【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ）cos()PUI??其中： U、I電壓和電流的有效值，功率因數(shù)。cos()?而在存在諧波的非正弦情況F，有功功率定義為： （）01TPuidt??11經(jīng)離散化后，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓和電流瞬時(shí)值來(lái)代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓和電流函數(shù)值，則單相有功功率離散化后得： （）10()NnPui???其中：P有功功率N個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) 、 電壓、電流瞬時(shí)采樣值)(nui三相總的有功功率為各單相有功功率之和: （）111000()(()()NNNabnnPuiuiui????????單相視在功率的測(cè)量： （）IUS?其中：U、I電壓、電流有效值視在功率為各單相視在功率之和： ()ABCII??無(wú)功功率為： （）2PSQ?根據(jù)已經(jīng)所得的有功功率和視在功率，可得功率因數(shù)： （）cos()S??本章主要從理論上分析了本裝置所需測(cè)量的電壓／電流有效值、功率等的測(cè)量原理，并給出了具體計(jì)算公式。第 3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電力參數(shù)綜合測(cè)試儀的總體結(jié)構(gòu)如圖 所示：12T M S 3 2 0 V C 5 5 0 2處理器顯示和鍵盤(pán)電路存儲(chǔ)電路信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換電路通信電路 圖 總體結(jié)構(gòu)圖整個(gè)系統(tǒng)分為兩大部分：數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)從電網(wǎng)中采集各種數(shù)據(jù)，完成各種數(shù)據(jù)處理工作。數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)系統(tǒng)主要完成測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)工作。兩部分之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)中最為重要的一部分，儀器的絕大部分測(cè)試功能都依靠這一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由一片DSP(TMS320VC5502)，結(jié)合眾多的外圍接口芯片組成的，它主要有以下幾個(gè)模塊組成：處理器模塊：由DSP芯片TMS320VC5502及相應(yīng)的外圍電路組成，主要用來(lái)控制數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)處理工作。信號(hào)調(diào)理模塊：由電壓電流互感器、濾波電路、換檔電路等組成，主要完成信號(hào)的變換和調(diào)理。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：由A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364組成，該模塊主要用于實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)參數(shù)。存儲(chǔ)器模塊：由SDRAM芯片HY57v6432200CT和FLASH芯片39VF400A組成。該模塊主要用于擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，存放程序代碼和數(shù)據(jù)。RS232通訊模塊：由電平轉(zhuǎn)換芯片以及相應(yīng)的外圍電路組成。該模塊主要用于數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的通訊。鍵盤(pán)和顯示電路:是人工干預(yù)系統(tǒng)的主要手段，與顯示器同屬人機(jī)通信部分。13 電壓和電流的檢測(cè)與調(diào)理電路電壓和電流的檢測(cè)與調(diào)理電路的主要功能是把互感器輸出的 mA 級(jí)弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成適合 DSP 采樣的電壓信號(hào)?；ジ衅鳂?gòu)成了信號(hào)檢測(cè)部分，電壓?jiǎn)卧獮殡妷夯ジ衅?PT，電流單元為電流互感器 CT，具體電路如圖 和圖 所示。下面說(shuō)明電流采樣電路，電壓采樣電路和電流采樣電路類(lèi)似，在這里就不多做說(shuō)明了。由電流互感器副邊輸出的是交流信號(hào)，存在正負(fù)特性。此電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電～+ 之間的電壓信號(hào)，由于所用的 A／D 轉(zhuǎn)換器是單極性的，而電流檢測(cè)信號(hào)是雙極性的，故交流模擬量信號(hào)在經(jīng)過(guò)電流、電壓轉(zhuǎn)換后，還要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換， A／D 轉(zhuǎn)換器的參考電壓為+，因此偏移電壓取，使得偏移后的信號(hào)范圍在 0 至+ 之間。再把信號(hào)送入到 A／D 轉(zhuǎn)換口。 R 1R 2R 3R 4R 5R 6R 7R 8R P 1++L M 3 2 4+ 5 V 5 VL M 3 2 4+ 5 V 5 V 1 . 6 5 V圖 電流采樣電路R 3 0R 3 1R 3 2R 3 3R 3 4R 3 5R 3 6++L M 3 2 4+ 5 V 5 VL M 3 2 4+ 5 V 5 V 1 . 6 5 VP T1 : 1R P 414圖 電壓采樣電路由于系統(tǒng)的測(cè)量是通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行周期采樣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此其準(zhǔn)確性不僅來(lái)源于采樣的準(zhǔn)確性還來(lái)源于系統(tǒng)頻率測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此加入測(cè)頻電路是必不可少的。