【導讀】研發(fā)功能強大的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，使之能詳細記錄電力。有著重要的意義。一種電能質(zhì)量檢測裝置，并為其設計了軟件程序。系統(tǒng)的硬件設計采用了模塊化設計思想，主要包括模擬部分和。交流信號的同步采樣通過鎖相倍頻電路來實現(xiàn)。統(tǒng)的初始化、所測指標的軟件實現(xiàn)以及LCD液晶屏輸出界面的設計等。

　　

【正文】 供了方便，例如在將來系統(tǒng)中可以引入 其他 算法進行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對瞬態(tài)電能質(zhì)量的分析。 程序流程圖 主程序設計 系統(tǒng)的主程序主要完成系統(tǒng)初始化、鍵盤查詢等功能。程序設計流程圖如圖 41 所示。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 23 系 統(tǒng) 初 始 化開 總 中 斷有 鍵 按 下 ？采 集 完 畢 ？否數(shù) 據(jù) 采 集否數(shù) 據(jù) 處 理是按 鍵 散 轉(zhuǎn)是顯 示主 程 序 開 始 圖 41 主程序流程圖 主程序中系統(tǒng)初始化函數(shù)包括液晶模塊初始化，定時器 A 初始化，ADC12 初始化，鍵盤 I/O 口初始化等。采集完成判斷采用 Pflag 全局標志變量， Pflag 置 1，表示 64 點已經(jīng) 采集完畢，否則繼續(xù)采集。按鍵散轉(zhuǎn)利用switchcase 語句實現(xiàn)，用來切換顯示界面。 數(shù)據(jù)采集程序設計 數(shù)據(jù)采集單元的功能是通過 MSP430 單片機內(nèi)部自帶的 AD 來實現(xiàn)的，極大的簡化了外部硬件電路的設計 ，進而也減少了經(jīng)濟支出 。 數(shù)據(jù)采集部分，利用 外部硬件電路，產(chǎn)生與交流信號同步的方波信號，再經(jīng)過鎖相倍頻電路將此方波 64 倍頻，得到一系列脈沖信號，利用TimerA 捕獲脈沖信號的上升沿， 同時 觸發(fā) AD 采樣。當采樣轉(zhuǎn)換完一組值后產(chǎn)生中斷，將采樣值從 AD 相應寄存器 ADC12MEMx 中取出放入指定的數(shù)組中。數(shù)據(jù)采樣流程圖 如圖 42 所示。 進入定時器 A 中斷后，首先判斷是否已經(jīng)采集轉(zhuǎn)換 64 個點，如沒有繼續(xù)采集，同時記錄兩個上升沿之間脈沖寬度，為后面計算頻率做準備，否則計數(shù)器 Count 復位，轉(zhuǎn)換完成標志置位。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 24 定 時 器 A 中斷 入 口C o u n t 6 3 ?記 錄 脈 沖 寬 度啟 動 A D 轉(zhuǎn) 換存 儲 轉(zhuǎn) 換 數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn) 換 完 成 中 斷 標 志 置 位 ？否中 斷 退 出C o u n t = 0P f l a g = 1否是是 圖 42 數(shù)據(jù)采樣流程圖 鍵盤 掃描 程序設計 按鍵接口方式采用獨立式接法，利用查詢方式實現(xiàn)按鍵掃描，簡單方便。如圖 43 所示，為鍵盤掃描流程 圖。 按 鍵 檢 測 函數(shù) 入 口a c t i v e = 1 ？有 鍵 按 下 ？否存 儲 鍵 值是延 時還 是 那 個 鍵 ？a c t i v e = 0等 待 松 開是結(jié) 束 返 回 鍵值a c t i v e = 1是否否 圖 43 鍵盤掃描流程圖 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 25 FFT 算法子函數(shù)設計 FFT 算 法是該設計中的核心。 MSP430F449 內(nèi)部集成一個 16 位的硬件乘法器，大大加強了芯片的運算能力，為在該芯片上進行 FFT 運算提供了可行性。 本設計中，我們采用常用的按時間抽選的基 2FFT 算法 (DIT)，并使其輸入位倒序，輸出為自然順序。這樣 FFT 程序主要包含了兩大部分，一是變址運算，二是 L 級遞推運算 (本設計中 N=64， L=6，其中 N 為采樣點數(shù)，且有關系式 2LN? )。 倒序的思想如下圖 44 所示。 5 4 3 2 1 0 圖 44 倒序示意圖 倒序后的數(shù)據(jù)存放在圖 44 箭頭所對應的內(nèi)存空間中去。 這樣節(jié)省了內(nèi)存空間，提高了內(nèi)存的利用效率。 實現(xiàn)倒位序后，按時間抽選的 64 點基 2FFT 流程圖 如下圖 45 所示。圖中 ,ijr 分別是級號，蝶群號，運算蝶數(shù)。從圖中可以看到， 64 點 FFT整個 2( log 6)L L N??