【文章內(nèi)容簡介】 ）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，以一個周期內(nèi)有限個采樣電壓和電流瞬時值來代替一個周期內(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個周期內(nèi)采樣點數(shù) 、 電壓、電流瞬時采樣值)(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量的電壓／電流有效值、功率等的測量原理，并給出了具體計算公式。第 3章系統(tǒng)硬件設計電力參數(shù)綜合測試儀的總體結構如圖 所示：12T M S 3 2 0 V C 5 5 0 2處理器顯示和鍵盤電路存儲電路信號采集和轉換電路通信電路 圖 總體結構圖整個系統(tǒng)分為兩大部分：數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示與存儲系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要負責從電網(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)顯示與存儲系統(tǒng)主要完成測量數(shù)據(jù)的顯示、存儲工作。兩部分之間通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是整個測試裝置設計中最為重要的一部分，儀器的絕大部分測試功能都依靠這一部分來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件平臺由一片DSP(TMS320VC5502)，結合眾多的外圍接口芯片組成的，它主要有以下幾個模塊組成：處理器模塊：由DSP芯片TMS320VC5502及相應的外圍電路組成，主要用來控制數(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，主要完成信號的變換和調(diào)理。 模數(shù)轉換模塊：由A/D轉換芯片ADS8364組成，該模塊主要用于實時采集電網(wǎng)參數(shù)。存儲器模塊：由SDRAM芯片HY57v6432200CT和FLASH芯片39VF400A組成。該模塊主要用于擴展外部存儲器，存放程序代碼和數(shù)據(jù)。RS232通訊模塊：由電平轉換芯片以及相應的外圍電路組成。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。鍵盤和顯示電路:是人工干預系統(tǒng)的主要手段，與顯示器同屬人機通信部分。13 電壓和電流的檢測與調(diào)理電路電壓和電流的檢測與調(diào)理電路的主要功能是把互感器輸出的 mA 級弱電流信號轉化成適合 DSP 采樣的電壓信號。互感器構成了信號檢測部分，電壓單元為電壓互感器 PT，電流單元為電流互感器 CT，具體電路如圖 和圖 所示。下面說明電流采樣電路，電壓采樣電路和電流采樣電路類似，在這里就不多做說明了。由電流互感器副邊輸出的是交流信號，存在正負特性。此電流信號經(jīng)過電～+ 之間的電壓信號，由于所用的 A／D 轉換器是單極性的，而電流檢測信號是雙極性的，故交流模擬量信號在經(jīng)過電流、電壓轉換后，還要進行電平轉換， A／D 轉換器的參考電壓為+，因此偏移電壓取，使得偏移后的信號范圍在 0 至+ 之間。再把信號送入到 A／D 轉換口。 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)的測量是通過對信號進行周期采樣的方法來實現(xiàn)的，因此其準確性不僅來源于采樣的準確性還來源于系統(tǒng)頻率測量的準確性，因此加入測頻電路是必不可少的。測頻電路設計如圖 所示：選擇三相電壓電流 6 路信號的其中一路作為基準進行跟蹤，這里選擇 1 路電壓信號，該電壓信號首先經(jīng)過前端由 LM324 構成的射極跟隨器，射極跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，然后通過由 LM339 構成的過零比較電路將其轉換成與電壓信號頻率相同的方波信號以采集頻率信息。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 頻率測量電路數(shù)字測量系統(tǒng)的測量精度與A／D轉換器的性能參數(shù)有很大關系，A／D轉換器是整個數(shù)字電路的核心器件，在整個電氣測量系統(tǒng)中占有重要地位，因此必須首先合理地選擇A／D轉換器。眾所周知，A／D轉換器的種類繁多，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轉換器。其中閃電式A／D轉換器速度最快，價格也最昂貴，但閃電式AD轉換器通常準確度、分辨率不高，不宜用在高準確度采樣系統(tǒng)；雙斜積分型準確度高、價格低廉，但速度最慢；逐次逼近型居中，速度較快、價格適中、準確度較高，它的優(yōu)點是能保證高分辨率、高速轉換。這得益于其結構設計。根據(jù)上述分析，在此選用逐次逼近型A/D轉換器。而選擇AD轉換器需要先確定AD轉換器位數(shù)及信號的采樣頻率，所以在設計硬件電路之前需要確定這兩個參數(shù)的理論值。由于要研制的測試儀器電壓電流％RG(量程)，所以A／D轉換器位數(shù)至少要達到12位。同時，本裝置在設計中，需要在5個周波中采樣1024個點，采樣頻率需要大于10500Hz。我們要檢測的信號包括三相電壓、三相電流共6路，在監(jiān)測中，除了要知道15每路信號值的大小之外。還要知道信號彼此之間的相位關系，這就要求采用同步采樣技術來獲得準確的信息。同步采樣也是信號頻譜分析的前提條件。