【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ctg????? 同理，也可計(jì)算出電流的幅值、相角和有效值。由于非正弦周期函數(shù)的有效值等于信號(hào)中的各次諧波的有效值的平方和的平方根，所以電壓、電流總的有效值分別為： ????????0202kkkkIUIU 電網(wǎng)中的有功功率一般指的是平均功率，可定義為： ?? T dttituTp 0 )()(1 將 u(t)和 i(t)分別用傅立葉級(jí)數(shù)表示展開(kāi)，并考慮正弦函數(shù)的正交性，可 得： ????????0k0WPkk kQp 達(dá)式同理可得無(wú)功功率的表 為了計(jì)算方便，功率因數(shù)采用下式求得： 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 8 QPpsp22c o s ???? 結(jié)合系統(tǒng)采樣及計(jì)算精度的需求，選用每周期每路采樣 128 點(diǎn)，共采集 4 個(gè)周期后對(duì)采集的波形進(jìn)行 512 點(diǎn)的 FFT。 進(jìn)行頻率測(cè)量的主要算法有 : (1)周期法 :周期法即為零交法。通過(guò)測(cè)量信號(hào)波形相繼過(guò)零點(diǎn)間的時(shí)間寬度來(lái)計(jì)算頻率。該方法概念清晰，易于實(shí)現(xiàn) ,其公式如下 : 數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)相應(yīng)過(guò)零點(diǎn)數(shù)內(nèi)的 過(guò)零點(diǎn)數(shù)采樣頻率被測(cè)信號(hào)頻率 AD2 ? ?? 對(duì)它的改進(jìn)主要是提高實(shí)時(shí)性和測(cè)量精度。改進(jìn)算法有 :水平正交算法，高次修正函數(shù)法和最小二乘多項(xiàng)式的曲線擬和法 ,但這樣計(jì)算量和復(fù)雜度很大。 (2)解析法 :通過(guò)對(duì)信號(hào)觀測(cè)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)變換 ,將待測(cè)量 f 或Δ f 表示為樣本值的顯函數(shù)來(lái)估計(jì) ,但精度總體不高。 (3)誤差最小化原理類(lèi)算法 :包括最小二乘算法、最小絕對(duì)值近似法、牛頓類(lèi)算法、離散卡爾曼濾波算法。 (4)DFT(FFT)類(lèi)算法及其改進(jìn)算法。 (5)正交去調(diào)制法。 電壓偏差的測(cè)量 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)稱電壓之差 ,可用有名值或標(biāo)么值表示。 額定電壓 額定電壓實(shí)際電壓電壓偏差 ?100％ 式中實(shí)際電壓為實(shí)際測(cè)量電壓 ,額定電壓為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。 電壓變動(dòng)指的是供電點(diǎn)電壓在兩個(gè)相鄰的、持續(xù)一定時(shí)間的電壓均方根值U1和 UZ 之間的差值。通常以額定電壓的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示電壓變動(dòng)的相對(duì)百分值ΔU,即 : ???? UNUUU 21 100％ 系統(tǒng)在同一方向小于 30ms的快速變化不計(jì)入電壓變動(dòng) ,小于 30ms的期間內(nèi) ,同方 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 9 向的電壓均方根值的變動(dòng)只算作一次變動(dòng) ,在單位時(shí)間內(nèi)電壓變動(dòng)的次數(shù)稱為電壓變動(dòng)的頻度。 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) DSP 發(fā)展概述 數(shù)字信號(hào)處理 (DSP,DigisignaiProeessing)是隨著信息學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)院的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科 ,包括傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理，統(tǒng)計(jì)與自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理等幾 個(gè)部分，把信號(hào)使用數(shù)字或符號(hào)表示的序列 ,通過(guò)計(jì)算機(jī)或通用 (專(zhuān)用 )信號(hào)處理設(shè)備 ,用濾波，變換，壓縮，增強(qiáng)，估計(jì)，識(shí)別等數(shù)值計(jì)算方法處理 ,從而達(dá)到提取有用信息便于應(yīng)用的目的。 20世紀(jì) 60年代以來(lái) ,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的進(jìn)步 ,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到迅速的發(fā)展。 20 世紀(jì) 70 年代末到 80年代初 ,世界上第一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalproeessor,簡(jiǎn)稱 DSP)問(wèn)世 ,開(kāi)始將理論研究結(jié)果廣泛應(yīng)用到低成本的實(shí)際系統(tǒng)中。而后 ,數(shù)字信號(hào)處理器憑著其特有的靈活性、精確性、穩(wěn)定性、可重復(fù)性、體積小、功耗小、 易于大規(guī)模集成 ,特別是可編程性和易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)處理等特點(diǎn) ,給數(shù)字信號(hào)處理帶來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇 ,并使得信號(hào)處理手段更加靈活 !功能更加復(fù)雜 ,其應(yīng)用領(lǐng)域也拓展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活的諸多方面。經(jīng)過(guò)二十幾年的發(fā)展 ,DSP 器件在其速度性能以及開(kāi)發(fā)軟件上都得到了迅猛發(fā)展。生產(chǎn) DSP 器件的公司數(shù)量增多并且規(guī)模不斷壯大 ,DSP 廠家除 TI 公司外 ,還有美國(guó)模擬器件公司 (AD)、朗訊 (ATamp。T)、摩托羅拉 (Motorola)、 NEC 等。尤以 T1 公司生產(chǎn)的系列 DSP 芯片影響力最大 ,應(yīng)用最為廣泛。 TI 在推出 TMS3201x 系列產(chǎn)品后 ,相繼推 出了第二代 DSP 芯片、第三代芯片 .C3x、第四代 DSP 芯片 .C4x、第五代 DSP 芯片 ,Csx/C54x、第二代 DSP 芯片的改進(jìn)型。 