【導(dǎo)讀】國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)···············································1. 2電力參數(shù)測(cè)量及諧波分析原理與算法····································3. 交流采樣的實(shí)現(xiàn)方法·····················································3

　　

【正文】 裝置級(jí)成， 安裝固定裝置有固定外螺紋、活動(dòng)法蘭盤(pán)、固定法蘭和帶固定螺栓錐形保護(hù)管等形式。鎧裝熱電阻外保護(hù)套管采用不銹鋼，內(nèi)充高密度氧化物絕緣體，具有很強(qiáng)的抗污染性能和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度。與前者相比，鎧裝熱電阻具有直徑小、易彎曲、抗震性好、熱響應(yīng)時(shí)間快、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于一些特殊的測(cè)溫場(chǎng)合，還可以選用一些專業(yè)型熱電阻，如，測(cè)量固體表面溫度可以選用端面熱電阻，在易燃易爆場(chǎng)合可以選用防爆型熱電阻，測(cè)量震動(dòng)設(shè)備上的溫度可以選用帶有防震結(jié)構(gòu)的熱電阻等。 本章小結(jié) 本章概括介紹了本系統(tǒng)所使用的交流采樣法以及實(shí) 時(shí)電壓和電流有效值算法、實(shí)時(shí)有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)算法，簡(jiǎn)單介紹了快速傅里葉變換（ FFT）的算法原理，以及這些算法在實(shí)時(shí)處理中的應(yīng)用方法等，同時(shí)闡述了運(yùn)用該算法的必要性。對(duì)于離散化的周期信號(hào)而言，利用 FFT 可以直接得到波形所含的各頻譜分量，快速傅里葉變換（ FFT）無(wú)疑是分析諧波的最好算法之一。 某某大學(xué)畢業(yè)論文 22 3 主要器件的原理與選用 主控制器的選擇 ARM 芯片選擇是設(shè)計(jì) ARM 應(yīng)用系統(tǒng)非常重要的環(huán)節(jié) ,一般要從 其 運(yùn)算速度，數(shù)據(jù)寬度， ARM 芯片的硬件資源，電源管理和功耗等多個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)和衡量。 ARM7TDMIS是通用的 32位微處理器，它具有高性能和低功耗的特性。 ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) (RISC)原理而設(shè)計(jì)的。指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單得多。這樣使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就可實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。 THUMB指令集的 16位指令長(zhǎng)度使其可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn) ARM代碼兩倍的密度，卻仍然保持ARM的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)是使用 16位寄存器的 16位處理器所不具備的。因?yàn)?THUMB代碼和 ARM 代碼一樣，在相同的 32 位寄存器上進(jìn)行操作。 LPC2292 介紹 LPC2292是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 16/32位 ARM7TDMIS CPU的微控制器，并帶有 128/256k字節(jié) (kB)嵌入的高速 Flash存儲(chǔ)器。位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用 16位 Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò) 30%，而性能的損失卻很小。 由于 LPC2292較小的 64和 144腳封裝、極低的功耗、多個(gè) 32位定時(shí)器 、 4路 10位 ADC、2路 CAN或 8 路 10位 ADC、 2路 CAN（ 64腳和 144腳封裝）以及多達(dá) 9個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和 POS機(jī)。 在 64 腳的封裝中，最多可使用 46個(gè) GPIO。在 144腳的封裝中，可使用的 GPIO高達(dá) 76（使用了外部存儲(chǔ)器）～ 112個(gè)（單片應(yīng)用）。