級遞推過程由三個嵌套的循環(huán)組成：最外層的一個循環(huán)控制級 i 的運算；內(nèi)層的兩個循環(huán)控制同一級各蝶形 (jr和 )的運算，其中內(nèi)一層循環(huán) 控制同一種運算 蝶 ()r 的運算， 而中間一層循環(huán)控制不同種碟群()j 的運算。其中： 2log ( )LN? 級 數(shù)、 11 2 ( )im ?? 運 算 蝶 數(shù)， 622im ?? (蝶群數(shù) )、 3 *2* 1m j m? (蝶群地址 )。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 26 開 始輸 入 數(shù) 據(jù) 倒 位設 置 級 數(shù) i ,蝶 群 號j ,運 算 蝶 個 數(shù) rm 1 = 2 的 次 方m 2 = N / ( m 1 * 2 )m 3 = 2 * j * m 1蝶 形 運 算r = r + 1r m 1 ?j = j + 1j m 2 ?i = i + 1i = 6 ?結(jié) 束是否是否是否 圖 45 FFT算法流程圖 LCD 顯示子函數(shù)設計 考慮到充分利用 MSP430F449 的內(nèi)部資源及顯示的需求，我們采用12864 點陣的 LCD 屏作為顯示模塊。該模塊驅(qū)動芯片采用 ST7920，能夠顯示 4 行漢 字 ，每行 16 個字。 對于它的編程參考 12864LCD 器件手冊，此處不再介紹。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 27 本章小結(jié) 本章我們主要介紹了上位機軟件的設計過程。由于芯片內(nèi)置了 JTAG接口，非常利于程序的編寫與調(diào)試。 本章包括兩個小節(jié)。第一小節(jié)主要從整體 介紹了軟件的設計原則，為軟件的設計提供理論指導。第二小節(jié)詳細介紹了軟件各個模塊的設計思路與流程，經(jīng)過 燒入單片機實際運行，基本達到了我們 本次設計 的目的。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 28 第 5章 調(diào)試及運行結(jié)果 在完成系統(tǒng)硬件與軟件設計的基礎上，進行了系統(tǒng)的調(diào)試。主要包括硬件電路的測試和系統(tǒng)的在線運行電能質(zhì)量參數(shù)的測試。 硬件電路的調(diào)試 硬件電路板的測試主要包括電壓、電流互感器的傳輸特性的測試，信號調(diào)理部分電路的測試以及鎖相倍頻電路的測試。 實驗環(huán)境 :采用實驗室內(nèi)部的電網(wǎng)線路，負載主要為一臺東明 MD2100型快速制版機。 實驗條件 :普源精電的兩通道 DS5102MA 型數(shù)字存儲示波器 。 (1) 電壓電流信號的測試 圖 51 為電壓通道經(jīng)過調(diào)理后的波形，圖 52 為電流通道經(jīng)過調(diào)理后的波形。 圖 51 電壓通道調(diào)理后波形 圖 52 電流通道調(diào)理后波形 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 29 通過測量得到電壓通道峰值電壓是 左右，谷值為 200mV 左右，滿足 的 AD 輸入電壓范圍要求。電流通道峰值為 左右，谷值為 180mV 左右，也滿足上述要求。這兩路信號可以直接送入單片機AD 進行采樣。 (2) 鎖相倍頻電路測試 該部分電路的測試包括兩部分 :測頻率整形電路和鎖相倍頻電路。 頻率整形電路 由一 個 OP07 集成運算放大器構成的過零比較器組成。其輸入信號是電壓互感器二次側(cè)的交變電壓信號，幅值范圍為 ~+，頻率 50Hz，經(jīng)過過零比較后，得到如圖 53 所示的波形。 圖 53 過零比較器輸出波形 由圖可見， 過零比較器的輸出波形，能夠滿足鎖相倍頻電路對輸入信號的要求。 圖 53 所示的波形 經(jīng)過 圖 37 所示的電路 ，最終輸出如圖 54 所示。 圖 54 鎖相倍頻輸出波形 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 30 由圖可以看到，電路輸出為一個標準的方波，頻率為 左右，說明該電路實現(xiàn)了 50Hz 交流信號的 64 倍頻，此波形可以直接接到單片機 口作為被捕獲的信號，去觸發(fā)定時器中斷。 系統(tǒng)運行結(jié)果測試 運行結(jié)果主要包括電壓、電流，頻率，有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、諧波參量等參數(shù)。在電流測試時，分為加載與不加載兩種情況。 表格 51 和表格 52 分別為帶載情況下和不帶情況下記錄的基本電參量數(shù)據(jù)。 表 51 不 帶載情況下基本電參量數(shù)據(jù) 類 型 電 參 量 U(V) I(A) P(W) Q(VAR) S(VA) COS? F(Hz) 實驗 數(shù)值 標準值 50 絕對偏差 表 52 帶載情況下基本電參量數(shù)據(jù) 類 型 電 參 量 U (V) I(A) P(W) Q(VAR) S(VA) COS? F(Hz) 實驗 數(shù)值 標準值 50 絕對偏差 通過實驗數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)相對測量誤差基本控制在 5%內(nèi)，但是由于采樣的量化誤差的存在，當信號幅值較小時，會有較大的誤差 存在，因此當不帶負載的情況下，數(shù)據(jù)的絕對誤差要比帶載情況下稍大。 