【正文】 謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給作者的父母，祝他們身體健康。在課題研究過(guò)程中，兩位老師給予了作者無(wú)微不至的關(guān)懷、指導(dǎo)和照顧，感謝兩位老師的關(guān)心、指導(dǎo)和教誨。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行諧波監(jiān)測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)，證明硬件設(shè)計(jì)合理，程序運(yùn)行可靠。理論計(jì)算表明：一個(gè)方波可以分解為若干個(gè)正弦波其中最大的正弦波為基波，其余分別9等等，3次諧波峰值為基波的1/3，5次諧波峰值為基波的1/5，7次諧波峰值為基波的1/7，依此類(lèi)推。具有操作靈活、功能擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，使用語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體數(shù)組編程，具有一般性，可以直接移植到其它的應(yīng)用系統(tǒng)中。并且設(shè)備體積小，功能齊全。根據(jù)本文的闡述可得到以下結(jié)論：（1）諧波監(jiān)測(cè)是諧波研究和治理的前提條件，隨著電力系統(tǒng)中發(fā)展，各種諧波源將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定造成越來(lái)越大影響。本論文以TMS320LF24O7為核心設(shè)計(jì)和組建了一個(gè)實(shí)時(shí)諧波測(cè)量系統(tǒng)。（2）在DSP電路中，對(duì)所有的輸入信號(hào)必須有明確的處理，不能懸浮或置之不理。具體方法是從一個(gè)單元讀出數(shù)據(jù)寫(xiě)入另一個(gè)單元，由累加器作為傳遞單元。在做完這些基本檢查之后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)硬件調(diào)試了。在電路加電前，對(duì)其做了一次全面徹底的檢查。在DSP硬件系統(tǒng)的印制電路板設(shè)計(jì)階段，關(guān)鍵是使布線正確合理。該SCI模塊帶有與RS232標(biāo)準(zhǔn)一致的異步串口(DART)，使得TMS320LF2407可以方便地與其它使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主控系統(tǒng)即DSP將配合傳輸同步時(shí)鐘與接收串行數(shù)據(jù)線，來(lái)完成串行傳輸?shù)膭?dòng)作。采用的是串行2線模式。而且內(nèi)含CGRAM提供4組軟件可編程16*16點(diǎn)陣造字功能。程序掃描法是一種常用的鍵識(shí)別方法，在這種方法中，只要CPU空閑，就調(diào)用鍵盤(pán)掃描程序，查詢鍵盤(pán)并進(jìn)行處理。鍵盤(pán)輸入信息的主要過(guò)程為：CPU判斷是否有鍵按下確定按下的是哪一個(gè)鍵把此鍵代表的信息翻譯成計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的代碼。DSP與PCF8583的連接圖如下：圖36 DSP與PCF8583的接口電路 其中PCF8583的SCL、SDA分別接TMS320LF2407的IOPC3與IOPC5引腳，SCL為I2C總線的時(shí)鐘線，SDA為I2C總線的數(shù)據(jù)線。 本設(shè)計(jì)用PCF8583，結(jié)合鍵盤(pán)、液晶來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間和日期的顯示和設(shè)置。鎖相環(huán)參數(shù)的選擇是非常重要的，由于鎖相環(huán)的硬件結(jié)構(gòu)于C語(yǔ)言軟件編程，關(guān)系不是很大，所以，在這里不再做更詳細(xì)的介紹。 本設(shè)計(jì)采用芯片CD4046，F(xiàn)FT變換要求在一個(gè)周期內(nèi)采128個(gè)點(diǎn)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，理想電網(wǎng)的電壓和電流是正弦50Hz，采樣頻率通過(guò)鎖相環(huán)電路對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行倍頻，倍頻數(shù)是128，可以得到穩(wěn)定度跟電網(wǎng)基波相當(dāng)、。當(dāng)環(huán)路鎖定后，鑒相器輸入的兩個(gè)信號(hào)的頻率相等，即=所以輸出信號(hào)的頻率為f。所謂鎖相，就是實(shí)現(xiàn)相位同步，能使兩個(gè)電信號(hào)的相位保持同步的閉環(huán)系統(tǒng)叫鎖相環(huán)（PLL）。