【正文】 與一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計不同，本系統(tǒng)中 DSP 與 A/D 器件之間沒有采用硬件FIFO，而是 用軟件的方法在數(shù)據(jù)區(qū)開辟了 6 個 512 字節(jié)的存儲區(qū)域，來完成對采集數(shù)據(jù)的緩沖。 圖 51 主程序流程圖 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 33 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊完成對三相電壓三相電流進行交流采樣，數(shù)據(jù)采集模塊由TMS320LF2407A 的片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元完成。 所有 DSP 軟件模塊的功能都在主控模塊的調(diào)配下協(xié)調(diào)執(zhí)行。對于進行信號處理的 FFT 運算，則 采用 C 語言與匯編語言混合編寫，在 C 程序中的關(guān)鍵部分用匯編語句代替 C 語句以優(yōu)化程序的執(zhí)行效率 。其接口電路如圖412 所示 。 圖 411 鍵盤 LCD 電路 串行通信接口電路 在本系統(tǒng)中， TMS320LF2407A 與 PC 機通過串行 121 進行通信， PC 機從串行 121 向 DSP 按照一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送命令幀， TMS320LF2407A 接收到命令幀后按要求回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。 該模塊具有 ~ 的寬工作電壓范圍。為了便于簡單、方便地顯示漢字，該模塊具 2Mb 的中文字型 CGROM，該字型 ROM 中含有 8192 個 16 16 點陣中文字庫；同時，為了便于英文和其它常用字符 的顯示。 設(shè)計中 4 個按鍵直接接到 TMS320LF2407A 的 I/O 口上，采用查詢的方式讀取鍵值。如圖 410 中的三個二極管較好的解決了以上問題。由于作為日歷時鐘器件配制有電池供電，可作為 RAM 的保護電源，故 256 字節(jié)的 RAM 可視為非易失性 RAM。因為 TMS320LF2407A 的 A/D的參考的高低電壓分別是 和 0V， 所以本系統(tǒng)又設(shè)計了一個加法電路，使跟隨器輸出電流波形正向平移 ，也就是圖 49 中后面的 LM358 的 3 腳電壓等于 ，這樣就保證采樣電壓信號到達 TMS320LF2407A 的 A/D 前保持在0V~ 之間，滿足 A/D 輸入信號范圍。本電路主要由互感器、電壓跟隨器和加法電路三部分組成。 2． TMS320LF2407A 的 I/O 引腳的接口電壓為 ，所以，在進行 A/D 采樣之前也必須對輸入的模擬信號進行電平轉(zhuǎn)換，將其調(diào)整到 DSP 芯片可以承受的范圍之內(nèi)。 基于以上的考慮本系統(tǒng)采用 TMS320LF2407A 芯片內(nèi)部自帶 A/D。 2．采樣精度：采樣精度用 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié) 果的二進制位來表示，分為 8 位、 10位、 12 位 、 14 位、 16 位等；位值越高，采樣精度就越高。由于實際開發(fā)中使用的仿 真 器到電路板距離不遠 (小于 15 厘米 )，所以采用了如圖 48 所示的電路接法 。 本系統(tǒng)采用外圍供電電壓 5V 的方式，圖 46 為 5V 電源電路圖 1234D?B R I D G E 1C12 20 0u F / 2 20 VC31 00 0u F / 2 20 V C40 . 1u FC20 . 1u FV i n1GND2V ou t3U1 7 80 5A C I N 1A C I N 2+ 5V 圖 46 外接 5V 電源電路 但是 TMS320LF2407A 需要的是 的電壓，所以本系統(tǒng)選用 TPS7333Q，它是 TI 公司為了配合 DSP 而設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換芯片，輸入電壓 5V，輸出最大電流 500mA，連接電路如圖 47 所示。 4．模擬電路電壓 。 2． TMS320LF2407A 外設(shè)電壓 。本系統(tǒng)采用 10MHz的晶振，查閱相關(guān)芯片資料，選擇 R32=11， C29=， C30=。這對于整個電路板的電磁兼容性是很有好處的，因為外部只需要使用較低頻率的晶振，避免外部電路干擾時鐘。由于采用了外部震蕩器獲取時鐘源，所以 PLLF2 和 PLLF引腳要按照圖 45 所示的方法連接。 4．驅(qū)動能力：整個系統(tǒng)有多少 芯片需要提供時鐘。 圖 43 復(fù)位電路 首先要明確的一個概念是，如何選用系統(tǒng)時鐘 ?這可以從系統(tǒng)所需時鐘信號的電氣指標來說明。其接口電路如圖 42 所示 。 3． RD 信號：讀使能選通信號，讀選擇表示一個有效的外部讀周期，此信號對所有外部程序、數(shù)據(jù)、 I/O 空間有效。