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟 modem以及其它各種類(lèi)型的應(yīng)用。 LPC2292 的主要特性 ： (1)16/32位 64/144 腳 ARM7TDMIS微控制器。 (2)16K字節(jié)靜態(tài) RAM。 (3)128/256K字節(jié)片內(nèi) Flash程序存儲(chǔ)器（在工作溫度范圍內(nèi)，片內(nèi) Flash存儲(chǔ)器至少可擦除和寫(xiě) 10,000次） 。 128位寬度接口 /加速器實(shí)現(xiàn)高達(dá) 60MHz的操作頻率。 (4)外部 16或 32位總線（ 144腳封裝）。 (5)片內(nèi) Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn) ISP和 IAP。 Flash編程時(shí)間： 1ms可編程 512字節(jié)，扇區(qū)擦除某某大學(xué)畢業(yè)論文 23 或整片擦除只需 400ms。 (6)EmbeddedICERT接口使能斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)。當(dāng)前臺(tái)任務(wù)使用片內(nèi) RealMonitor軟件調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)執(zhí)行。 (7)嵌入式跟蹤宏單元 （ ETM） 支持對(duì)執(zhí)行代碼進(jìn)行無(wú)干擾的高速實(shí)時(shí)跟蹤。 (8) 2/4個(gè)互連的 CAN接口 ,帶有先進(jìn)的驗(yàn)收濾波器。 (9)4路 10位 A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至 。 (10) 2個(gè) 32位定時(shí)器（帶 4路捕獲和 4路比較通道）、 PWM 單元（ 6路輸出）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗。 (11)多個(gè)串行接口，包括 2個(gè) 16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) UART、高速 I2C接口 （ 400 kHz） 和 2個(gè)SPI接口。 (12)通過(guò)片內(nèi) PLL可實(shí)現(xiàn)最大為 60MHz的 CPU操作頻率。 (13)向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級(jí)和向量地址。 (14)多達(dá) 46個(gè)（ 64腳封裝）或 112個(gè)（ 144腳封裝）通用 I/O口（可承受 5V電壓）， 12個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳（ EIN和 CAP功能）。 (15)片內(nèi)晶振頻率范圍： 1～ 30 MHz。 (16) 2個(gè)低功耗模式：空閑和掉電。 (17) 通過(guò)外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。 (18)可通過(guò)個(gè)別使能 /禁止外部功能來(lái)優(yōu)化功耗。 (19)雙電源 － CPU 操作電壓范圍： ～ V( V177。 %) － I/O 操作電壓范圍： ～ V( V177。 10%) 結(jié)構(gòu)概述 LPC2292包含一個(gè)支持仿真的 ARM7TDMIS CPU、與片內(nèi)存儲(chǔ)器控制器接口的 ARM7局部總線、與中斷控制器接口的 AMBA高性能總線 （ AHB） 和連接片內(nèi)外設(shè)功能的 VLSI外設(shè)總線（ VPB， ARM ， AMBA 總線的兼容超集）。 LPC2292將 ARM7TDMIS配置為小端 字節(jié)順序。 AHB外設(shè)分配了 2M字節(jié)的地址范圍，它位于 4G字節(jié) ARM存儲(chǔ)器空間的最頂端。每個(gè)AHB外設(shè)都分配了 16k字節(jié)的地址空間。 LPC2292的外設(shè)功能（中斷控制器除外）都連接到 VPB總線。 AHB到 VPB的橋?qū)?VPB總線與 AHB總線相連。 VPB外設(shè)也分配了 2M字節(jié)的地址范圍，從 。每個(gè) VPB外設(shè)在 VPB地址空間內(nèi)都分配了 16k字節(jié)地址空某某大學(xué)畢業(yè)論文 24 間。片內(nèi)外設(shè)與器件管腳的連接由管腳連接模塊控制。該模塊必須由軟件進(jìn)行控制以符合外設(shè)功能管腳在特定應(yīng)用中的需求。 存儲(chǔ)器的選擇 LPC2292集成了 256K的 FLASH存儲(chǔ)器系統(tǒng)。