測(cè)頻電路設(shè)計(jì)如圖 所示：選擇三相電壓電流 6 路信號(hào)的其中一路作為基準(zhǔn)進(jìn)行跟蹤，這里選擇 1 路電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前端由 LM324 構(gòu)成的射極跟隨器，射極跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，然后通過(guò)由 LM339 構(gòu)成的過(guò)零比較電路將其轉(zhuǎn)換成與電壓信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)以采集頻率信息。R 6 0R 6 1R 6 3++L M 3 2 4+ 5 V 5 VL M 3 3 9+ 5 V 5 VR 6 2R 6 4R 6 5C A P 4D 1 3圖 頻率測(cè)量電路數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度與A／D轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)有很大關(guān)系，A／D轉(zhuǎn)換器是整個(gè)數(shù)字電路的核心器件，在整個(gè)電氣測(cè)量系統(tǒng)中占有重要地位，因此必須首先合理地選擇A／D轉(zhuǎn)換器。眾所周知，A／D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)繁多，性能各異，主要包括以下幾種：雙斜積分型、逐次逼近型和閃電式A／D轉(zhuǎn)換器。其中閃電式A／D轉(zhuǎn)換器速度最快，價(jià)格也最昂貴，但閃電式AD轉(zhuǎn)換器通常準(zhǔn)確度、分辨率不高，不宜用在高準(zhǔn)確度采樣系統(tǒng)；雙斜積分型準(zhǔn)確度高、價(jià)格低廉，但速度最慢；逐次逼近型居中，速度較快、價(jià)格適中、準(zhǔn)確度較高，它的優(yōu)點(diǎn)是能保證高分辨率、高速轉(zhuǎn)換。這得益于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)上述分析，在此選用逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。而選擇AD轉(zhuǎn)換器需要先確定AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)及信號(hào)的采樣頻率，所以在設(shè)計(jì)硬件電路之前需要確定這兩個(gè)參數(shù)的理論值。由于要研制的測(cè)試儀器電壓電流％RG(量程)，所以A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)至少要達(dá)到12位。同時(shí)，本裝置在設(shè)計(jì)中，需要在5個(gè)周波中采樣1024個(gè)點(diǎn)，采樣頻率需要大于10500Hz。我們要檢測(cè)的信號(hào)包括三相電壓、三相電流共6路，在監(jiān)測(cè)中，除了要知道15每路信號(hào)值的大小之外。還要知道信號(hào)彼此之間的相位關(guān)系，這就要求采用同步采樣技術(shù)來(lái)獲得準(zhǔn)確的信息。同步采樣也是信號(hào)頻譜分析的前提條件。同步采樣模塊一般采用多個(gè)采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和高速分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換囂來(lái)構(gòu)成，這樣構(gòu)成硬件開(kāi)銷(xiāo)很大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且同步效果不一定理想，如果能找到合適的A／D轉(zhuǎn)換芯片，具有6通道，且6通道能夠同時(shí)采樣，則可以省去多個(gè)采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，使設(shè)計(jì)工作大為簡(jiǎn)化，且使準(zhǔn)確度得到保證。綜合以上因素考慮，我們選擇了非常適合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的ADS8364數(shù)據(jù)采集芯片。ADS8364為250kHz、6通道同步采樣的16位逐次逼近ADC，是TI公司專(zhuān)為同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高速、低功耗A／D轉(zhuǎn)換芯片。ADS8364有6個(gè)模擬輸入通道，分為A、B、C三組，每組包括2個(gè)通道，分別由HOLDA、HOLDB和HOLDC啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。當(dāng)三個(gè)保持信號(hào)同時(shí)被選通時(shí)，六通道同步采樣。模擬電源為單+5V供電，將ADS8364的REFin和REFout引腳接到一起可以輸出+2．5V的參考電壓提供給差分電路。ADS8364的時(shí)鐘信號(hào)由外部提供，轉(zhuǎn)換時(shí)間為20個(gè)時(shí)鐘周期，最高頻率為5MHz，在5MHz的時(shí)鐘頻率下ADS8364轉(zhuǎn)換時(shí)，每個(gè)通道的總的轉(zhuǎn)換時(shí)間為4us，A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC。數(shù)字電源供電電壓為3V～5V，既可，也可以與5V供電的微控制器接口。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果為16位，數(shù)據(jù)輸出方式很靈活，分別由BYTE、ADD與地址線(xiàn)A2A1A0的組合控制。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取方式有三種：直接讀取、循環(huán)讀取和FIFO方式。根據(jù)BYTE為0或者為1可確定每次讀取時(shí)得到的數(shù)據(jù)位數(shù)，根據(jù)ADD為O或者為1可確定第一次讀取的是通道地址信息還是通道A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果。在本系統(tǒng)中，模擬信號(hào)采用差分輸入方式，要滿(mǎn)足雙極性輸入就需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，由于采樣時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了電平轉(zhuǎn)換。