【導(dǎo)讀】國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢···············································1. 2電力參數(shù)測量及諧波分析原理與算法····································3. 交流采樣的實現(xiàn)方法·····················································3

　　

【正文】 裝置級成， 安裝固定裝置有固定外螺紋、活動法蘭盤、固定法蘭和帶固定螺栓錐形保護管等形式。鎧裝熱電阻外保護套管采用不銹鋼，內(nèi)充高密度氧化物絕緣體，具有很強的抗污染性能和優(yōu)良的機械強度。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)時間快、使用壽命長的優(yōu)點。 對于一些特殊的測溫場合，還可以選用一些專業(yè)型熱電阻，如，測量固體表面溫度可以選用端面熱電阻，在易燃易爆場合可以選用防爆型熱電阻，測量震動設(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 時電壓和電流有效值算法、實時有功功率、無功功率、功率因數(shù)算法，簡單介紹了快速傅里葉變換（ FFT）的算法原理，以及這些算法在實時處理中的應(yīng)用方法等，同時闡述了運用該算法的必要性。對于離散化的周期信號而言，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 ARM 應(yīng)用系統(tǒng)非常重要的環(huán)節(jié) ,一般要從 其 運算速度，數(shù)據(jù)寬度， ARM 芯片的硬件資源，電源管理和功耗等多個方面進行評價和衡量。 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)是基于精簡指令集計算機 (RISC)原理而設(shè)計的。指令集和相關(guān)的譯碼機制比復(fù)雜指令集計算機要簡單得多。這樣使用一個小的、廉價的處理器核就可實現(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應(yīng)。 THUMB指令集的 16位指令長度使其可以達到標準 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，這些優(yōu)勢是使用 16位寄存器的 16位處理器所不具備的。因為 THUMB代碼和 ARM 代碼一樣，在相同的 32 位寄存器上進行操作。 LPC2292 介紹 LPC2292是基于一個支持實時仿真和跟蹤的 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存儲器。位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使 32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用可使用 16位 Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過 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 32位定時器 、 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 9個外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和 POS機。 在 64 腳的封裝中，最多可使用 46個 GPIO。在 144腳的封裝中，可使用的 GPIO高達 76（使用了外部存儲器）～ 112個（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程序存儲器（在工作溫度范圍內(nèi)，片內(nèi) Flash存儲器至少可擦除和寫 10,000次） 。 128位寬度接口 /加速器實現(xiàn)高達 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接口使能斷點和觀察點。當(dāng)前臺任務(wù)使用片內(nèi) RealMonitor軟件調(diào)試時，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)執(zhí)行。 (7)嵌入式跟蹤宏單元 （ ETM） 支持對執(zhí)行代碼進行無干擾的高速實時跟蹤。 (8) 2/4個互連的 CAN接口 ,帶有先進的驗收濾波器。 (9)4路 10位 A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間低至 。 (10) 2個 32位定時器（帶 4路捕獲和 4路比較通道）、 PWM 單元（ 6路輸出）、實時時鐘和看門狗。 (11)多個串行接口，包括 2個 16C550工業(yè)標準 UART、高速 I2C接口 （ 400 kHz） 和 2個SPI接口。 (12)通過片內(nèi) PLL可實現(xiàn)最大為 60MHz的 CPU操作頻率。 (13)向量中斷控制器。可配置優(yōu)先級和向量地址。 (14)多達 46個（ 64腳封裝）或 112個（ 144腳封裝）通用 I/O口（可承受 5V電壓）， 12個獨立外部中斷引腳（ EIN和 CAP功能）。 (15)片內(nèi)晶振頻率范圍： 1～ 30 MHz。 (16) 2個低功耗模式：空閑和掉電。 (17) 通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。 (18)可通過個別使能 /禁止外部功能來優(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包含一個支持仿真的 ARM7TDMIS CPU、與片內(nèi)存儲器控制器接口的 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存儲器空間的最頂端。每個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 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。 存儲器的選擇 LPC2292集成了 256K的 FLASH存儲器系統(tǒng)。該存儲器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲。對FLASH存儲器的編程可通過幾種方法來實現(xiàn)：通過內(nèi)置的串行 JTAG接口，通過串口進行在系統(tǒng)編程 （ ISP） 和 UART0，或通過在應(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)用程序運行時對 FLAH進行擦除和 /或編程，這樣就為數(shù)據(jù)存儲和現(xiàn)場固件的升級都帶 來了極大的靈活性。 數(shù)據(jù)存儲器的選擇 (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。SRAM支持 8位、 16位和 32位訪問。 SRAM控制器包含一個回寫緩沖區(qū)，它用于防止 CPU在連續(xù)的寫操作時停止運行?；貙懢彌_區(qū)總是保存著軟件發(fā)送到 SRAM的最后一個字節(jié)。該數(shù)據(jù)只有在軟件請求下一次寫操作時才寫入 SRAM（數(shù)據(jù)只有在軟件執(zhí)行另外一次寫操作時被寫入 SRAM）。如果發(fā)生芯片復(fù)位，實際的 SRAM內(nèi)容將不會反映最近一次的寫請求（即：在一次“ 熱”芯片復(fù)位后， SRAM不會反映最后一次寫入的內(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。通過對一個單元執(zhí)行兩次相同的寫操作可保證復(fù)位后數(shù)據(jù)的寫入?