在外擴數(shù)據(jù)存儲器時，可以利用DS 信號來產(chǎn)生片選信號 。 TMS320LF2407A 為增強型哈佛 (HARVARD)總線結(jié)構(gòu)，具有獨立的程序、數(shù)據(jù)和 I/O 三個獨立的存儲空間，每個存儲空間為 64K l6 位。 圖 41 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計 DSP 最小系統(tǒng)是能使 DSP 正常工作的最基本的 DSP 系統(tǒng)。 將 ??tu 和 ??ti 分別用傅立葉級數(shù)表示展開，并考慮正弦函數(shù)的正交性，可得 ???? 0k kPP 同理可得無功功率表達： ???? 0k k 為了計算方便，功率因數(shù)采用下式求得： QP PSP 22c o s ???? 現(xiàn)有的電力參數(shù)檢測裝置由于大多采用傳統(tǒng)的 MCU 芯片，采樣點數(shù)大多為32 點和 64 點。 本設(shè)計采用 FFT 算法具體到電力參數(shù)中，將電壓序列 u(t)分解為基波和各次諧波分量的形式可得到： ? ? dttktuT Tkna ?? 0 c o s2 ? ? ? dttktuT Tknb ?? 0 s in2 ? 式中 k 代表諧波次數(shù) (k=0， 1， 2，? )，積分離散化后 ? ????? 10 2c o s2 Nnkn knNnuTa ? ? ????? 10 2s i n2 Nnkn knNnuTb ? 由此可以經(jīng)過計算得到第 k 次諧波的電壓的幅值、相角和有效值如下： 幅值： baUknknkn 22 ?? 相角： abknknk /tan 1??? 有效值： ? ?baUUknknknk 222121 ??? 同理，也可計算出電流的幅值，相角和有效值。 近幾年也相繼提出了許多改進方法，如短窗傅里葉變換、小波變換等。傅立葉變換法是將離散的采樣值經(jīng)過離散傅立葉變換 (DFT)轉(zhuǎn)換到頻域，求出基波和諧波分量，再求出有效值及功率，實際使用中可以采用快速傅立葉變換 (FFT)以提高運算速度。 DSP 控制器特有的反序間接尋址，就是專為 FFT 算法而設(shè)計的；其他的間接尋址方式還可以實現(xiàn)增／減 l 或增／減一個變址量，這就為各種查表方法的實現(xiàn)提供了方便。如果輸入按自然順序排列，則輸出就會變成碼位倒序排列；如果輸入、輸出均按照自然順序排列，則蝶形流圖的形狀會發(fā)生扭曲，造成不能即位運算或計算機內(nèi)存增加等新問題。這就使得運算時取數(shù)據(jù)的地址編排 “混亂無序 ”。 X1(k)， X2(k)仍是高復(fù)合數(shù)的 DFT，我們按照上述方法繼續(xù)給以分解。 把 N 點序列 x(n)， n=0， l， 2， n1 按 n為偶數(shù)和奇數(shù)分為兩個長為 N/2 的序列 ??? ??? )12()( )2()(21 rxr rxrxx r=0， 1， 2，?， N/21 注意到，由于 WeW NNjN 2/22 ?? ? ? ， 2，且 ??rx1 、 ??rx2 的 N， 2 點 DFT 分別為 ? ? ? ?? ? ? ????????????????1202/221202/11NrrknNrRKnWxXWxXrkrk 因此 N 點序列的 )(nx 的 DFT 可表示為 ? ? ? ?kkkX XWX kN 21)( ?? k=0， 1， 2，?， N1 X1(k)， X2(k)都是 N/2 點的 DFT， X(k)是 N 點的 DFT，因此單用 X1(k)表示 X(k)并不完全。 和周期性 WW knNnkN )1( ?? ，將長序列的 DFT分解為若干短序列的 DFT，然后將其合并。由于直接運算 DFT 的計算量太大，限制了 DFT 的應(yīng)用。隨著 N 的增大，運算次數(shù)迅速增加，例如。我們知道，乘法運算比加法運算復(fù)雜，且運算時間長。 通常 )(nx 、 )(kX 和 WnkN 錯誤 !未找到引用源。與式 (36)對比，只要將 )(kX 取共軛，然后直接利用 DFT公式 (36)，最后再將運算結(jié)果取一次共軛，并乘以 l/N。 1965 年，Cooly與 Tukey提出可大幅度減小 DFT 中的計算量的方法，這使得 DFT 真正得第三章 電力參數(shù)測量及其計算原理 15 到應(yīng)用并引起了數(shù)字信號處理算法的迅速發(fā)展。但傅立葉算法復(fù)雜，運算量大，傳統(tǒng)的單片機芯片難于滿足系統(tǒng)對實時性的要求。進而可以求得視在功率，無功功率、功率因數(shù)分別為 UIS? ， PsQ 22 ?? ， UIP??cos 均方根算法可以對采樣值直接進行運算得到電流、電壓有效值、有功、無功功率以及功率因數(shù)等各個電力參數(shù)值，但是均方根算法不能對電力系統(tǒng)的諧波進行 分析 。 半周期積分法有一定的濾除高頻分量的能力，因為疊加在基頻成分上的幅度不大的高頻分量在算法中其對稱的正負半周期相互抵消，剩余的未被抵消的部分所占比重就相應(yīng)減少了，但是該算法不能抑止直流分量 。 半周期積分法的依據(jù)是一個正弦量在任意半個周期內(nèi)絕對值的積分為一常數(shù) S。