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正文內(nèi)容

基于dsp的智能電力參數(shù)測(cè)試儀的研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

2024-08-15 23:05 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(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: 101 ( ) ( )NnP u n i nN??? ? ( ) 其中: P有功功率 N個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) )(nu 、 )(ni 電壓、電流瞬時(shí)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(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: A A B B C CS U I U I U I? ? ? () 無(wú)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(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) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 電力參數(shù)綜合測(cè)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(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 信號(hào)采集部分設(shè)計(jì) 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)電阻采樣后轉(zhuǎn)化為 ~ + 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 4 圖 電壓 采樣電路 14 頻率測(cè)量電路 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 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì) 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)試儀器電壓電流的測(cè)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(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) 15 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)間為 ,相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間為 ,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(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 A A A0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。 處理器部分設(shè)計(jì) 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(xiě)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(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。 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(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) 2I C控制接口 (4)主機(jī)接 口 (HPI) (5)直接存儲(chǔ)器訪問(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 4K 16bit的雙訪問(wèn) RAM (9)16Kxl6bit的片內(nèi) ROM,支持多種自舉裝載模式。 (10)8M 16bit的最
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