【正文】 口方式。 第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 31 圖 412 串行通信 接口電路 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 32 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 為了提高 TMS320LF2407A 程序編寫效率，在編寫整個(gè)系統(tǒng)軟件采用了三種不同方法分模塊編寫，有些程序模塊直接用 C 語(yǔ)言編寫，有些程序直接用匯編語(yǔ)言編寫，而有些程序則用 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫。主控模塊首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，這包括 CPU 初始化、 I/O 初始化、存儲(chǔ)器初始化， A/D 初始化， LCD 初始化、時(shí)鐘初始化、異步通訊初始化等。 數(shù)據(jù)處理模塊 本系統(tǒng)采用在 TMS320LF2407A 的 R。然后判斷是否有鍵按下，根據(jù)判斷結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)按鍵服務(wù)程序。對(duì)于鍵盤顯示等通用性較強(qiáng)程序，采用 C 語(yǔ)言編寫，另外，由 于 CCS 編譯環(huán)境下 C語(yǔ)言有較強(qiáng)的匯編程序調(diào)用能力，主程序也是 C 語(yǔ)言編寫，在主程序里面以子程序形式調(diào)用各功能模塊。在并行模式下可由功能設(shè)定指令的 “ DL” 位來選擇8 位或 4 接口方式， TMS320LF2407A 配合 “ RS” 、 “ RW” 、 “ E” 、 DB0~DB7來完成指令 /數(shù)據(jù)的傳送，其具體電路如圖 411 所示 。 OCM4X8C 的液晶顯示屏為 128 64點(diǎn)陣，可顯示 4 行、每行 8 個(gè)漢字。 設(shè)計(jì)中的另一個(gè)要點(diǎn)是電池充放電問題，由于 DSP 用 供電，電池為，所以需要解決在掉電情況下電池 只對(duì) PCF8583 供電，而在不掉電情況下PCF8583 由 供電，且電池處于浮充狀態(tài)的問題。輸出電壓跟隨器主要是對(duì)互感器輸出電流信號(hào)進(jìn)行加強(qiáng)。 信號(hào)調(diào)理電路 當(dāng)采用 TMS320LF2407A 的片上 ADC 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行 A/D 采樣轉(zhuǎn)換的時(shí)候，由于以下兩方面的原因，必須對(duì)輸入信號(hào)首先進(jìn)行預(yù)處理后才能接入TMS320LF2407A 進(jìn)行處理： 1． TMS320LF2407A 的 ADC 模塊是單極性輸入，這就是說只能對(duì)大于 0V的信號(hào)進(jìn)行采樣，如果需要對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行采樣，就必須將輸入信號(hào)抬升到 0V以上。由于本設(shè)計(jì)采集的是市電，其頻率范圍在 50Hz 左右，根據(jù) Nyquist 定理，采樣頻率至少要為信號(hào)頻率的 2 倍，才可以恢復(fù)出原波形，所以 A/D 轉(zhuǎn)換頻率必須大于 100Hz。數(shù)字地和模擬地分開，最終通過電感連在一起，具體內(nèi)容在后面的抗干擾設(shè)計(jì)中更深入的介紹。 TMS320LF2407A 為低功耗系列，所以內(nèi)核電壓和外圍電路的供電是分開的。 TMS320LF2407A 具有內(nèi)部鎖相環(huán)電路，可以從一個(gè)較低的外部時(shí)鐘通過鎖相環(huán)倍頻電路實(shí)現(xiàn)內(nèi)部倍頻。 3．時(shí)鐘的沿特性：上升沿和下降沿的時(shí)間。該芯片是一種64K16 的高速 CMOS 靜態(tài) RAM，芯片供電電壓為 ，滿足系統(tǒng)要求。對(duì)于 TMS320LF2407A 在設(shè)計(jì)中要使用的幾個(gè)重要的控制信號(hào)包括： 1． DS 信號(hào)：此信號(hào)為片 外 數(shù)據(jù)空間選通信號(hào)，它總保持為高電平，在 DSP要訪問外部數(shù)據(jù)空間時(shí)，該信號(hào)變?yōu)榈碗娖?。系統(tǒng)硬件總體框圖如 41 所示 。