【文章內容簡介】 號所含頻率成分的相對比例或者濾除某些頻率成分的器件，是用有限精度算法實現的離散時間線性非時變系統(tǒng)，其輸入是一組(由模擬信號取樣和量化的)數字量，其輸出是經過變換(或說處理)的另一組數字量。因此，數字濾波的概念和模擬濾波相同，只是信號的形式和實現濾波方法不同。正因為有該不同點，與模擬濾波器相比，數字濾波器具有穩(wěn)定性好、精度高、靈活性大等優(yōu)點，其一般可以滿足濾波器對幅度和相位特性的嚴格要求，可以避免模擬濾波器所無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題，同時還可以通過修改參數而靈活地改變?yōu)V波效果。這些優(yōu)點使數字濾波特別適用于現場情況復雜、存在大量干擾信號的電力系統(tǒng)中的測控設備。數字濾波器的選擇[12]數字濾波器的實現可以有兩種選擇：無限長單位脈沖響應濾波器(IIR)和有限長單位脈沖響應濾波器(FIR)。IIR濾波器系統(tǒng)函數的極點可位于單位圓內任何地方，因此可用較低的階數獲得較高的選擇性，所用的存貯單元少，經濟而效率高。但這是以相位的非線性為代價的，選擇性越好，則相位非線性越嚴重。要實現IIR濾波器的線性相位，必須加全通網絡進行校正，這又會大大增加濾波器的階數。IIR濾波器的另一個缺點是必須采用遞歸結構，極點必須在Z平面的單位圓內才能穩(wěn)定，運算中的四舍五入可能會引起這種結構的寄生振蕩。而FIR濾波器在這兩點則優(yōu)越得多，FIR濾波器主要采用非遞歸結構，可以保證絕對的穩(wěn)定，定點制有限字長效應造成的誤差也較小。且FIR濾波器可采用FFT算法，在相同階數下，運算速度可以快得多。FIR濾波器還易實現線性相位，且允許設計多通帶(或多阻帶)濾波器。所以本裝置采用FIR濾波器進行數字低通濾波模塊的設計。FIR濾波器的設計主要有三種方法：窗函數法、頻率抽樣法和切比雪夫逼近法。這三種方法都有其優(yōu)缺點，一般應用較多的是第一種和第三種。這是因為窗函數法比較簡單，可應用現成的窗函數公式，在技術指標要求不高時比較方便靈活。由于電力信號的特點，我們并不要求嚴格控制帶通、阻帶的截止頻率，所以本裝置選擇了簡單、有閉合公式可循的窗函數法進行FIR濾波器設計。數字濾波器的實現 結合FIR 設計原理，通過分析可知，實現FIR濾波器的過程如下[1314] （1）根據濾波要求，依據公式和 算出凱澤窗的N和β值。 （2）利用待求濾波器的理想頻率響應求出濾波系。一般可利用MATLAB的firl命令來進行計算。（3）將設計好的N個存入相應的存儲區(qū)。（4）從ADC的輸出端讀取某一時刻的采樣值x(n)，并存入相應的寄存器。（5）重復N此循環(huán)讀取h(n)的值進行卷積運算求得Y(n)：根據要求，應濾除31次以上諧波，則截此頻率，取截止頻率，確定帶通波紋Rp時，考慮到測量方法誤差主要是數字低通濾波器的通帶誤差，為方便系統(tǒng)誤差分析，取測量方法誤差是0．02％，其通帶內的準確度應為帶通波紋Rp≤O．0002，帶阻衰減As=82dB。所用窗函數為凱澤窗。根據公式可得N=53和β=。F2812芯片包含一個典型的單周期16位16位乘/加命令DMAC，利用這條命令可使用輔助存儲器XAR7間接存儲器尋址可以訪問整個4M16程序空間(Ox0000 0000～0x3FFF FFFF)整個濾波器的程序的核心指令有兩條：RPT N1 其中指令RPT N1使整個乘加過程執(zhí)N次(N為濾波器長度，本裝置中N=53)。指令用來完成下列操作：(1) 用 (程序地址)存儲濾波器系數h(0)h()h()h()……h(huán)(52)。(2)將待濾波的采樣值存入；(3)將中的數據與中的據相乘，(4)將指定的數據存儲器地址中的內容復制到下一高地址數據存儲器指向下一個濾波器系數。程序源代碼見附錄程序二 FFT程序設計模塊FFT是數字信號處理中的重要工具。在進行FFT時，需要解決的兩個主要問題是反序和蝶形算法。反序是按碼位倒置的原理來實現的，它是進行蝶形運算的先決條件，而蝶形算法是FFT的關鍵[1516]。TMS320F2812的指令集中可以進行位反轉變址尋址對基于FFT程序中的數據進行重排序。當選擇該尋址方式時，在ARAU中進位傳送方向被反轉，且當前AR加上或減去ARO內容。這種尋址方式的典型應用需先將ARO設為陣列大小的一半，且將當前AR值為數據的基地址。具體實現如下程序。在本裝置中，直接采用了TI公司基于F2812的標準FFT程序，只要把它的端口做了一些改動即可。：開始定義計算參量設置循環(huán)標志計算第一級旋轉因子進行蝶形運算內存初始化計算該級FFT子程序結束N=128?I=7?NNYY源程序代碼見附錄程序三 電壓電流測量模塊 電壓的測量過程比較簡單，首先通過ADC采樣對送到A/D口的模擬信號進行轉換，通過濾波后用公式對轉換后的信號進行運算，再通過進制轉換，轉換成十進制，最后送到液晶顯示器顯示。