但它要求采樣速率較高，并且測量結(jié)果必須通過一定的數(shù)值算 法求出來，計算量相對較大，對微處理器的計算速度要求較高。對于電氣信號的某些參數(shù) (如高次諧波 )的測量用直流采樣無法實現(xiàn)； 5．變送器體積大，價格較貴； 6．當信號中含有高次諧波或其它噪聲時 ， 測量誤差大。由于這些特點，在微機引入電氣測量的初期，此方法得到廣泛應(yīng)用。 電力參數(shù)的直流采樣算法 直流采樣即采集經(jīng)過變送器整流后得直流量。 在電氣信號的檢測中，采用微處理器的數(shù)字式測量方式精度好、功能強、智能化程度高、檢測結(jié)果易于傳輸和與控制系統(tǒng)共享，較傳統(tǒng)測量方式具有較大的優(yōu)越性，因而受到普遍歡迎，目前廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制 、 試驗等各領(lǐng)域。SECTIONS 偽指令的一般語法是： SECTIONS { name： [property, property, property, ?] name： [property, property, property, ?] name： [property, property, property, ?] } 每一個以 name(名字 )開始的段說明定義了一個輸出段。 有效的 4 個屬性包括： R 規(guī)定存儲器只讀； W 規(guī)定存儲器只寫； X 規(guī)定存儲器可以包含可執(zhí)行代碼； I 規(guī)定存儲器可以被初始化 。 name 命名存儲器范圍。 MEMORY 偽指令用來標示實際存在的目標系統(tǒng)中可被使用的存儲器范圍，每個存儲器范圍都有名字、起始地址和長度。 這四種類型的文件必須存儲在同一個文件夾中。 C 語言文件則根據(jù)實際情況而定，一般程序的復(fù)位和中斷向量需要用匯編語言編寫；頭文件定義 DSP 內(nèi)部寄存器的地址分配，書寫一次后可被其他程序反復(fù)使用；命令文件主要定義堆棧、程序空間分配和數(shù)據(jù)空間分配等。 C 語言 DSP 程序的開發(fā)流程如圖 22 所示 。鏈接器的輸入是可重定位的 COFF 目標文件和目標庫文件，它也可以接受來自文檔管理器中的目標文件以及鏈接以前運行時所產(chǎn)生的輸出模塊。 1． C 編譯器 (C piler)將 C 語言源代碼程序自動地編譯成 C20xx 的匯編語言源代碼程序。 DSP 編程 DSP 芯片的開發(fā)需要一套完整的軟、硬件開發(fā)工具 。減小了控制器的功耗； 2． 40MIPS 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到 25ns(40MHz)，從而提高了控制器的實時控制能力； 3． 片內(nèi)有高達 32K 的 FLASH 程序存儲器，高達 字 的數(shù)據(jù)，程序 RAM，544 字雙口 RAM(DARAM)和 2K 字的單口 RAM(SARAM)； 4．可擴展的外部存儲器總共 192K 字空間： 64K 字 程序存儲器空間； 64K字 數(shù)據(jù)存儲器空間； 64K 字 I/O 尋址空間； 5．看門狗定時器模塊 (WDT)； 6． 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為 500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個 8 通道輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器或 一 個 16 通道輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器； 7．控制器局域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 模塊； 8．串行通信接口 (SCI)模塊； 9． 16 位的串行外設(shè) (SPI)接口模塊； 10．基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器； 11．高達 40 個可單獨編程或復(fù)用的通用輸入，輸出引腳 (GPIO)； 第二章 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 7 12． 5 個外部中斷 (兩個電機驅(qū)動保護、復(fù)位和兩個可屏蔽中斷 )； 13．電源管理包括 3 種低功耗模式，能獨立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式 ?？紤]到以上技術(shù)要點，本設(shè)計采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 作為本系統(tǒng)的主處理器，采用其豐 富的片內(nèi)外設(shè)，來完成系統(tǒng)整體功能。 本系統(tǒng)的研制將進一步推進電力系統(tǒng)的自動化水平，真正做到電力參數(shù)的實時采集和處理，便于電力系統(tǒng)管理人員正確掌握各項電力參數(shù)，對于保證電力系統(tǒng)運