所以可以直接輸入到AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。由于ADS8364與TMS320VC5502都是，TI公司提供的高速芯片，兩者在速度上能夠完全匹配，實(shí)現(xiàn)芯片間的無(wú)縫連接。ADS8364的BYTE和ADD引腳都接地，因此選擇16位數(shù)據(jù)輸出方式，并且對(duì)每個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取通過(guò)地址線(xiàn)AAA0來(lái)選擇。ADS8364的REFIN和REFOUT引腳接到一起輸出+2．5V的參考電壓。ADS8364采用+5V模擬電源(AVDD)和數(shù)字電源(DVDD)。為了實(shí)現(xiàn)ADS8364六個(gè)通道的同步采樣，ADS8364的A、B、C三組啟動(dòng)控制信號(hào)HOLDA、HOLDB和HOLDC接在一起，由TMS320VC5502的定時(shí)器O的輸出信號(hào)統(tǒng)一控制，只要定時(shí)時(shí)間到就可以同時(shí)啟動(dòng)ADS8364的六個(gè)通道，從而實(shí)現(xiàn)六通道的同步采樣。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC通過(guò)FPGA引入TMS320VC5502的中斷引腳INT0上，每一次轉(zhuǎn)換完后就引發(fā)TMS320VC5502中斷，VC5502在中斷服務(wù)程序中讀取16位轉(zhuǎn)換結(jié)果。 由于本裝置在測(cè)量中，大量使用乘法累加運(yùn)算，如有效值運(yùn)算、功率計(jì)算、FFT變換等，選用一般的51系列單片機(jī)是無(wú)法勝任的，又因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中沒(méi)有復(fù)雜的控制功能，因而選用了適合于高速數(shù)據(jù)運(yùn)算的TI公司的55xx系列DSP中的TMS320VC5502作為主處理器。TMS320VC55X是TI公司推出的新一代定點(diǎn)DSP芯片，TMS320VC5502就是基于16這一代CPU處理核的定點(diǎn)DSP芯片。它通過(guò)提高并行性及降低片內(nèi)資源的功耗達(dá)到高性能低功耗的目的。CPU的內(nèi)部總線(xiàn)結(jié)構(gòu)由一條程序總線(xiàn)，三條數(shù)據(jù)讀總線(xiàn)，兩條數(shù)據(jù)寫(xiě)總線(xiàn)及用于外設(shè)和DMA控制器的總線(xiàn)構(gòu)成。這些總線(xiàn)使得C55x能在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)完成三次數(shù)據(jù)讀操作和兩次數(shù)據(jù)寫(xiě)操作。TMS320VC5502內(nèi)部集成了許多外圍設(shè)備，以便于控制與片外的存儲(chǔ)器、協(xié)處理器、主機(jī)及串行設(shè)備的通信。其主要外設(shè)包括：(1)外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)(2)通用異步接受／發(fā)送器(UART)(3) C控制接口2I(4)主機(jī)接口(HPI)(5)直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)(DMA)控制器(6)三個(gè)全雙工的多通道緩沖串口(MCBSP)(7)四個(gè)定時(shí)器(8)片內(nèi)可編程鎖相環(huán)（PLL）時(shí)鐘發(fā)生電路(9)多個(gè)通用FO引腳和一個(gè)輸出引腳XF其中EMIF支持對(duì)異步存儲(chǔ)器，如EZPROM，SRAM，及高速同步存儲(chǔ)器SDRAM的無(wú)縫連接。MCBSP支持對(duì)一系列工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行設(shè)備的無(wú)縫連接。DMA控制器獨(dú)立于CPU工作，為數(shù)據(jù)移動(dòng)提供六個(gè)獨(dú)立的通道。HPI是一個(gè)8／16位的并行接口，可訪(fǎng)問(wèn)C5502內(nèi)部存儲(chǔ)器的32K字，HPI支持對(duì)一系列主處理器的無(wú)縫連接。 TMS320VC5502的主要特性TMS320VC5502芯片的主要特性如下．(1)200／300M HZ的時(shí)鐘周期，每個(gè)周期可以執(zhí)行一條或兩條指令。(2)兩個(gè)MAC單元，一個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行兩次乘累加運(yùn)算。(3)一個(gè)40bit的ALU，執(zhí)行高精度的算術(shù)邏輯運(yùn)算。(4)一個(gè)16bit的ALU，與40比特的ALU并行運(yùn)算。(5)一個(gè)40bit的桶狀移位器，可以將結(jié)果左移31bit或右移32bit。(6)四個(gè)40bit的累加器，保留計(jì)算的結(jié)果。(7)16K字節(jié)的指令緩沖區(qū)。(8)32Kxl6bit的片內(nèi)RAM，分為8塊4K16bit的雙訪(fǎng)問(wèn)RAM(9)16Kxl6bit的片內(nèi)ROM，支持多種自舉裝載模式。(10)8M16bit的最大可訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)空間。(11)32 bit的外部并行總線(xiàn)存儲(chǔ)器，支持外部存儲(chǔ)器接口。(12)可編程的省電模式，各個(gè)模塊可獨(dú)立編程。(13)／0電壓。17在進(jìn)行DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)外部存儲(chǔ)器接口的設(shè)計(jì)很重要，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)資源的空間分配。本系統(tǒng)擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器包括SDROM和FLASH。EMIF(External Memory Interface)是外部存儲(chǔ)器和TMS320VC5502片內(nèi)其他單元間的接口，CPU訪(fǎng)