：開始電壓有效值計算結果轉換傳送數據至PC顯示程序初始化YN數據采集是否結束電流的測量與電壓測量類似這里不多做介紹。本設計主要利用EVA中的2個通用定時器(T1和T2)，2個捕獲單元(CAP1和CAP3)，EVB中的1個通用定時器 (T3)。：TCAP1t1＿2CAP1CAP3t2＿1t2＿2T3預置閥門時間實際閥門時間T1PWMT1被測頻率信號T2標準頻率信號頻率測量軟件實現：程序先調用各模塊的初始化子程序，主要包括GPIO初始化、PIE初始化、EV初始化和SCI初始化。系統(tǒng)初始化完成之后，主程序啟動CPU_Timer0，使能 TT2的上溢中斷，啟動CAPl，設置T1的比較值為1，等待T1CINT置位，開始測量頻率。為減小測量過程中產生的隨機誤差，所測結果均取平均值。利用CPU_Timer0產生一定的時間段(O．6s)。該時段結束后(CPU_Timer0中斷標志位置位)，即對該段時間段內記錄的測量結果求均值。此時，如果查詢到上位機發(fā)出接收請求，則傳送相應數據至PC顯示。然后，重新初始化定時器和捕獲單元，進入下一輪測量。：開 始啟動CAP＿timer0、CAPTI、T2寫0給GPIOA 0口停止TT2停止CAPCAP3，計算頻率讀CAP1棧值清TT2上溢次數啟動TCAP3系統(tǒng)初始化TICINT=1?？T3CNT=1?PDPINTA=1?讀CAPCAP3棧值讀TT2上溢次數CPU＿timer0中斷標志位=1？RXFFIFINT=1?進行下一次測量清CPU＿timer0中斷標志求取頻率的平均值傳送數據至PC顯示重新初始化定時器和捕獲NYNYYNNNYY在本設計中，利用DSP的定時器2啟動A／D轉換，當每一路數據采集結束后產生一個結束信號，利用中斷方式讀取數據，將數據逐點轉移到內存緩沖區(qū)。為了提高數據精度，可以采用多次采集然后取平均值的方式。最后通過數字濾波器處理后計算所需要的電量。采用過零點檢測法，通過電流互感器和電壓互感器將同一相的電流和電壓轉換成小電流和小電壓，再別進入2個比較器轉化為一定幅值的方波，矩形脈沖的上升沿僅僅決定于輸入信號由負變正的這一過零點時間，從而避免了由于輸入信號的畸變帶來的誤差，輸出的脈沖信號經過光耦隔離后加到DSP的2個捕捉器CAP1和CAP2上。捕捉上升沿的時間T1和T2，CAP1和CAP2由定時器2提供時基。假設相電流過零點的時間為 ，相電壓過零點的時間為T2，當T1T2時，說明相電流滯后相電壓，所測量的系統(tǒng)是感性的負載；當T2T1時，說明相電壓滯后相電流，所測量的系統(tǒng)是容性的負載。我國的電網為工頻50Hz(對應的周期為20 000μs)，而一個周期對應的電角度為360o。所以當T1和T2的時間差△t被確定后，功率因數角φ便可以計算出來由推出功率因數開始啟動CPU＿timer0CAPCAP2捕獲TT2上升沿時間停止CPU＿timer0CAPCAP2計算功率因數傳數據到PC顯示系統(tǒng)初始化初始化YNCPU＿timer0中斷標志位=1？清CPU＿timer0中斷標志求功率因數的平均值重新初始化定時器和捕獲進行下一次測量本裝置的RS232接口通信由F2812的SCI接口模塊實現。SCI模塊的接收器和發(fā)送器都是雙緩沖的，每一個都有獨立的使能和中斷標志位。兩者可以單獨使用，也可以在全雙工方式下同時工作。收發(fā)器是MAX3160型收發(fā)器，通過硬件設置，使它工作在RS485狀態(tài)。TMS320F2812串行通信軟件可采用查詢和中斷兩種方式。本裝置中，數據發(fā)送與接收均采用中斷方式。F2812的SCI初始化包括以下幾個部分：SCI引腳配置為通用GPIO，時鐘模式選定；波特率選定；發(fā)送接受數據長度選擇：內部時鐘使能。所有設置都是通過SCI寄存器來實現的。：程序初始化開中斷中斷向SCITXBUF送數據發(fā)送是否完成SCICTL2TXRDY=1?YN數據接收流程于此類似這里不作詳細說明液晶顯示是通過DSP的SPI口來進行通訊的，來顯示漢字與字符都以圖形圖形方式顯示。系統(tǒng)顯示漢字時，首先完成初始化工作。本裝置采用的VPG240128TASC圖形液晶顯示模塊本身自帶T6963C控制芯片，初始化設置一般都由管腳設置來完成，因此，其指令系統(tǒng)主要集中于顯示功能的設置。但必須對LCD顯示屏進行初始化。：結束關顯示選擇圖形工作方式設置圖形區(qū)首地址和寬度開顯示本裝置采用的12864液晶屏每屏可顯示4行8列漢字。漢字字庫放在外部ROM中。通過數據總線可直接訪問外部字庫，以讀取某個漢字的顯示碼。并將顯示碼寫入液晶控制器T6963C中顯示RAM區(qū)的指定地址，便可在液晶屏上的相應位置顯示出來。：就算漢字字庫字模首地址計算圖形顯示區(qū)首地址計算圖形