但小波變換方法在電能質(zhì)量研究領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，現(xiàn)有的小波變換均無法實(shí)現(xiàn)諧波的精確測(cè)量，必須建立分頻嚴(yán)格、能量集中的小波函數(shù)來改善檢測(cè)的精度，而且數(shù)據(jù)經(jīng)小波變換之后得到是小波系數(shù)，而不是頻譜值，考慮到本系統(tǒng)的電力參數(shù)的計(jì)算是基于諧波分析 基礎(chǔ)上的以及 TMS320LF2407A 在實(shí)現(xiàn)傅里葉變換時(shí)的方便性，本系統(tǒng)仍然采用快速傅里葉變換進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。 在本系統(tǒng)中，用交流采樣技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要兼顧精度和成本兩個(gè)方面的 問題。 碼位倒序的排列規(guī)律是由 FFT 的算法決定的。 第三章 電力參數(shù)測(cè)量及其計(jì)算原理 17 ? ? ? ? ? ?? ? ? ?????????????? ???kkNkXkkkXXWXXWXkNkN21212 k=0， 1， 2，?， N1 這樣用 X1(k)， X2(k)可完整的表示 X(k)。 的對(duì)稱性? ? WW nkNnkN ??* 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 因而，直接運(yùn)算 DFT，乘法次數(shù)與加法次數(shù)都與 N2 成正比。因此我們只討論 DFT 正變換的運(yùn)算量， DFT 反變換運(yùn)算量與正變換是完全相同的。盡管它是可數(shù)值計(jì)算的，但計(jì)算量很大，占用內(nèi)存也很大 。離散后的電壓、電流、有功功率的交流采樣計(jì)算公式為 ???? 10 2 )(1 Nn nNU u ， ???? 10 2 )(1 Nn nNI i ， ???? 10 )()(1 Nn ninuNP 其中， U， I 為電壓、電 流的有效值， )(nu ， )(ni 為電壓、電流的同時(shí)刻的等間隔采樣值， T 為信號(hào)周期， N 為每周期信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)。因此，后文討論的采樣，均指交流采樣。一個(gè)變送器一般只能用于測(cè)量一個(gè)或兩個(gè)同量綱的電參量。根據(jù)被采集信號(hào)的不同，數(shù)據(jù)采集可分為直流采樣和交流采樣兩大類。 SECTIONS 偽指令的作用是：描述輸入段怎樣被組合到輸出段內(nèi)；在可執(zhí)行程序內(nèi)定義輸出段；規(guī)定在存儲(chǔ)器內(nèi)何處放置輸出段；允許重命名輸出段 。 PAGEl規(guī)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。頭文件為 “ .H” 格式，命令文件為 “ .CMD”格式 。本設(shè)計(jì)采用的就是 版本。 C 編譯器、匯編器和鏈接器是 DSP 代碼生成工具所必須的。 TMS320LF2407A 芯片具有如下特點(diǎn)： 1．采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為 。 主要工作包括： 1．回顧和分析當(dāng)前電能質(zhì)量問題，研究現(xiàn)狀及其測(cè)量裝置存在的問題； 2．提出本系統(tǒng)所要采集的電力參數(shù)； 3．在分析現(xiàn)有電力參數(shù)采集系統(tǒng)的基 礎(chǔ)上，確定本系統(tǒng)所采用的測(cè)量方法和算法，并確定系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)； 4．進(jìn)行基于 TMS320LF2407A 的系統(tǒng)整體硬件電路設(shè)計(jì)； 5．系統(tǒng)測(cè)試； 6．對(duì)自己所做的工作進(jìn)行總結(jié)。例如測(cè)量電流、電壓、電功率等； 2．信號(hào)的特性及所受干擾的測(cè)量 。準(zhǔn)確、完整的對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析是成功解決該矛盾的必要條件。另一方面，某些電能質(zhì)量問題還影響電氣設(shè)備的性能指標(biāo)。 Harmonic analysis。因此為了提高電能質(zhì)量，首先必須能準(zhǔn)確、完整的對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和分析。 作者簽名： 日 期： 摘 要 II 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi) 容。