當(dāng)有外部復(fù)位事件發(fā)生(手動(dòng)復(fù)位、上電復(fù)位、欠電壓復(fù)位等)時(shí)，該引腳為輸入方式，同時(shí)將復(fù)位中斷向量0O00H加載到程序計(jì)數(shù)器PC中，使程序重新開(kāi)始執(zhí)行。該芯片是一種64Kxl6的高速CMOS靜態(tài)RAM，滿足系統(tǒng)要求。在外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器，可以利用PS信號(hào)來(lái)產(chǎn)生片選信號(hào)。64K字FO尋址空間。早期的微處理器內(nèi)部大多采用Von一Neumann結(jié)構(gòu)，其片內(nèi)程序空間和數(shù)據(jù)空間合在一起，將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一編址，依靠指令計(jì)數(shù)器提供的地址對(duì)指令、數(shù)據(jù)、地址信息進(jìn)行區(qū)分。TMS320LF2407A有兩種引導(dǎo)啟動(dòng)方式:一種是MC(Microcontrol)控制器模式，與單片機(jī)的工作方式一樣。CONVST端的負(fù)脈沖啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于工作模式中的通道數(shù)，本設(shè)計(jì)是4個(gè)通道采樣。外部的微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器在檢測(cè)到/INT引腳上的低電平后，根據(jù)設(shè)定的工作模式，通過(guò)在/RD引腳上施加一定數(shù)目的脈沖，將刀D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)雙向數(shù)據(jù)口逐一讀出。s）工 作 模 式0 0 0 03A組多路開(kāi)關(guān)，單路轉(zhuǎn)換，上電默認(rèn)0 0 0 16A組多路開(kāi)關(guān)，雙路轉(zhuǎn)換0 0 1 09A組多路開(kāi)關(guān)，3路轉(zhuǎn)換0 0 1 112A組多路開(kāi)關(guān)，4路轉(zhuǎn)換0 1 0 03A組多路開(kāi)關(guān)，單路轉(zhuǎn)換0 1 0 16B組多路開(kāi)關(guān)，雙路轉(zhuǎn)換0 1 1 09B組多路開(kāi)關(guān)，3路轉(zhuǎn)換0 1 1 112B組多路開(kāi)光，4路轉(zhuǎn)換1 X X X……節(jié)電模式表31 MAX125的工作模式MAX125的工作過(guò)程可以結(jié)合表31來(lái)表述:在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換之前首先需要對(duì)芯片的工作模式進(jìn)行設(shè)置，在選中芯片以后使能WR信號(hào)，將工作模式設(shè)置字通過(guò)雙向并行數(shù)據(jù)口寫(xiě)入芯片的工作模式設(shè)置寄存器。CONVST：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端；其上升沿使各個(gè)T/H保持其模擬輸入值。5℅）數(shù)字供電輸入端 DGND：數(shù)字接地端D5 D4：并行數(shù)據(jù)輸出端D3/A3D0/A0：雙向的數(shù)據(jù)/地址端（D0/A0=LSB）；輸入數(shù)據(jù)（A0A3）及輸出數(shù)據(jù)(D0D13)是多路的三態(tài)雙向接口，此并行I/O口很易與微處理器或DSP相接；由CS、WR和RD三端的信號(hào)來(lái)控制此I/O口的讀寫(xiě)操作；當(dāng)CS為高時(shí)，它不使能WR和的輸入并強(qiáng)制此I/O口呈高阻狀態(tài)。AVDD：+5V（177。MAX125一旦編程就會(huì)在指定的工作模式下連續(xù)工作，直到重新編程或失電為止。讀取數(shù)據(jù)的順序也是固定的，按照CHI、CHCHCH4的順序。MAX125的工作過(guò)程:首先對(duì)MAX125進(jìn)行初始化，通過(guò)雙向引腳AOA3向MAX125輸入數(shù)據(jù)，選擇芯片的工作模式，即設(shè)定通道的轉(zhuǎn)換模式。MAX125采用36腳SS0P封裝形式提供商業(yè)級(jí)0~70176。轉(zhuǎn)換完成后將結(jié)果儲(chǔ)存在芯片內(nèi)部的4x14bitRAM中。也可以通過(guò)MAX125的雙向并行口對(duì)MAX125重新編程讓它只轉(zhuǎn)換123通道。該芯片內(nèi)部帶有一個(gè)14位、轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs的逐次逼近型（SAR）?！