM 分成幾個(gè)部分，可以分別用來(lái)保存數(shù)據(jù)或程序，片內(nèi) RAM優(yōu)先用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)值，但也可以映射到程序空間來(lái)存儲(chǔ)程序代碼。根據(jù) /BIO 輸入的狀態(tài)來(lái)執(zhí)行一個(gè)轉(zhuǎn)移，對(duì)時(shí)間要求很?chē)?yán)格的循環(huán)，而且不能被外部終端所打斷的時(shí)候，可以用 /BIO 腳代替中斷與外圍設(shè)備相連。它可以由內(nèi)部的晶振或外部的時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)。 (5)串口 各種 C54xx 芯片配有不同的串口，但總的來(lái)說(shuō)分為 3 種類(lèi)型 :同步、緩沖和時(shí)分多路 (TDM)。 (2)主機(jī)接口 主機(jī)接口 (HPI)是一個(gè) 8bit或 16bit 的并口，提供 C54xx 與主處理機(jī)的接口。每個(gè)機(jī)器周期可以對(duì)它進(jìn)行兩次存取， CPU 和外設(shè)，如緩沖串口 ((BSP)和主機(jī)接口 (HPI)可以 在一周期中同時(shí)對(duì)它進(jìn)行讀和寫(xiě)，所以存取速度得到了很大的提高。在標(biāo)準(zhǔn)的 C54xx 的片內(nèi) ROM 中有一個(gè)引導(dǎo)程序 BOOTLOAD 程序和中斷向量表。兩個(gè) 40bit的累加器 (ACC 和 ACCB)。 （ 2）內(nèi)部多總線結(jié)構(gòu)保證在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以多次訪問(wèn)程序空間和數(shù)據(jù)空間。例如，中低速語(yǔ)音編碼算法通常以 1Oms 或 20ms 為一幀，每隔 1 VMS 或 20ms 語(yǔ)音編碼算法循環(huán)一次。相反，運(yùn)算量大的 DSP 系統(tǒng)則必須選用處理能力強(qiáng)的 DSP芯片、如果 DSP 芯片的處理能力達(dá)不到系統(tǒng)要求，則必須用多個(gè) DSP 芯片并行處理。有些 DSP 系統(tǒng)可能最終要求的是工業(yè)級(jí)或軍用級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在選擇時(shí)就需要注意到所選的芯片是否有工業(yè)級(jí)或軍用級(jí)的同類(lèi)產(chǎn)品。如果沒(méi)有開(kāi)發(fā)工具的支持，要想開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜的 DSP 系統(tǒng)幾乎是不可能的。因此根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用情況，需確定一個(gè)價(jià)格適中的 DSP 芯片。大部 分 DSP 芯片可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法和加法操作，如 TMS320LC54980的 MAC時(shí)間就是 ； (3) FFT 執(zhí)行時(shí)間 :即運(yùn)行一個(gè) N點(diǎn) FFT 程序所需的時(shí)間。 .16 位音頻接口，可以連接麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器 .與 PC 機(jī)之間為標(biāo)準(zhǔn)并行接口， TMS320C5402 可以通過(guò) HPI 接口與 PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸 .豐富的 I/O 外設(shè) .擴(kuò)展接口用于擴(kuò)展存儲(chǔ)器和子板 DSP部分 DSP 系統(tǒng)的構(gòu)成 DSP 芯片的選擇依據(jù) 設(shè)計(jì) DSP應(yīng)用系統(tǒng)，選擇 DSP 芯片是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。但是由于單片機(jī)的計(jì)算 能力不強(qiáng)，比如在運(yùn)行一些數(shù)字信號(hào)處理的基本算法時(shí)就呈現(xiàn)出劣勢(shì)，比如說(shuō)在實(shí)現(xiàn) 64點(diǎn)以上的 FFT 算法時(shí)，會(huì)出現(xiàn)計(jì)算速度慢的特點(diǎn)，往往不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。則用二進(jìn)制形式書(shū)寫(xiě)它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得 : ]110[]011[]010[]010[]100[]001[]000[]000[fFfFfFfF???? [100] [001][101] [101][110] [011][111] [111]FfFfFfFf???? () 若 ),( 012 nnn 為序列 x[n]中標(biāo)號(hào)的二進(jìn)制表示，則序列值 ),( 012 nnnf 存放在數(shù)列 ),( 012 nnnF 的位置上。 (4)產(chǎn)生最后的 N點(diǎn)復(fù)數(shù) FFT 結(jié)果并求出信號(hào)的功率 我 們可以通過(guò)信號(hào)分析的理論知識(shí)，分離 FFT 輸出為相關(guān)的四個(gè)序列 :RP, RM, IP和 IM，即偶實(shí)數(shù)、奇實(shí)數(shù)、偶虛數(shù)和奇虛數(shù)四部分， 即可產(chǎn)生最后 N點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT 結(jié)果。當(dāng)使用位倒序?qū)ぶ钒?ARO 加到輔 助寄 存器中時(shí)，地址以位倒序的方式產(chǎn)生，即進(jìn)位是從左向右，而不是從右 左。 (1)輸入數(shù)據(jù)的組合和位倒序 把輸入序列作位倒序，為了在整個(gè)運(yùn)算最后的輸出中得到的序列是自然順序。 FFT 算法可以分為時(shí)間抽取 FFT 和頻率抽取 FFT 兩大類(lèi)。 (3)實(shí)際 128 點(diǎn)采樣值 nA 計(jì)算 為保證 FFT 的基 2算法，需要對(duì)按理想采樣間隔采樣得到的值進(jìn)行處理。這里采用了一種新的采樣計(jì)算方法。按照這種方式進(jìn)行計(jì)算，當(dāng) N值較大時(shí)， CPU很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。設(shè)周期性時(shí)間連續(xù)信號(hào) )(tf ，在周期 T內(nèi)插入 N 個(gè)等間隔采樣點(diǎn) k=0, 1, 2,?， N 1，則采樣間隔即采樣 周期 NTt?? 。它用來(lái)分析該序列 ][nf ，以確定利用“式 (()”來(lái)綜合 ][nf時(shí)每一頻率分量需要占多少份量。但在電網(wǎng)中主要存在整數(shù)次諧波，它可以根 據(jù)周期性波形，用傅立葉級(jí)數(shù)分解得到，本文主要論述的就是這類(lèi)諧波。 功率因數(shù)的計(jì)算 在非正弦波的情況下，難以用電壓和 電流的相位差這個(gè)概念來(lái)表述功率因數(shù)，這時(shí)可以用功率關(guān)系來(lái)定義功率因數(shù) : 222c os DQPP ???? （ ） 其中 :? 