對于電網(wǎng)諧波的測量，我們記錄 多組 2~9 次諧波 含有率，如表 53所示。 國家技術監(jiān)督局 19900731 日頒布的 GB/T 14549 93《公用電網(wǎng)諧波》標準如表 54。 從表格 53 和 54 的對比中我們可以看到，實驗測量的諧波含量精度 基本 在國家規(guī)定范圍以內(nèi)。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 31 表 53 諧波含量測試結(jié)果 諧波次數(shù) 組次 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 表 54 GB/T 1454993公用電網(wǎng)諧波電壓 (相電壓 ) 電網(wǎng)標稱電壓 KV 電網(wǎng)總諧波畸變 % 各次諧波電壓含有率， % 奇 次 偶 次 6 10 35 66 110 誤差分析 為了減小測量誤差，提高測量結(jié)果的準確度，必須明確測量誤差的主要來源，以便估算測量誤差，并采取相應措施減小測量誤差。 綜合分析系統(tǒng)的各個部分，誤差大體來自以下幾個環(huán)節(jié)。 (1) 互感器帶來的誤差 互感器中由于激磁電動勢的存在，電壓互感器和電流互感器原邊電流和副邊電流在矢量上不再成正比，互感器的實際輸出和理想輸出之間出現(xiàn)了誤差 ，在硬件調(diào)試過程中，當輸入電壓或者電流過大時，會出現(xiàn)波形失真的情況，這種情況就是互感器磁飽和所致。另外，互感器還不可避免的存在著非線性因素 ，這對測量結(jié)果也會產(chǎn)生影響。 (2) 抗混疊濾波帶來的誤差 對抗混疊濾波電路進行過分析，由于實際濾波器與理想濾波器之哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 32 間存在誤差，在截至頻率附近的信號有相應的衰減，這將直接導致各次諧波幅值有所衰減 。在實際精度要求很高的情況下，可以考慮對信號的幅值進行相應的補償 ，另外也可以選用一些專用的濾波器芯片來來最大程度的抑制或消除 混疊現(xiàn)象對動態(tài)測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的影響 同時保證幅值損失最小 。 (3) 同步采樣帶來的誤差 同步 采樣 指的是采樣的各路的電壓和電流信號相位差要求同步，即采樣后它們的相位差與采樣前原始信號的相位差相等。 由于該款單片機內(nèi)部 AD 擁有八個通道，雖然采用序列通道單次采樣，但是只有一個采樣保持器，使得各路的電流、電壓信號并不嚴格同步 。同時 ADC采樣也會帶來量化誤差，使得當信號較小時，會產(chǎn)生較大誤差，此外ADC 還存在噪聲、積分非線性、采樣時基不匹配、采樣時基抖動等各種問題 [26]。 (4) 數(shù)據(jù)截斷 和舍入 誤差 在 數(shù)據(jù)處理 的過程中， 由于各種因素導致的數(shù)據(jù)類型強制轉(zhuǎn)換帶來的誤差，也是一個不可忽視的因素。另外在數(shù)據(jù)送到 LCD 顯示的時候，受限于 LCD 顯示能力，也會發(fā)生人為的將數(shù)據(jù)截斷和四舍五入，以便于顯示。 (5) FFT 算 法存在的誤差 此次設計的諧波分析采用的是 64 點的 FFT 算法。按照數(shù)字信號處理的理論，任何一個有限長序列進行 FFT 變換，都相當于給無限長序列加上一個矩形窗得到。這樣就產(chǎn)生了所謂的柵欄效應。柵欄效應不能消除，只能減小。減小柵欄效應的前提是增加采樣次數(shù)即提高頻率分辨力，但是這樣做會使 FFT 運算量急速增加。 哈爾濱工業(yè)大學（威海）本科畢業(yè)設計（論文） 33 結(jié) 論 論 文在對電能質(zhì)量部分指標及其綜合評價方法進行分析的基礎上，設計了一種基 于 MSP430F449 單片機的電能質(zhì)量檢測裝置，并為該系統(tǒng)設計了基于具有較快運算速度的 FFT 算法的軟件程序，同時還對所設計的系統(tǒng)進 行了實驗研究，分析了系統(tǒng)的誤差來源及改進措施。 通過本文，我們得到的結(jié)論如下： 針對交流采樣過程難以做到整周期采樣的困難，文章里提出一種行之有效的利用鎖相環(huán)倍頻控制采樣的方法，測試結(jié)果證明，這種方法比軟件同步法簡單且更有效。 在用 FFT 做諧波分析的過程中，為了有效地克服芯片自身運算能力不理想，內(nèi)存空間有限的不足，采用了改進的 FFT 算法。考慮到運算級數(shù)少的特點，算法的倒序部分，直接通過分離每一位 實現(xiàn)。蝶形運算中正余弦運算采用查表法，可以加快算法執(zhí)行速度。 在綜合考慮電能質(zhì)量需要檢測指標的基礎上，采 用模塊化設計思想設計與實現(xiàn)了一種基于 MSP43