獢?shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC），414位的RAM，可和數(shù)字信號(hào)處理器總線接口的三態(tài)輸出器件；片內(nèi)還有4個(gè)采樣/保持（T/H），每個(gè)采樣/保持的輸入對(duì)應(yīng)一個(gè)2選1模擬輸入（共有8個(gè)模擬輸入通道，4個(gè)一組，分為A和B兩組），輸出經(jīng)4選1開(kāi)關(guān)到A/D轉(zhuǎn)換器。所以本文選用Maxim公司的14位高速A心芯片MAXI25作為外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器。雖然TMS320LF2407A內(nèi)置10位高速A心模塊，但該模塊存在以下缺點(diǎn)。5個(gè)外部中斷（兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷）?；阪i相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。串行通信接口模塊（SCI）模塊?？撮T(mén)狗定時(shí)器模塊（WDT）。兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：兩個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位的脈寬（PWM）通道。 TMS320LF2407 DSP簡(jiǎn)介T(mén)MS320LF240是本設(shè)計(jì)的核心芯片。對(duì)于我們的電力系統(tǒng)的檢測(cè)，我們采用的是基于FFT變換的諧波分析方法，為計(jì)算諧波，我們必須采集一個(gè)滿周波，因此采用的是按幀處理，不是每個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次，而是每隔一定的時(shí)間間隔(通常稱(chēng)為幀)循環(huán)一次。如TMS320VC5410的處理能力為100MIPS，即每秒可執(zhí)行一萬(wàn)萬(wàn)條指令。2).運(yùn)算速度是DSP芯片的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，也是選擇DSP芯片時(shí)所需要考慮的一個(gè)主要因素DSP芯片的運(yùn)算速度可以用以下幾種性能指標(biāo)來(lái)衡量：(a)指令周期:即執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間，通常以ns(納秒)為單位。(2)流水線操作:(3)專(zhuān)用的硬件乘法器:(4)特殊的DSP指令。如TMS320C40有6個(gè)8bit的接口，VC5420提供MsBSP和16位的并口，ADI的ADSPZll6O也有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。1024點(diǎn)FFT的時(shí)間已小于lms。(3)硬件乘法/累加器在卷積、數(shù)字濾波、FFT、相關(guān)、矩陣運(yùn)算等算法中，都有一類(lèi)的運(yùn)算，其中包含大量重復(fù)乘法和累加。本系統(tǒng)采用PCF8583時(shí)鐘芯片用來(lái)顯示當(dāng)前的時(shí)間和日期，并可以通過(guò)鍵盤(pán)、液晶相結(jié)合對(duì)當(dāng)前時(shí)間和日期進(jìn)行設(shè)置；電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過(guò)FFT變換，計(jì)算出7次以下的諧波，通過(guò)液晶顯示出來(lái)；串行EPROM可以用來(lái)存放電壓、電流的定值，也可用來(lái)存放計(jì)算結(jié)果。本設(shè)計(jì)主要的外擴(kuò)芯片有：MAX125A/D轉(zhuǎn)換器；鎖相環(huán)；PCF8583時(shí)鐘芯片；鍵盤(pán)和液晶；串行EPROM存儲(chǔ)器。第n次諧波電壓含有率HRU HRU=100(%) （）式中是第n次諧波電壓(方均根值)是基波電壓(方均根值)。諧波電壓含UnUn=178。根據(jù)電能質(zhì)量供電電壓允許偏差GB1232590規(guī)定:%注:如供電電壓上下偏差同號(hào)(均為正或負(fù))時(shí)，按較大的偏差絕對(duì)值作為衡量依據(jù)。第二條本規(guī)定所稱(chēng)的電能質(zhì)量是指公用電網(wǎng)供到用戶受電端的交流電能質(zhì)量，其衡量的指標(biāo)有:電力系統(tǒng)的頻率偏差、供電電壓的允許偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相電壓(電流)不平衡度，電網(wǎng)諧波含量?？