【文章內(nèi)容簡介】 量 . 在正弦波情況下，有功功率為 : cos( )P UI ?? （ ） 其中 ： U、 I電壓和電流的有效值， cos( )? 功率因數(shù)。 而在存在諧波的非正弦情況 F，有功功率定義為： 01TP uidtT? ? （ ） 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： 101 ( ) ( )NnP u n i nN??? ? （ ） 其中： P有功功率 N個周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) )(nu 、 )(ni 電壓、電流瞬時采樣值 三相總的有功功率為各單相有功功率之和 : 1 1 10 0 01 ( ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) )N N Na a b b c cn n nP u n i n u n i n u n i nN? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? （ ） 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： A A B B C CS U I U I U I? ? ? () 無功功率 為 ： 22 PSQ ?? （ ） 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( ) PS? ? （ ） 本章小結(jié) 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(jì)算公式 。 第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 電力參數(shù)綜合測試儀的總體結(jié)構(gòu) 如 圖 ： 12 T 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(zhuǎn)換 電 路通 信 電 路 圖 總體結(jié)構(gòu)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(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(jìn)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件平臺由一片 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(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(kuò)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(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 信號采集部分設(shè)計(jì) 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(zhuǎn)化成適合 DSP 采樣的電壓信號?；ジ衅鳂?gòu)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(fù)特性。此電流信號經(jīng)過電阻采樣后轉(zhuǎn)化為 ～ + 之間的電壓信號，由于所用 的 A／ D 轉(zhuǎn)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(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 ，使得偏移后的信號范圍在 0 至 + 之間。再把信號送入到 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 4 圖 電壓 采樣電路 14 頻率測量電路 由于系統(tǒng)的測量是通過對信號進(jìn)行周期采樣的方法來實(shí)現(xiàn)的，因此其準(zhǔn)確性不僅來源于采樣的準(zhǔn)確性還來源于系統(tǒng)頻率測量 的準(zhǔn)確性，因此加入測頻電路是必不可少的。測頻電路設(shè)計(jì)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(zhǔn)進(jìn)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(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，然后通過由 LM339 構(gòu)成的過零比較電路將其轉(zhuǎn)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 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì) 數(shù)字測量系統(tǒng)的測量精度與 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(zhuǎn)換器。 眾所周知， A／ D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。其中閃電式 A／ D轉(zhuǎn)換器速度最快，價格也最昂貴，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、價格低廉，但速度最慢；逐次逼近型居中，速度較快、價格適中、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參數(shù)的理論值。由于要研制的測試儀器電壓電流的測試精度預(yù)計(jì)達(dá)到 ％ RG(量程 )，所以 A／ D轉(zhuǎn)換器位數(shù)至少要達(dá)到 12位。同時，本裝置在設(shè)計(jì)中，需要在 5個周波中采樣 1024個點(diǎn)，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，除了要知道每路信號值的大小之外。還要知道信號彼此之間的相位關(guān)系，這就要求采用同步采樣技術(shù)來獲得準(zhǔn)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(zhuǎn)換開關(guān)和高速分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換囂來 15 構(gòu)成，這樣構(gòu)成硬件開銷很大，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通道能夠同時采樣，則可以省去多個采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，使設(shè)計(jì)工作大為簡化，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(zhuǎn)換。當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換時間為 ，相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集時間為 ，每個通道的總的轉(zhuǎn)換時間為 4us， A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束 信號 EOC。數(shù)字電源供電電壓為 3V～ 5V，既可以與 供電的微控制器接口，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 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，模擬信號采用差分輸入方式，要滿足雙極性輸入就需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換， 由于采樣時已經(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(zhuǎn)換結(jié)果的讀取通過地址線 A A A0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(shí)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(shí)現(xiàn)六通道的同步采樣。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 EOC通過 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。 處理器部分設(shè)計(jì) 由于本裝置在測量中，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 無法勝任的，又因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中沒有復(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就是基于這一代 CPU處理核的定點(diǎn) DSP芯片。它通過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)部總線結(jié)構(gòu)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(shè)和 DMA控制器的總線構(gòu)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。 16 的主要外設(shè) 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)外部存儲器接口 (EMIF) (2)通用異步接受／發(fā)送器 (UART) (3) 2I C控制接口 (4)主機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的串行設(shè)備的無縫連接。 DMA控制器獨(dú)立于CPU工作，為數(shù)據(jù)移動提供六個獨(dú)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(yùn)算。 (3)一個 40bit的 ALU，執(zhí)行高精度的算術(shù)邏輯運(yùn)算。 (4)一個 16bit的 ALU，與 40比特的 ALU并行運(yùn)算。 (5)一個 40bit的桶狀移位器，可以將結(jié)果左移 31bit或右移 32bit。 (6)四個 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 4K 16bit的雙訪問 RAM (9)16Kxl6bit的片內(nèi) ROM，支持多種自舉裝載模式。 (10)8M 16bit的最