；蛘撸部赏ㄟ^在進入空閑或掉電模式前執(zhí)行虛寫（ dummy write）操作來保證最后的數(shù)據(jù)在復(fù)位后被真正寫入到 SRAM。 程序存儲器的選擇 對 LPC2292 特殊功能寄存器的訪問必須遵循以下方式： 1. 用戶不要試圖訪問任何未經(jīng)定義的 SFR地址。 2. 對任何已定義的 SFR 的訪問必須符合 SFR的功能。 3. 標注為“－”、“ 0”或“ 1” 的 SFR 位只能以如下方式讀或?qū)懀? “－”必須寫入 0，但當(dāng)讀出時不返回任何確定的值（即使向其寫入 0）。這是一個保留位，作為將來功能擴展之用。 － “ 0”必須寫入 0，并且當(dāng)讀出時返回 0。 － “ 1”必須寫入 1，并且當(dāng)讀出時返回 1。 片內(nèi) FLASH程序存儲器 ： 某某大學(xué)畢業(yè)論文 25 LPC2292集成了 256K的 FLASH存儲器系統(tǒng)。該存儲器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲。對FLASH存儲器的編程可通過幾種方法來實現(xiàn)：通過內(nèi)置的串行 JTAG接口，通過串口進行在系統(tǒng)編程 （ ISP） 和 UART0，或通過在應(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)用程序運行時對 FLAH進行擦除和 /或編程，這樣就為數(shù)據(jù)存儲和現(xiàn)場固件的升級都帶來了極大的靈活性。 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、功率等運算，還要進行頻譜分析。為了獲得較高的精確度，本系統(tǒng)采用每周波 128點的采樣數(shù)據(jù)進行運算，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 /秒，對于 7k/s的采樣率來說，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)屬于測量儀器，整機精度應(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，運算放大電路的非線性誤差、溫度漂移和零點漂移等。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不能達到滿量程，也就是說所選 A/D的實際量化精度應(yīng)該在 左右，約為 1/211，這說明要達到此精度 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變換器時還要考慮同步采樣的問題。由前面有功功率的計算公式可知，電壓和電流必須是同步進行采樣得到的采樣值，這樣按照公式計算出來的數(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)計所使用的關(guān)鍵元器件。重點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)計與軟件編程實現(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)包括以下幾個部分 ： .微處理器 ： LPC2292； .外圍存儲器 ： 用來存放數(shù)據(jù)和程序 ； .RS232 接口 ： 用于與上位機或其他外部設(shè)備進行數(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)備測控單元互連 ； .LCM 液晶顯示模塊 ： 提供液晶顯示功能，滿足人機交換 ； .鍵盤 ： 可以輸入數(shù)據(jù)，控制設(shè)備運行狀態(tài) ； .電源模塊 ： 為整個系統(tǒng)提供能量，是整個系統(tǒng)的工作的基礎(chǔ) ； 液晶顯示 模塊 鍵盤 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 ： 負責(zé)將微處理器初始化為某個確定的狀態(tài)。 電流、電壓互感器的選擇 系統(tǒng)不可能直接對高電壓、大電流進行測量。故此，電流先經(jīng)過電流互感器（ CT）進行電流變換和電壓經(jīng)過電壓互感器（ PT）進行電壓變換，將 05A 電流、 0220V電壓轉(zhuǎn)換為 電流、 05V電壓，從而可以安全進行測量。 互感器是一種利用電磁感應(yīng)原理工作的器件，一個很重要的參數(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 電源系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供能量，是整個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，具有極其重要的作用。設(shè) 計電源的過程實際是一個權(quán)衡的過程，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 組獨立的電源 ： 兩組 ，它們需要單點接地或大面積接地。如果不使用 LPC2292 的 A/D 功能，模擬電源和數(shù)字電源可以不分開供電。在本設(shè)計中，由于不采用 LPC2292 的 A/D 功能，而是進行單獨的 A/D 模塊設(shè)計，所以，末級只需要提供兩組電源。 末級電源電路設(shè)計 從 LPC2292 的數(shù)據(jù)手冊可知，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 為一個低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，在滿負載時其低壓差僅為 。當(dāng)輸出電流減少時，靜態(tài)電流隨負載變化，并提高效率。同時， SPXl1l7 具有過流及過壓保護和 3 端固定或可調(diào)節(jié)電 壓輸出等特點。圖22 為電源系統(tǒng)末級電路的一個實例。 前級電源電路設(shè)計 雖然 SPX1l17 允許的輸入電壓可達 20V，但太高的電壓會使芯片的發(fā)熱量上升，影響芯片的性能。同時，波動的電壓會對輸出電壓產(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，就需要前級電路來解決這個問題?？紤]到 5V的電壓不僅可以滿足 SPXlll7 的要求，同時很多器件也需要 5V供電的，所以，我們選用了 5V作為前級輸出。 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，前級電路可以使用開關(guān)電源，也可 以使用模擬電 源。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，相對模擬電源來說，開關(guān)電源 較高，可以減少發(fā)熱量，但與此同時，其輸出電壓波紋較大，在功率不是特別大時，成本較高。此外，開關(guān)電源是一個干擾源，對別的電路有一定的影響。所以，在本系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用了模擬電源。 圖 42 電源系統(tǒng)末級電路 某某大學(xué)畢業(yè)論文 30 電壓電流測量電路的設(shè)計 電壓互感器與電流互感器主要有兩個作用：在儀表不能對被測電壓和電流進行直接測量時，對電壓和電流進行變化以擴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 電流互感器來得到精度高、線形度好的 5V輸出交流電壓。 SPT204A 是一款毫安級精密電壓互感器，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。輸入電壓經(jīng)限流電阻 R，使流過 SPT204A 電壓互感器原邊產(chǎn)生一個 2mA 的額定電流，此時副邊會產(chǎn)生一個相同的電流。通過運算放大器的作用，可通過調(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