CZxx 集多片 DSP 芯片于一體的高性能 DSP 芯片以及目前速度最快的第六代 DSP芯片 C62x/67x 等。 由于不同層次的需要 ,DSP 器件朝著兩個(gè)方向分化 ,一是專(zhuān)用型 ,即一種芯片僅完成一種算法 ,其運(yùn)算是用硬件直接實(shí)現(xiàn)的 ,內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)則簡(jiǎn)單 ,運(yùn)算速度高于通用的 DSP,缺點(diǎn)是靈活性差 ,幾乎都是定點(diǎn)型的 ,精度和動(dòng)態(tài)范圍有限 ,需要較多外圍控制器件和嚴(yán)格的時(shí)鐘同步信號(hào) ,并且專(zhuān)用 DSP 幾乎不具備自 適應(yīng)處理能力 ,這類(lèi)芯片多出現(xiàn)在一些消費(fèi)類(lèi)電子行業(yè)等專(zhuān)用領(lǐng)域；二是通用型 ,這類(lèi)芯片具有較豐富的硬件接口和很強(qiáng)的可編程性 ,其運(yùn)算和處理是用“軟件”實(shí)現(xiàn)的 ,適用于開(kāi)發(fā)與研究 我們平常采用的 DSP 是指通用型 DSP。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 10 DSP 芯片特點(diǎn)及基本結(jié)構(gòu) 根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求 ,DSP 一般具有如下特點(diǎn) : (1)在一個(gè)指令周期內(nèi) ,可完成一次乘法和一次加法； (2)程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi) ,可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)； (3)片內(nèi)具有快速 RAM,通?？梢酝ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線 ,在兩塊芯片中同時(shí)訪問(wèn)； (4)具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)的循環(huán)及跳 轉(zhuǎn)的硬件支持； (5)具有快速的中斷處理和硬件 1/0 接口支持； (6)具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器； (7)可以并行執(zhí)行多個(gè)操作； (8)支持流水線操作 ,取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行； DSP 具有以下基本結(jié)構(gòu) : (1)哈佛結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)總線和指令總線是公用的 ,因而在高速運(yùn)算時(shí)在傳輸通道上會(huì)出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象。而采用哈佛結(jié)構(gòu)的 DSP 芯片片內(nèi)至少有 4套總線 :程序的地址總線與數(shù)據(jù)總線 ,數(shù)據(jù)的地址總線與數(shù)據(jù)總線。由于這種結(jié)構(gòu)的程序總線和數(shù)據(jù)總線分離 ,因而可以在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)同時(shí) 獲取程序存儲(chǔ)器內(nèi)的指令字和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)的操作數(shù) ,從而提高了執(zhí)行速度。 流水線操作： DSP芯片的哈佛結(jié)構(gòu)就是為實(shí)現(xiàn)流水線技術(shù)而設(shè)計(jì)的。采用流水線技術(shù)可使 DSP 芯片單周期完成乘法累加運(yùn)算 ,極大地提高了運(yùn)算速度從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。處理器可以并行處理 24 條指令 ,每條指令處于流水線的不同階段。 (2)專(zhuān)用的硬件乘法器。數(shù)字信號(hào)處理中最基本的一個(gè)運(yùn)算是乘法累加運(yùn)算 ,也是最重要和最耗時(shí)的運(yùn)算 ,為了提高芯片的運(yùn)算速度 ,必須大幅度降低乘法運(yùn)算的時(shí)間。于是在 DSP 芯片中設(shè)計(jì)了硬件乘法器 ,并且運(yùn)算所需時(shí)間最短 ,僅為一個(gè) 機(jī)器周期。這種單周期的硬件乘法器是 DSP芯片實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算的有力保證。 (3)多總線結(jié)構(gòu)。許多 DSP 內(nèi)部都采用了多總線結(jié)構(gòu) ,這樣保證在一個(gè)周期內(nèi) ,可以同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)空間 ,因此可以解決傳統(tǒng)芯片的總線沖突問(wèn)題 ,是系統(tǒng)的速度和效率大大提高。 (4)特殊的 DSP 指令。為了更好地滿足數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的需要 ,在 DSP 系統(tǒng)中 ,設(shè)計(jì)了一些特殊的 DSP 指令 ,以完成一些專(zhuān)門(mén)的運(yùn)算。例如 C54xDSP 的 FIRS指令 ,專(zhuān)門(mén)用于 FIR(有限脈沖響應(yīng) )濾波運(yùn)算。 (5)快速的指令周期。哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、 特殊的DSP指令 ,再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì) ,可使 DSP的指令周期在 50ns以下 ,現(xiàn)在高 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 11 性能的 DSP 指令周期可以達(dá)到 5ns。 Zigbee 技術(shù) ZigBee 是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)與藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，此前被稱作 HomeRF Lite 或 FireFly 無(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。 它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，是通過(guò)數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以通信效率非 常高。而這些數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)用于分析，或者被另外一種無(wú)線技術(shù)如 WiMax 收集。 