該存儲(chǔ)器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的編程可通過(guò)幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：通過(guò)內(nèi)置的串行 JTAG接口，通過(guò)串口進(jìn)行在系統(tǒng)編程 （ ISP） 和 UART0，或通過(guò)在應(yīng)用編程 （ IAP） 。使用在應(yīng)用編程的應(yīng)用程序也可以在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)對(duì) FLAH進(jìn)行擦除和 /或編程，這樣就為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)固件的升級(jí)都帶 來(lái)了極大的靈活性。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選擇 (1) 片內(nèi)靜態(tài) RAM LPC2292具有 16K/32K/64K字節(jié)靜態(tài) RAM， SRAM可用作代碼和 /或數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。SRAM支持 8位、 16位和 32位訪問(wèn)。 SRAM控制器包含一個(gè)回寫(xiě)緩沖區(qū)，它用于防止 CPU在連續(xù)的寫(xiě)操作時(shí)停止運(yùn)行?；貙?xiě)緩沖區(qū)總是保存著軟件發(fā)送到 SRAM的最后一個(gè)字節(jié)。該數(shù)據(jù)只有在軟件請(qǐng)求下一次寫(xiě)操作時(shí)才寫(xiě)入 SRAM（數(shù)據(jù)只有在軟件執(zhí)行另外一次寫(xiě)操作時(shí)被寫(xiě)入 SRAM）。如果發(fā)生芯片復(fù)位，實(shí)際的 SRAM內(nèi)容將不會(huì)反映最近一次的寫(xiě)請(qǐng)求（即：在一次“ 熱”芯片復(fù)位后， SRAM不會(huì)反映最后一次寫(xiě)入的內(nèi)容）。任何在復(fù)位后檢查 SRAM內(nèi)容的程序都必須注意這一點(diǎn)。通過(guò)對(duì)一個(gè)單元執(zhí)行兩次相同的寫(xiě)操作可保證復(fù)位后數(shù)據(jù)的寫(xiě)入?；蛘撸部赏ㄟ^(guò)在進(jìn)入空閑或掉電模式前執(zhí)行虛寫(xiě)（ dummy write）操作來(lái)保證最后的數(shù)據(jù)在復(fù)位后被真正寫(xiě)入到 SRAM。 程序存儲(chǔ)器的選擇 對(duì) LPC2292 特殊功能寄存器的訪問(wèn)必須遵循以下方式： 1. 用戶不要試圖訪問(wèn)任何未經(jīng)定義的 SFR地址。 2. 對(duì)任何已定義的 SFR 的訪問(wèn)必須符合 SFR的功能。 3. 標(biāo)注為“－”、“ 0”或“ 1” 的 SFR 位只能以如下方式讀或?qū)懀? “－”必須寫(xiě)入 0，但當(dāng)讀出時(shí)不返回任何確定的值（即使向其寫(xiě)入 0）。這是一個(gè)保留位，作為將來(lái)功能擴(kuò)展之用。 － “ 0”必須寫(xiě)入 0，并且當(dāng)讀出時(shí)返回 0。 － “ 1”必須寫(xiě)入 1，并且當(dāng)讀出時(shí)返回 1。 片內(nèi) FLASH程序存儲(chǔ)器 ： 某某大學(xué)畢業(yè)論文 25 LPC2292集成了 256K的 FLASH存儲(chǔ)器系統(tǒng)。該存儲(chǔ)器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的編程可通過(guò)幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：通過(guò)內(nèi)置的串行 JTAG接口，通過(guò)串口進(jìn)行在系統(tǒng)編程 （ ISP） 和 UART0，或通過(guò)在應(yīng)用編程 （ IAP）。使用在應(yīng)用編程的應(yīng)用 程序也可以在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)對(duì) FLAH進(jìn)行擦除和 /或編程，這樣就為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)固件的升級(jí)都帶來(lái)了極大的靈活性。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 本系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)不僅用于電壓、電流的有效值、功率等運(yùn)算，還要進(jìn)行頻譜分析。