【正文】 （ 5） 諧波功率占比： η? = ????????1??1 式中： U I1—— 基波電壓、電流的有效值； Uh、 Ih—— 第 h 次諧波電壓、電流的有效值； 諧波計算模塊仿真測試 給定一個含有基波、 5 次、 9 次和 11 次衰減諧波的信號，基波頻率 f0=50Hz。 給定模擬信號源， 其 信號的數(shù)學(xué)表達式如下： U(t)=2021sin(2??f0t)+1000 sin (52??f0t)+800 sin (92??f0t)+500 sin (112??f0t) 模擬 1024 個采樣點，其采樣頻率為 200Hz，頻率分辨率為 5Hz。對其進行采樣獲得離散化數(shù)據(jù)，在 MDK 編譯環(huán)境下用諧波檢測系統(tǒng)的諧波計算模塊對數(shù)據(jù)組進行仿真處理及分析，運算結(jié)果在軟件窗口中加以觀察，圖 是經(jīng)加窗插值 FFT分析及參數(shù)計算后的各次諧波的幅度值，由圖可知基波的幅值為 1992， 5 次諧波的幅值是 994， 9 次諧波的幅值是 794， 11 次諧波的幅值是 496。 圖 FFT 運算結(jié)果局部圖 本章小結(jié) 本章主要對諧波檢測系統(tǒng)的軟件部分進行設(shè)計及介紹。首先 ， 對 嵌入式 軟件開發(fā)平臺 MDK 以及 使用該平臺進行軟件設(shè)計的流程 進行了說明。本文將軟件整體開發(fā)分為 STM32 應(yīng)用層和 上位機管理 層 兩部分 。對本設(shè)計中用到的 STM32 片上硬件進行軟件設(shè)置，并 分別詳細介紹了 系統(tǒng)初始化、采樣模塊、周期處理模塊即算法模塊等 的 工作流程及 軟件設(shè)計過程 ,并用編譯軟件對算法進行了測試仿真以驗證其測量準確性。 32 第 5 章 系統(tǒng)人機交互設(shè)計 諧波檢測系統(tǒng)人機交互界面主要由可觸式 LCD 顯示屏組成，采用外接按壓式按鍵設(shè)計，通過人機交互界面能實時了解 數(shù)字測試 儀分析結(jié)果 。人機交互界面 的設(shè)計遵循操作方便，信息直接引導(dǎo)， 同時 具備反饋性。數(shù)據(jù)處理單元分析計算得出 非正弦信號的 諧波 的 幅值 、含量 及諧波 功率占比 ，并將結(jié)果顯示在液晶屏上。 LCD 顯示界面設(shè)計 本裝置采用分辨率為 480 800 的 7 寸 LCD 顯示屏，并根據(jù)軟件需求 對顯示界面 進行 設(shè)計 及優(yōu)化 。 顯示界面可 結(jié)合外接 按壓 式 按鍵 進行顯示內(nèi)容的切換， 多界面操作的設(shè)計原則遵循選擇性的要求 。界面顯示內(nèi)容 包括 ： 諧波特征參數(shù)及波形 、 電壓 諧波頻譜圖 及 電能質(zhì)量評估。 顯示流程圖如圖 所示。 歡 迎 界 面系 統(tǒng) 初 始 化 ， 啟 動 諧 波 檢 測功 能 菜 單 選 擇諧波特征參數(shù)及波形電壓諧波頻譜圖電能質(zhì)量評估 圖 界面顯示流程圖 本文設(shè)計采用的顯示屏內(nèi)部未存儲字庫，因此在顯示字符、漢字前需用取模軟件進行逐列式取模。其顯示原理是用掃描的方式 點亮需要顯示的每一個點，該 點的顏色由 一個 16 位的值表示。根據(jù)液晶的顯示 原理， 設(shè)置點的坐標并 控制點亮的方向 即可顯示 字符或漢字。 當分析得到的諧波信號頻率大于 1000HZ 時，顯示程序會切換頻率顯示單位，數(shù)據(jù)會進行相應(yīng)的處理，得到顯示 “KHZ”為單位的頻率值 ，并且，鑒于本文使用的算法是 1024 的 FFT，而信號的采樣頻率為 50HZ—4KHZ 可調(diào)，所以本系統(tǒng)的頻率分辨率最小值能夠達到： ?????? =4??????1024 ≈ 4???? () 因此系統(tǒng)的頻率分辨率能夠滿足系統(tǒng)性能指標，在顯示的時候 數(shù)值保留到小數(shù)點 后 3 位。 相對應(yīng)的， 當 信號剛接入的時候 分析得到的諧波信號幅度大于 1000mV 時，顯示程序會切換幅度顯示單位，數(shù)據(jù)會進行相應(yīng)的處理，得到顯示 “V”為單位的幅度值。 按鍵設(shè)計 對按鍵的識別有 掃描 和 中斷 兩種方式 。中斷方式反映迅速，但在實際應(yīng)用中按鍵的使用會對 波形顯示 產(chǎn)生 微小的抖動， 因該諧波檢測 系統(tǒng)對按鍵的 實時性 要求 不高 ，因此采用掃描 的 方 式 實現(xiàn)對按鍵的 控制 。 本裝置共設(shè)計四個按鍵，分別為返回鍵，翻頁鍵，確認鍵及復(fù)位鍵。 各按鍵與 STM32 I/O 口的對應(yīng)關(guān)系如表 所示。 