ZigBee 是一個(gè)由可多達(dá) 65 000 個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類(lèi)似現(xiàn)有移動(dòng)通信的 CDMA 網(wǎng)或 GSM 網(wǎng)。其中每一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信 。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的 75 m，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里。另外，整個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡(luò)鏈接。例如，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在北京監(jiān)控云南某地的一個(gè) ZigBee 控制網(wǎng)絡(luò)。 不同的是， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，而移動(dòng)通信網(wǎng)主要為語(yǔ)音通信而建立。每個(gè)移動(dòng)基站價(jià)值一般都在百萬(wàn)元人民幣以上，而每個(gè)ZigBee“基站”卻不到 1000 元人民幣。每個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對(duì)象連接，例如與傳感器連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) (FFD)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，與多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點(diǎn) (RFD)無(wú)線連接。每個(gè) Zi}Bee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) (FFD 和 RFD)可支持多達(dá) 31個(gè) 的傳感器和受控設(shè)備，并且每一個(gè) 傳感器和受控設(shè)備還可以有 8 種不同的接日方式。另外， ZigBee 可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。 ZigBee 有如下方面的特點(diǎn)： 可靠 :采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突 。節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴? 時(shí)延短 :針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。通常時(shí)延都在 15^30 ms 之間。 網(wǎng)絡(luò)容量大 :可支持高 達(dá) 65 000 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 12 安全 :ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的 AES 一1280。 高保密性 :采用 64 位出廠編號(hào)，并支持 AES 一 128加密。 數(shù)據(jù)傳輸速率低 :只有 10^250 KB/s,專(zhuān)注于低傳輸應(yīng)用。 功耗低 :在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通 5 號(hào)干電池可使用 6 個(gè)月到 2 年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是 ZigBee 的支持者一直引以為自豪的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 成本低 :因?yàn)?ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，且 ZigBee 協(xié)議免收專(zhuān)利費(fèi)，所以大大降低了成本。 優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?:ZigBee 設(shè)備具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自愈能力， ZigBee 具有星、樹(shù)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力，因此通過(guò) ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芎?jiǎn)單地覆蓋廣闊范圍。 有效范圍大 :有效覆蓋范圍為 10^75 m(通過(guò)功放可在低功耗條件實(shí)現(xiàn) 1 000 m 以上的通信距離 )，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通家庭或辦公室環(huán)境。 工作頻段靈活 :使用的頻段分別為 2. 4 CGHz(全球 ),868 MHz(歐洲 )及 915 MHz(美國(guó)），均為免執(zhí)照頻段。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 13 第三章 系統(tǒng)的硬件 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體方案 系統(tǒng)采用 TMS320F28335 DSP 為控制處理核心，霍爾電流、電壓傳感器對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集 ,將采集到的信號(hào)通過(guò)以 AD7656 為核心的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理然后傳送的 DSP 中，利用采集的電流、電壓瞬時(shí)值通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出電能相關(guān)參數(shù)。為了使系統(tǒng)具有無(wú)線通信功能 ,在設(shè)計(jì)中采用 CC2530 芯片 ,可以及時(shí)把現(xiàn)場(chǎng)采集的電能相關(guān)參數(shù)通過(guò) ZIGBEE 協(xié)議以無(wú)線通信的形式傳送到上位機(jī)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。系統(tǒng)的總體框圖如圖 。 電 壓 傳 感 器電 流 傳 感 器調(diào) 理 電 路調(diào) 理 電 路A D 7 6 5 6T M S 3 2 0 F 28 3 3 5 D S P液 晶 顯示C C 2 5 3 0鍵 盤(pán) 控制上 位 機(jī) 圖 系統(tǒng)整體框圖 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 交流電壓變送器以 0～ 5 V的交流電壓作為輸出信號(hào)。因 AD7656的外部基準(zhǔn)輸入信號(hào)范圍為 0～ 3 V．因此必須添加合適的調(diào)理電路以滿足 A/D輸入的要求。 交流電壓調(diào)理電路見(jiàn)圖 ，由圖可知該電路由 3