不再是基波或任何一系諧波電壓和電流的相位差。 Q 只是表明由于各次諧波電壓和電流存在相位差而產(chǎn)生的無(wú)功功率的總和。 本設(shè)計(jì)將進(jìn)一步推進(jìn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，真正做到實(shí)時(shí)的諧波分析，便于電力系統(tǒng)管理人員正確掌握配電網(wǎng)的電能質(zhì)量情況， 方便地控制各線的負(fù)荷情況，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃用電、合理配電。同時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)集中了數(shù)字信號(hào)處理理論和方法、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和集成電路技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的最新成果。雖然某些單片機(jī)也集成有硬件乘法器，但缺少其它硬件支持，所以它仍是單片機(jī)，其性能還不能與 DNF 相比。 (2)采用多個(gè)處理單元。 1997年 2月 TI公司宣布具有 1600MIPS速度的新一代數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320C6x 進(jìn)入市揚(yáng)。當(dāng)時(shí)的 DSP 系統(tǒng)由分離元件組成，主要應(yīng)用于醫(yī)療電子、生物電于和應(yīng) 用地球物理等領(lǐng)域。高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展及其制造成本的降低，使數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在電力系統(tǒng)的各個(gè)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，人們己經(jīng)開(kāi)始將 DSP技術(shù)應(yīng)用于某些電力產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制中。 (4)有的產(chǎn)品沒(méi)有通訊和控制輸出功能，不滿(mǎn)足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的發(fā)展方向。 (3)是面向電力市場(chǎng)、適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制強(qiáng)有力的手段。歸納起來(lái)其主要危害有 : (1)產(chǎn)生附加損耗，增加設(shè)備溫度 。 電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為 50Hz，俗稱(chēng)工頻，電力系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)頻率應(yīng)與工業(yè)設(shè)備工作頻率一致，如頻率偏離正常值，將對(duì)用戶(hù)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。論文中還詳細(xì)分析了信號(hào)的采樣問(wèn)題。 然后，介紹了諧波的基本概念 、 衡量指標(biāo)和數(shù)學(xué)分析方法。 關(guān)鍵詞 ：數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP），諧波， McBSP 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） Abstract By loking back on the present situations of the electric harmonic monitoring equipments, the prospect of the pracitical appliication of Digital Signal Processor (DSP) in the electric power system is discussed in this paper. This paper briefly analyzes the concepts of harmonic and then proposes the hardware structure made up of AD73360 (A/D) and TMS320C5420 (DSP) at the demand of practical applications of power department. The design of both hardware and software is finished. A realtime highspeed multichannel, synchronous data sampling and processing system is designed based on DSP. AD73360 is directly connected to Multichannel Buffered Serial Port (McBSP which is a kind of sixwired synchronous serial port) on DSP for data exchange. The sampled voltage and current signals are harmonic analyzed by DSP using the fast Fourier transform (FFT) algorithm. Some considerations conceming about the signal samnling are also discussed.. The equipment can provide highspeed signal sampling and realtime harmonic analysis. keywords: DSP (Digital Signal Processor), Harmonic, McBSP (Multichannel Buffered Serial Port) 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 摘 要 ?????????????????????????????????Ⅰ ABSTRACT???????????????????????????????? Ⅱ 1 緒論 ??????????????????????????????????? 1 問(wèn)題的提出 ??????????????????????????????? 1 ????????????????????????? ??????????????????????????? ??? ????????????????????????????? 2 電能質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算公式 ?????????????????????? ???????????????????????????????? ??????????????????????????? ??????????????????????????? ??????????????????????????? 的計(jì)算 ??????????????????????????? ?????????????????????????????? ???????