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 摘 要 III 摘 要 近年來，由于大量電力電子變流裝置和非線性設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)中的電壓、電流波形發(fā)生畸變，造成電 能質(zhì)量的嚴(yán)重惡化；同時(shí)，微電子技術(shù)的發(fā)展使得各種自動(dòng)化裝置廣泛應(yīng)用，極大地提高了社會(huì)生產(chǎn)力，而這些裝置對(duì)于電能質(zhì)量下降極為敏感，因此在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)許多嚴(yán)重的事故，造成了巨大的損失。 FFT。例如，雷電波沖擊，電容器和電纜線路投切時(shí)因諧波諧振而引起的過電壓往往造成電氣設(shè)備的絕緣和機(jī)械損壞，從而影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行 ； 繼電保護(hù)裝置因諧波和負(fù)序干擾引起誤動(dòng)作造成電網(wǎng)大面積停電會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；短時(shí)的供電中斷或電壓跌落可能導(dǎo)致生產(chǎn)混亂或工業(yè)冶煉產(chǎn)品的大量報(bào)廢甚至危害人身安全。 第一章 引 言 2 一方面是電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降，另一方面卻是用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，如何解決這一矛盾成了我們要解決的一道難題。它通常包括： 1． 能量的測(cè)量。 本系統(tǒng)檢測(cè)的電力參數(shù)包括： 1．前 5 次諧波的電壓有效值； 2．前 5 次諧波的電流有效值； 3．總電壓有效值； 4．總電流有效值； 5．總有功功率； 6．總無功功率； 第一章 引 言 4 7．各相的功率因數(shù)。 第二章 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 6 圖 21 總體結(jié)構(gòu)圖 DSP 芯片的選擇 本系統(tǒng)的主處理芯片采用 TI 公司的 TMS320LF2407A，它集成了高性能的DSP 內(nèi)核和片內(nèi)外設(shè)于一個(gè)芯片內(nèi)，是傳統(tǒng)的微控制單元與昂貴的多片外設(shè)的一種廉價(jià)替代品。 代碼生成工具的作用是將 C 語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言或兩者的混合語(yǔ)言編寫的 DSP源代碼程序編譯，匯編并鏈接成可執(zhí)行的 DSP 代碼。 CCS(Code Composer Studio)是 TI 推出的用于開發(fā)其 DSP 芯片的繼承開發(fā)調(diào)試工具，它采用 Windows 風(fēng)格的界面，集編輯、編澤、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試及實(shí)時(shí)跟蹤等功能于一體，極大地方便了 DSP 程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)。 C 語(yǔ)言文件為 “ .c” 格式，匯編語(yǔ)言文件 為 “ .ASM” 格式。 用戶可以規(guī)定多達(dá) 255 頁(yè)，通常 PAGE0 規(guī)定程序存儲(chǔ)器 。 第二章 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 10 length規(guī)定存儲(chǔ)器范圍的長(zhǎng)度 。交流電氣信號(hào)的采樣有直流采樣和交流采 樣兩種方式。構(gòu)成變送器的元件性能的不穩(wěn)定性和模擬量容易受到干擾，使得測(cè)量精度不高； 3．參數(shù)調(diào)整困難，適應(yīng)性差； 4．只能反映被測(cè)信號(hào)的單一信息。目前，在電氣信號(hào)檢測(cè) (包括微機(jī)測(cè)量、計(jì)算機(jī)監(jiān)控、繼電保護(hù)等 )領(lǐng)域，交流采樣 已 普遍取代直流采樣，占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位。 