為了獲得較高的精確度，本系統(tǒng)采用每周波 128點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，由此可得采樣速率圖 31 LPC2292方框圖 某某大學(xué)畢業(yè)論文 26 FS50 128=6400點(diǎn) /秒，對(duì)于 7k/s的采樣率來(lái)說(shuō)，幾乎所有新型的逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器件都能夠勝任。本系統(tǒng)屬于測(cè)量?jī)x器，整機(jī)精度應(yīng)該在 %以內(nèi)。由于系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差不僅產(chǎn)生于 A/D變換器的量化誤 差，還要疊加有電壓、電流傳感器，運(yùn)算放大電路的非線性誤差、溫度漂移和零點(diǎn)漂移等。因此一般 A/D的量化誤差應(yīng)取在 %以內(nèi)。由于在正常的輸入量程范圍內(nèi) A/D不能達(dá)到滿量程，也就是說(shuō)所選 A/D的實(shí)際量化精度應(yīng)該在 左右，約為 1/211，這說(shuō)明要達(dá)到此精度 A/D的量化精度應(yīng)該在 11位以上，應(yīng)選擇 12位以上的 A/D變換器。 在選擇 A/D變換器時(shí)還要考慮同步采樣的問(wèn)題。由前面有功功率的計(jì)算公式可知，電壓和電流必須是同步進(jìn)行采樣得到的采樣值，這樣按照公式計(jì)算出來(lái)的數(shù)值才是本周期的有功功率。 本章 小結(jié) 本章主要講述了本設(shè)計(jì)所使用的關(guān)鍵元器件。重點(diǎn)講述了各元器件的選擇依據(jù)，以及其基本參數(shù)特性，外部引腳功能描述等。 某某大學(xué)畢業(yè)論文 27 第 4 章 硬件電路設(shè)計(jì)與軟件編程實(shí)現(xiàn) 總體硬件方案 所研制的電力參數(shù)采集系統(tǒng)由以下主要硬件組成： 從圖中可以看出系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括以下幾個(gè)部分 ： .微處理器 ： LPC2292； .外圍存儲(chǔ)器 ： 用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序 ； .RS232 接口 ： 用于與上位機(jī)或其他外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 ； .CAN 接口模塊 ： 提供串行數(shù) 據(jù)傳輸，方便工業(yè)設(shè)備測(cè)控單元互連 ； .LCM 液晶顯示模塊 ： 提供液晶顯示功能，滿足人機(jī)交換 ； .鍵盤(pán) ： 可以輸入數(shù)據(jù)，控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài) ； .電源模塊 ： 為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，是整個(gè)系統(tǒng)的工作的基礎(chǔ) ； 液晶顯示 模塊 鍵盤(pán) 電平轉(zhuǎn)換芯片 CAN 控制模塊 LPC2292 電源模塊 復(fù)位模塊 同步采樣 RS232接口 外部存儲(chǔ)器 圖 41 基本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 某某大學(xué)畢業(yè)論文 28 .復(fù)位模塊 ： 負(fù)責(zé)將微處理器初始化為某個(gè)確定的狀態(tài)。 電流、電壓互感器的選擇 系統(tǒng)不可能直接對(duì)高電壓、大電流進(jìn)行測(cè)量。故此，電流先經(jīng)過(guò)電流互感器（ CT）進(jìn)行電流變換和電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器（ PT）進(jìn)行電壓變換，將 05A 電流、 0220V電壓轉(zhuǎn)換為 電流、 05V電壓，從而可以安全進(jìn)行測(cè)量。 互感器是一種利用電磁感應(yīng)原理工作的器件，一個(gè)很重要的參數(shù)就是變比。 在互感元器件中，忽略互感器本身的功率損耗，可以近似視為： P1 2P? （ ） 即可認(rèn)為： 2211 UIUI ? （ ） 即： 1221 IIUU? （ ） 又由于在互感元件中，電壓可由下式表示： ??? ?? ??2211 fNU fNU （ ） 其中： U1 、 U2 分別表示原、副線圈的電壓 f 代表電流、電壓的頻率 電源 電路的設(shè)計(jì) 電源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，具有極其重要的作用。