【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 )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,以完成一些專門的運(yùn)算。例如C54xDSP的FIRS指令,專門用于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)在高性能的DSP指令周期可以達(dá)到5ns。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?。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)。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)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，且ZigBee協(xié)議免收專利費(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。  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)整體框圖 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。，由圖可知該電路由3部分組成：第1部分為射極跟隨器．以提高電路的輸入阻抗：第2部分是電壓偏移電路：第3部分為箝位限幅電路，～3 V，滿足A/D輸入信號(hào)范圍。 交流電壓信號(hào)調(diào)理電路，該電路采用了運(yùn)算放大器加電壓跟隨器的方式，電壓跟隨器起到了隔離作用，以便在A/D入口前進(jìn)行阻抗匹配。在A/D入口端采用二極管鉗位，防止A/D輸入電壓越界。 電流信號(hào)調(diào)理電路 抗混疊濾波測(cè)量裝置在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換之前,需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波,濾除高于二分之一采樣頻率的諧波成分,防止采樣信號(hào)的頻譜混疊。根據(jù)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14594一1993)的規(guī)定:“測(cè)量的諧波次數(shù)一般為第2到第10次”；“A級(jí)儀器頻率測(cè)量范圍為025OOHz”,本裝置所設(shè)計(jì)的濾波器以A級(jí)儀器頻率測(cè)量范圍作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。電能質(zhì)量裝置要求抗混疊低通濾波器有很好的平坦通帶幅值響應(yīng)。常用的抗混疊濾波器有巴特沃斯、貝賽爾和切比雪夫等濾波器。巴特沃斯濾波器的通頻帶幅值響應(yīng)最為平坦，但高于截止頻率的衰減度較小，且相位線性度差。貝賽爾濾波器的相位線性度最好，高于截止頻率的衰減度最小，通頻帶幅值響應(yīng)差；而切比雪夫?yàn)V波器在高于截止頻率時(shí)有著最大的衰減度，但其線性度最差，且在通帶范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。綜合各方面的因素，本設(shè)計(jì)選用巴特沃斯濾波器。為了克服巴特沃斯濾波器“高于截止頻率的衰減度差”的缺點(diǎn)，采用四階濾波器，提高衰減度。為了保證50次以內(nèi)的諧波分量不被濾掉，通帶幅值平坦范圍為02500Hz設(shè)計(jì)中取一定的余量，取通帶邊界頻率為。，減小高頻分量對(duì)FFT計(jì)算的影響。采用歸一化方法設(shè)計(jì)該低通濾波器。 濾波電路,過(guò)零檢測(cè)電路是以電壓比較器MAX474為核心的電路。電路中,Vo1是來(lái)自信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)的一相電壓信號(hào),Vo2為同相位的方波信號(hào)。該電路在輸入信號(hào)由正到負(fù)的過(guò)零時(shí),電路輸出高電平；當(dāng)輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)由負(fù)到正的過(guò)零時(shí),電路輸出低電平,實(shí)現(xiàn)將電網(wǎng)正弦信號(hào)整形成同相位的方波信號(hào)。過(guò)零檢測(cè)電路的輸出信號(hào)位5V,為了匹配AD7656和DSP的電平,信號(hào)需要一個(gè)光耦隔離作為緩沖。將過(guò)零檢測(cè)電路輸出的方波引入到DSP的eCAP模塊對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)將其引入鎖相倍頻環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)鎖相倍頻電路的觸發(fā)。 過(guò)零檢測(cè)電路 倍頻鎖相電路鎖相環(huán)電路主要由相位比較器PC、低通濾波器LPF、壓控振蕩器VCO3部分組成。本文中鎖相芯片選用CD4046芯片,它是一款通用CMOS鎖相環(huán)集成電路,具有電源電壓范同寬、輸入阻抗高、動(dòng)態(tài)功耗小等特點(diǎn)。以CD4046為核心的鎖相電路對(duì)過(guò)零檢測(cè)的輸出信號(hào)Vo2進(jìn)行自動(dòng)跟蹤,。鎖相倍頻電路中,K計(jì)數(shù)器相當(dāng)于l/K分頻器。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí),計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)的頻率(CD4040的管腳12)和鎖相環(huán)的輸入信號(hào)(CD4046的管腳3)的頻率相等,于是在計(jì)數(shù)器的輸入端(CD404O的管腳10)得到倍頻輸出信號(hào)。,將CD4040的12引腳和CD4046的鎖相環(huán)輸入端管腳3相連,形成512次倍頻電路。 倍頻鎖相電路作為整個(gè)系統(tǒng)的核心器件之一，A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的選擇是決定整個(gè)系統(tǒng)精度和性能的重要因素之一，同時(shí)在前面的介紹中我們也可以知道，并不是采樣頻率越高越好，也要從整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性方面綜合考慮。作為分辨率方面的考慮，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器件存在固有的偏移誤差、增益誤差、非線性誤差等，而且要考慮外界噪聲的干擾，整個(gè)系統(tǒng)的精度要求為177。%，16 位的 A/D 換器可以滿足整個(gè)系統(tǒng)的精度要求。另外從采樣頻率考慮，由采樣定理我們知道采樣頻率應(yīng)至少是原始信號(hào)頻譜最高頻率的 2 倍，這時(shí)才有可能從采樣信號(hào)恢復(fù)到原始信號(hào)，在具體的工程實(shí)踐時(shí)，我們將采樣頻率取為原始信號(hào)最高頻率的 5～10 倍。最后也要從采樣通路的數(shù)目上考慮，參照各種型號(hào)的 A/D 轉(zhuǎn)換器件的價(jià)格，選擇AD7656高性能六路16位A/D采集芯片。AD7656的特點(diǎn)如下：6個(gè)獨(dú)立ADC真雙極性模擬輸入引腳/軟件可選范圍:士70V、士5V高吞吐速率:250 k5P5，COMS工藝技術(shù)低功耗 740 mW