同步采樣模塊一般采用多個采樣保持器、多路轉換開關和高速分辨率的模擬數(shù)字轉換囂來構成，這樣構成硬件開銷很大，實現(xiàn)復雜，且同步效果不一定理想，如果能找到合適的A／D轉換芯片，具有6通道，且6通道能夠同時采樣，則可以省去多個采樣保持器、多路轉換開關，使設計工作大為簡化，且使準確度得到保證。綜合以上因素考慮，我們選擇了非常適合本系統(tǒng)設計要求的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公司專為同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計的高速、低功耗A／D轉換芯片。ADS8364有6個模擬輸入通道，分為A、B、C三組，每組包括2個通道，分別由HOLDA、HOLDB和HOLDC啟動A／D轉換。當三個保持信號同時被選通時，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的時鐘信號由外部提供，轉換時間為20個時鐘周期，最高頻率為5MHz，在5MHz的時鐘頻率下ADS8364轉換時，每個通道的總的轉換時間為4us，A/D轉換完成后產(chǎn)生轉換結束信號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轉換結果為16位，數(shù)據(jù)輸出方式很靈活，分別由BYTE、ADD與地址線A2A1A0的組合控制。A／D轉換結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轉換結果。在本系統(tǒng)中，模擬信號采用差分輸入方式，要滿足雙極性輸入就需要進行電平轉換，由于采樣時已經(jīng)進行了電平轉換。所以可以直接輸入到AD轉換器轉換。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，實現(xiàn)芯片間的無縫連接。ADS8364的BYTE和ADD引腳都接地，因此選擇16位數(shù)據(jù)輸出方式，并且對每個通道轉換結果的讀取通過地址線AAA0來選擇。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)。為了實現(xiàn)ADS8364六個通道的同步采樣，ADS8364的A、B、C三組啟動控制信號HOLDA、HOLDB和HOLDC接在一起，由TMS320VC5502的定時器O的輸出信號統(tǒng)一控制，只要定時時間到就可以同時啟動ADS8364的六個通道，從而實現(xiàn)六通道的同步采樣。轉換結束信號EOC通過FPGA引入TMS320VC5502的中斷引腳INT0上，每一次轉換完后就引發(fā)TMS320VC5502中斷，VC5502在中斷服務程序中讀取16位轉換結果。 由于本裝置在測量中，大量使用乘法累加運算，如有效值運算、功率計算、FFT變換等，選用一般的51系列單片機是無法勝任的，又因為本系統(tǒng)中沒有復雜的控制功能，因而選用了適合于高速數(shù)據(jù)運算的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DSP芯片，TMS320VC5502就是基于16這一代CPU處理核的定點DSP芯片。它通過提高并行性及降低片內(nèi)資源的功耗達到高性能低功耗的目的。CPU的內(nèi)部總線結構由一條程序總線，三條數(shù)據(jù)讀總線，兩條數(shù)據(jù)寫總線及用于外設和DMA控制器的總線構成。這些總線使得C55x能在一個時鐘內(nèi)完成三次數(shù)據(jù)讀操作和兩次數(shù)據(jù)寫操作。TMS320VC5502內(nèi)部集成了許多外圍設備，以便于控制與片外的存儲器、協(xié)處理器、主機及串行設備的通信。其主要外設包括：(1)外部存儲器接口(EMIF)(2)通用異步接受／發(fā)送器(UART)(3) C控制接口2I(4)主機接口(HPI)(5)直接存儲器訪問(DMA)控制器(6)三個全雙工的多通道緩沖串口(MCBSP)(7)四個定時器(8)片內(nèi)可編程鎖相環(huán)（PLL）時鐘發(fā)生電路(9)多個通用FO引腳和一個輸出引腳XF其中EMIF支持對異步存儲器，如EZPROM，SRAM，及高速同步存儲器SDRAM的無縫連接。MCBSP支持對一系列工業(yè)標準的串行設備的無縫連接。DMA控制器獨立于CPU工作，為數(shù)據(jù)移動提供六個獨立的通道。HPI是一個8／16位的并行接口，可訪問C5502內(nèi)部存儲器的32K字，HPI支持對一系列主處理器的無縫連接。 TMS320VC5502的主要特性TMS320VC5502芯片的主要特性如下．(1)200／300M HZ的時鐘周期，每個周期可以執(zhí)行一條或兩條指令。(2)兩個MAC單元，一個時鐘周期可執(zhí)行兩次乘累加運算。(3)一個40bit的ALU，執(zhí)行高精度的算術邏輯運算。(4)一個16bit的ALU，與40比特的ALU并行運算。(5)一個40bit的桶狀移位器，可以將結果左移31bit或右移32bit。(6)四個40bit的累加器，保留計算的結果。(7)16K字節(jié)的指令緩沖區(qū)。(8)32Kxl6bit的片內(nèi)RAM，分為8塊4K16bit的雙訪問RAM(9)16Kxl6bit的片內(nèi)ROM，支持多種自舉裝載模式。(10)8M16bit的最大可訪問外部存儲空間。(11)32 bit的外部并行總線存儲器，支持外部存儲器接口。(12)可編程的省電模式，各個模塊可獨立編程。(13)／0電壓。17在進行DSP系統(tǒng)設計時外部存儲器接口的設計很重要，它關系到整個系統(tǒng)資源的空間分配。本系統(tǒng)擴展的外部存儲器包括SDROM和FLASH。EMIF(External Memory Interface)是外部存儲器和TMS320VC5502片內(nèi)其他單元間的接口，CPU訪