設(shè) 計(jì)電源的過(guò)程實(shí)際是一個(gè)權(quán)衡的過(guò)程，必須考慮如下因素 ： 輸出的電壓、電流和功率 ； 輸入的電壓、電流 ： 安全因素 ； 輸出波紋 ； 電磁兼容和抗電磁干擾 ： 體積限制 ； 功耗限制及成本限制。 LPC2292 具有 4 組電源輸入 ： 數(shù)字 ，數(shù)字 、模擬 。因此 在理想情況下，電源系統(tǒng)需要提供 4 組獨(dú)立的電源 ： 兩組 ，它們需要單點(diǎn)接地或大面積接地。如果不使用 LPC2292 的 A/D 功能，模擬電源和數(shù)字電源可以不分開(kāi)供電。在本設(shè)計(jì)中，由于不采用 LPC2292 的 A/D 功能，而是進(jìn)行單獨(dú)的 A/D 模塊設(shè)計(jì)，所以，末級(jí)只需要提供兩組電源。 末級(jí)電源電路設(shè)計(jì) 從 LPC2292 的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，其 消耗電流的極限是 70mA，為了保證可靠性并為以后升級(jí)留下余量，電源系統(tǒng) 能夠提供的電流應(yīng)當(dāng)大于 300mA，電源系統(tǒng) 某某大學(xué)畢業(yè)論文 29 能提供 600mA 電流即可。 在這里我們采用了 SPXl1l7 作為低壓差模擬電源 LDO。 SPXl1l7 為一個(gè)低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，在滿負(fù)載時(shí)其低壓差僅為 。當(dāng)輸出電流減少時(shí)，靜態(tài)電流隨負(fù)載變化，并提高效率。同時(shí)， SPXl1l7 具有過(guò)流及過(guò)壓保護(hù)和 3 端固定或可調(diào)節(jié)電 壓輸出等特點(diǎn)。圖22 為電源系統(tǒng)末級(jí)電路的一個(gè)實(shí)例。 前級(jí)電源電路設(shè)計(jì) 雖然 SPX1l17 允許的輸入電壓可達(dá) 20V，但太高的電壓會(huì)使芯片的發(fā)熱量上升，影響芯片的性能。同時(shí)，波動(dòng)的電壓會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生影響，太高的壓差就失去了選擇低壓差模擬電源的意義。因此，就需要前級(jí)電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。考慮到 5V的電壓不僅可以滿足 SPXlll7 的要求，同時(shí)很多器件也需要 5V供電的，所以，我們選用了 5V作為前級(jí)輸出。 根據(jù)系統(tǒng)在 5V電源上消耗的電流以及體積、成本等方面的考慮，前級(jí)電路可以使用開(kāi)關(guān)電源，也可 以使用模擬電 源。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)模擬電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源 較高，可以減少發(fā)熱量，但與此同時(shí)，其輸出電壓波紋較大，在功率不是特別大時(shí)，成本較高。此外，開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)干擾源，對(duì)別的電路有一定的影響。所以，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用了模擬電源。 圖 42 電源系統(tǒng)末級(jí)電路 某某大學(xué)畢業(yè)論文 30 電壓電流測(cè)量電路的設(shè)計(jì) 電壓互感器與電流互感器主要有兩個(gè)作用：在儀表不能對(duì)被測(cè)電壓和電流進(jìn)行直接測(cè)量時(shí)，對(duì)電壓和電流進(jìn)行變化以擴(kuò)大儀表的使用范圍及使儀表與主回路隔離，保證工作人員和儀表的安全。 本裝置需要測(cè)量的是三相交流電，電壓一般為 220V左右，為使互感器的電壓輸入能夠在較大范圍內(nèi)變化，選用 SPT204A 電壓互感器和 SCT245A 電流互感器來(lái)得到精度高、線形度好的 5V輸出交流電壓。 SPT204A 是一款毫安級(jí)精密電壓互感器，輸入額定電壓、電流為 100V、 2mA。它具有精度高、小巧輕便、能直接焊于印刷線路板上等特點(diǎn)。輸入電壓經(jīng)限流電阻 R，使流過(guò) SPT204A 電壓互感器原邊產(chǎn)生一個(gè) 2mA 的額定電流，此時(shí)副邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相同的電流。通過(guò)運(yùn)算放大器的作用，可通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻的值得到所要求得電壓輸出值。用戶可調(diào)節(jié)電阻 R 得到要求的輸出電壓。電容 C、 電阻 R 是調(diào)節(jié)相移的，用戶調(diào)節(jié)電