第三章 電力參數(shù)測(cè)量及其計(jì)算原理 14 設(shè) )s in (2)( ?? ?? tUtu ， )s in (2)( ?? ?? tIti ， 則電壓、電流、有功功率的有效值分別為 dtTU Tu?? 0 21 ， dtTI Ti?? 0 21 ， ? ? ? ?dttituTP T?? 01 因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，所以以上公式不能直接應(yīng)用，須將公式離散后進(jìn)行數(shù)字化。 離散傅立葉變換 傅立葉變換 (DFT)是時(shí)域和頻域信號(hào)均為離散的唯一變換，它適用于有限時(shí)間序列。 這是利用 DFT 正變換計(jì)算 DFT 反變換的方法。但畢竟是少數(shù)幾項(xiàng)，特別是 N 較大時(shí)。 快速傅立葉變換 (FFT) 利用 WnkN 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 X(k)可用下面的兩式計(jì)算。如果輸入和輸出序列的序號(hào)都用 2 進(jìn)制表示，例如 N=8 時(shí)， ??3x 的序數(shù) n=3，它的二進(jìn)制表示 011，反序二進(jìn)制表示 110，所以原本應(yīng)放 x(011)的單元現(xiàn)在應(yīng)該存入 x(110)。因此，以控制器來實(shí)現(xiàn) FFT 算法較普通的單片機(jī)要容易的多。小波變換由于時(shí)域、頻域同時(shí)具有良好的局部化特性，它可以根據(jù)信號(hào)不同的頻率成分自動(dòng)調(diào)節(jié)取樣密度，從而可以很好的處理信號(hào)突變等情況。第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 21 第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)以 DSP 最小系統(tǒng)為中心，外圍擴(kuò)展信號(hào)調(diào)理電路、時(shí)鐘電路、按鍵液晶顯示電路、 RS232 接口電路等。 TMS320LF2407A 可擴(kuò)展的外部程序存儲(chǔ)器總共 192K： 64K 程序存儲(chǔ)器；64K 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 64K I/O 尋址空間。 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IS61LV6416，一片用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，另一片用作程序存儲(chǔ)器。 2．信號(hào)電平：是 5V 還是 ，是 TTL 電平還是 CMOS 電平等。使用無源晶體的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，但是它的驅(qū)動(dòng)能力比較差，一般不能提供多個(gè)器件共享，而且它可以提供的頻率范圍也比較小 (一般在 20KHz~60MHz)。第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 25 對(duì) 于 本系統(tǒng)而言，有以下 4 種電壓需要電源電路提供： 1． TMS320LF2407A 的內(nèi)核電壓。 本系統(tǒng)為了減小電源噪聲和互相干擾，采用數(shù)字電路和模擬電路獨(dú)立供電的方式。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 以下是 A/D 采樣要考慮的幾個(gè)問題： 1．采樣速率：采樣速率用每秒完成 A/D 采樣的次數(shù)來表示。采樣精度可以達(dá)到有 l0 位，采用 TMS320LF2407A 片上自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采樣不僅可以達(dá)到采樣速度和精度的要求，而且使得整系統(tǒng)的構(gòu)造更加簡(jiǎn)單。輸入電壓 ≤220Vac 時(shí)，輸出電壓 ≤。時(shí)基 (都可以通過編程選擇 )； 5．具有可編程的鬧鐘、定時(shí)和中斷功能。該模塊的控制 /驅(qū)動(dòng)器采用臺(tái)灣矽創(chuàng)電子公司的ST7920，因而具有較強(qiáng)的控制顯示功能。把模塊的 PSB 腳接高電平 ，第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 30 模塊即進(jìn)入并行接口模式。對(duì)于 DSP 和各模塊的初始化采用匯編編程，數(shù)據(jù)采集程序由于實(shí)時(shí)性強(qiáng)，采用匯編語(yǔ)言編程。初始化完成之后液晶屏出現(xiàn)開機(jī)動(dòng)畫，隨即顯示三相電壓、電流 平均值，