蛇x用不同窗函數(shù)(如矩形窗、海寧窗、布萊克曼窗、布萊克曼窗哈里斯窗)的插值算法，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，選用矩形窗插值算法和海寧窗插值算法能夠滿足測(cè)量精度的要求，但是實(shí)時(shí)性較差，要采集多周期的數(shù)據(jù)，精度隨著采樣點(diǎn)及采樣頻率的增多而增加。 插值算法可以消除柵欄效應(yīng)引起的誤差，而諧波間的泄漏引起的誤差則需用加窗 的方法來(lái)消除。矩形窗為 （）其對(duì)應(yīng)頻譜為 = （）持續(xù)時(shí)間為T(mén)的信號(hào)相當(dāng)于與的乘積 ()根據(jù)立葉變換的乘積定理， (t)的傅立葉變換為(w)與琳(w)的卷積 =2π ()若不計(jì)相位的變換， 就不再是單一的譜線，而是分布在整個(gè)頻率軸上，這就是說(shuō)能量不再集中，即產(chǎn)生了泄漏現(xiàn)象。設(shè)待測(cè)信號(hào)為x(t)，采樣間隔為△t秒，采樣頻率=1/△t滿足采樣定理，即大于信號(hào)最高頻率分量的兩倍。為了滿足采樣定理，必須進(jìn)行抗混疊低通濾波器的設(shè)計(jì)。理論研究指出，為了在采樣后真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)的信息，采樣率至少為信號(hào)的最高頻率分量的2倍。DSP控制器就是針對(duì)這些需求而設(shè)計(jì)的，并具有這樣的指令和運(yùn)算能力。如果輸入序列的序號(hào)k用二進(jìn)制數(shù)(例如k2 k1 k0)表示，則其倒位序二進(jìn)制數(shù)dk就是(k0 kl k2)，這樣，在原來(lái)自然順序時(shí)應(yīng)尋址x(k)的單元，現(xiàn)在倒位序?qū)ぶ泛髴?yīng)尋址x(dk)。為滿足分解和組合的需要，時(shí)間序列的長(zhǎng)度必須滿足N=2(L為整數(shù))的關(guān)系。快速傅里葉變換法的基本思想是利用復(fù)指數(shù)函數(shù)的周期性和對(duì)稱(chēng)性，充分利用中間運(yùn)算結(jié)果，使計(jì)算工作量大大減少。在實(shí)際的采樣電路中，根據(jù)所選芯片運(yùn)算量和電量諧波的精度來(lái)確定采樣的點(diǎn)數(shù)和采樣的方法。ipiq法適用范圍廣，不僅在電網(wǎng)電壓畸變時(shí)適用，在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí)也同樣有效。它克服了傅立葉變換在頻域完全局部化而在時(shí)域完全無(wú)局部性的缺點(diǎn)，即它在頻域和時(shí)域都具有局部性。 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波測(cè)量在理論上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在提高計(jì)算能力、對(duì)任意連續(xù)函數(shù)的逼近能力、學(xué)習(xí)理論及動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性分析等方面都取得了豐碩成果，已應(yīng)用于許多重要領(lǐng)域。由于諧波具有固有的非線性、隨機(jī)性、分布性、非平穩(wěn)性和影響因素的復(fù)雜性等特征，因此難以對(duì)諧波進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，為此許多學(xué)者對(duì)諧波測(cè)量問(wèn)題進(jìn)行廣泛研究，下面先介紹電力系統(tǒng)諧波測(cè)量的基本要求和諧波測(cè)量的幾種常用方法: 采用模擬帶通或帶阻濾波器測(cè)量諧波最早的諧波測(cè)量是采用模擬濾波器實(shí)現(xiàn)的。除此之外，在我們?nèi)粘Ｖ羞€有兩種諧波源，電弧爐和熒光照明燈。（3）數(shù)據(jù)顯示：可顯示電壓、電流的每一項(xiàng)的7次以下的諧波量，可顯示當(dāng)時(shí)間和日期。通過(guò)電力諧波的分析，對(duì)保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量、挖掘現(xiàn)有容量的潛力，具有十分重要技術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。非線性負(fù)荷從電網(wǎng)中吸收非正弦電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，因此通稱(chēng)為諧波源。其次是冶金、機(jī)械工業(yè)的發(fā)展使電弧煉鋼爐容量不斷擴(kuò)大，單臺(tái)容量由過(guò)去幾噸發(fā)展到300一400噸，相應(yīng)的電爐變壓器容量也由幾個(gè)MVA發(fā)展到100一20