表 按鍵與 STM32I/O 口的連接配置 按 鍵 STM32 的 I/O 口 開始分析 設(shè)置采樣頻率 電壓無放大 電壓放大十倍 電壓放大百倍 PA15 PA13 PA0 PB1 PB2 34 復(fù)位 RESET 本章小結(jié) 本章介紹了 數(shù)字測試儀 系統(tǒng)的人機交互界面的設(shè)計， 對 模塊的工作原理及設(shè)計方法進行了概述。 人機交互系統(tǒng) 的設(shè)計 不僅可直觀顯示諧波參數(shù)及切換顯示界面 。 第 6 章 總結(jié)與展望 工作總結(jié) 本文設(shè)計的 基于 STM32 的 非正弦周期信號的 諧波檢測系統(tǒng)具有測量精度高、數(shù)據(jù)處理速度快、研發(fā)周期短、集成度高和設(shè)計成本低等優(yōu)點。 本文所做的工作歸納起來主要有以下幾點： （ 1） 查閱 諸多文獻， 分析 國內(nèi)外微電網(wǎng)及諧波檢測的研究現(xiàn)狀。 重點研究常用的諧波檢測算法并 分析它們的優(yōu)點與不足。 在對比研究后確定本系統(tǒng)采用的諧波檢測方法。 （ 2） 采用加窗插值的 FFT 算法作為本系統(tǒng)檢測方法。分別介紹了離散傅立葉變換及其改進方法快速傅里葉變換，運用數(shù)學(xué) 方法詳細推導(dǎo)了該算法的原理及實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，如柵欄效應(yīng)、頻譜泄漏等。通過對多種窗函數(shù)的仿真效果對比，算法中采用 Hamming 窗對信號進行截斷，減小頻譜泄露的影響，并采用雙峰譜線插值修正算法對加窗后的數(shù)據(jù)進行修正，通過仿真驗證了這種算法的可行性。 （ 3） 參考使用手冊及固件庫手冊，在了解函數(shù)庫的基礎(chǔ)上熟悉 STM32 芯片的使用方法， 掌握 STM32 微處理器的調(diào)試環(huán)境、編程方法及各個 片上 外設(shè)的具體 應(yīng)用， 培養(yǎng)了 嵌入式編程的能力。 （ 4） 掌握 嵌入式設(shè)備的開發(fā)流程，從前期調(diào)查到 設(shè)計 方案 的確定再到諧波檢測系統(tǒng)軟件 調(diào)試過程中學(xué)到了很多。最重要的是在整個過程中 培養(yǎng)積極 解決問題的思想方法。 本系統(tǒng)的設(shè)計從前期 準備到最終 設(shè)計的完成， 經(jīng)歷了很多困難與挑戰(zhàn)。通過與老師同學(xué)的 不斷 交流， 思想以及 技術(shù)上都學(xué)到了很多， 增強了克服 困難的信心和決心。當面對一個 嶄新的嵌入式產(chǎn)品開發(fā) 時，應(yīng)該首先 對其進行調(diào)研， 考慮其可行性 后作整體 規(guī)劃方案， 并 把整 體 劃分為不同的功能模塊， 分模塊 實現(xiàn) 其功能 ，這種 模塊化設(shè)計的思想 降低了產(chǎn)品開發(fā)的難度， 縮短了研發(fā)周期。 總之， 本課題對嵌入式及信號處理的研究 ， 在開拓視野的同時進一步 增強了自己的全局觀，對以后的職業(yè)發(fā)展 奠定良 好的基礎(chǔ) 。 不足與展望 由于時間精力的限制，該 非正弦周期信號數(shù)字測試儀 系統(tǒng)還有很多不足之處，有待于進一步的改進： （ 1） 在硬件設(shè)計方面 ,目前只設(shè)計出 PCB，并未進行實物制作。 （ 2） 在系統(tǒng)算法 設(shè)計 方面 ,釆用改進的快速傅里葉變換對諧波進行檢測 ,雖然可以實時對諧波進行測量，但 其 測量 精 確度及 速度仍 有待于進一步 提高。在本論文中對 算法的仿真工作做得不夠，算法的研究也 可以更加深入 。 （ 3）人機交互系統(tǒng)的設(shè)計還不夠智能化，需要進一步改善顯示界面。 隨著上述不足的不斷 改進和 完善 ,基于 ARM 微處理器 的 數(shù)字測量儀 將會在 電力系統(tǒng) 諧波 檢測 領(lǐng)域具有非常強大的優(yōu)勢 ，正如本文開始所提及的研究背景所言，本數(shù)字測試儀的實物化能夠?qū)?分析微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題，在對諧波進行檢測分析的基礎(chǔ)上研究微電網(wǎng)諧波抑制技術(shù)，對確保微電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、高效的運行，促 36 進微電網(wǎng)的發(fā)展與 推廣 ，提高 其 供電可靠性 以及供電質(zhì)量都具有重要 意義。 參考文獻 [1] 魯宗相，王彩霞，閔勇，等 .微電網(wǎng)研究綜述 [J].電力系統(tǒng)自動化， 2021， 31(19)： 100105. 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