【正文】 合考慮。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時 ,計數(shù)器輸出信號的頻 率 (CD4040 的管腳 12)和鎖相環(huán)的輸入信號 (CD4046 的管腳 3)的頻率相等 ,于是在計數(shù)器的輸入端 (CD404O 的管腳 10)得到 2k 倍頻輸出信號。以 CD4046 為核心的鎖相電路對過零檢測的輸出信號 Vo2 進(jìn)行自動跟蹤 ,鎖相倍頻電路如圖 。 C ?運 算 放 大 器R ?5 . 1 KR ?5 . 1 KR ?2 0 MR ?1 0 0 KR ?1 0 0 K R ?5 . 1 KR ?1 0 K3 . 3 VG N DG N DD ?二 極 管G N D 圖 過零檢測電路 倍頻鎖相電路 鎖相環(huán)電路主要由相位比較器 PC、低通濾波器 LPF、壓控振蕩器 VCO3 部分組成。過零檢測電路的輸出信號位 5V,為了匹配 AD7656 和 DSP的電平 ,信號需要一個光耦隔離作為緩沖。電路中 ,Vo1 是來自信號調(diào)理環(huán)節(jié)的一相電壓信號 ,Vo2 為同相位的方波信號。 采用歸一化方法設(shè)計該低通濾波器，歸一化低通濾波器原理圖及其頻率響應(yīng)曲線如下圖 所示。 為了保證 50 次以內(nèi)的諧波分量不被濾掉，通帶幅值平坦范圍為 02500Hz設(shè)計中取一定的余量，取通帶邊界頻率為 kHzc 3f ? 。綜合各方面的因素，本設(shè)計選用巴特沃斯濾波器。巴特沃斯濾波器的通頻帶幅值響應(yīng)最為平坦，但高于截止頻率的衰減度較小，且相位線性度差 。 電能質(zhì)量裝置要求抗混疊低通濾波器有很好的平坦通帶幅值響應(yīng)。 23184A23184A23184A+12V12VD1D2C2R5AD CIN+R4R3+R2R7+12V12VR1C1IinIoutR6T?Trans 圖 電流信號調(diào)理電路 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 15 抗混疊濾波 測量裝置在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換之前 ,需要對模擬信號進(jìn)行抗混疊濾波 ,濾除高于二分之一采樣頻率的諧波成分 ,防止采樣信號的頻譜混疊。在 A/D 入口端采用二極管鉗位，防止 A/D 輸入電壓越界。 交流電壓調(diào)理電路見圖 ，由圖可知該電路由 3部分組成：第 1部分為射極跟隨器．以提高電路的輸入阻抗：第 2部分是電壓偏移電路：第 3部分為箝位限幅電路，以保證輸出電壓信號在 ～ 3 V，滿足 A/D輸入信號范圍。 電 壓 傳 感 器電 流 傳 感 器調(diào) 理 電 路調(diào) 理 電 路A D 7 6 5 6T M S 3 2 0 F 28 3 3 5 D S P液 晶 顯示C C 2 5 3 0鍵 盤 控制上 位 機(jī) 圖 系統(tǒng)整體框圖 信號調(diào)理電路設(shè)計 交流電壓變送器以 0～ 5 V的交流電壓作為輸出信號。為了使系統(tǒng)具有無線通信功能 ,在設(shè)計中采用 CC2530 芯片 ,可以及時把現(xiàn)場采集的電能相關(guān)參數(shù)通過 ZIGBEE 協(xié)議以無線通信的形式傳送到上位機(jī)從而實現(xiàn)對電能實時監(jiān)控和管理。 工作頻段靈活 :使用的頻段分別為 2. 4 CGHz(全球 ),868 MHz(歐洲 )及 915 MHz(美國），均為免執(zhí)照頻段。 優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?:ZigBee 設(shè)備具有無線網(wǎng)絡(luò)自愈能力， ZigBee 具有星、樹和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力，因此通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芎唵蔚馗采w廣闊范圍。這也是 ZigBee 的支持者一直引以為自豪的獨特優(yōu)勢。 數(shù)據(jù)傳輸速率低 :只有 10^250 KB/s,專注于低傳輸應(yīng)用。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 12 安全 :ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的 AES 一1280。通常時延都在 15^30 ms 之間。節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?。另外?ZigBee 可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。除此之外，每一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 (FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，與多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點 (RFD)無線連接。每個移動基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到 1000 元人民幣。例如，可以通過互聯(lián)網(wǎng)在北京監(jiān)控云南某地的一個 ZigBee 控制網(wǎng)絡(luò)。每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的 75 m，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里。 ZigBee 是一個由可多達(dá) 65 000 個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，十分類似現(xiàn)有移動通信的 CDMA 網(wǎng)或 GSM 網(wǎng)。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以通信效率非 常高。它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)與藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，此前被稱作 HomeRF Lite 或 FireFly 無線技術(shù)，主要用于近距離無線連接。哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、 特殊的DSP指令 ,再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計 ,可使 DSP的指令周期在 50ns以下 ,現(xiàn)在高 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 11 性能的 DSP 指令周期可以達(dá)到 5ns。例如 C54xDSP 的 FIRS指令 ,專門用于 FIR(有限脈沖響應(yīng) )濾波運算。 (4)特殊的 DSP 指令。 (3)多總線結(jié)構(gòu)。于是在 DSP 芯片中設(shè)計了硬件乘法器 ,并且運算所需時間最短 ,僅為一個 機(jī)器周期。 (2)專用的硬件乘法器。采用流水線技術(shù)可使 DSP 芯片單周期完成乘法累加運算 ,極大地提高了運算速度從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。由于這種結(jié)構(gòu)的程序總線和數(shù)據(jù)總線分離 ,因而可以在一個機(jī)器周期內(nèi)同時 獲取程序存儲器內(nèi)的指令字和數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)的操作數(shù) ,從而提高了執(zhí)行速度。諾依曼結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)總線和指令總線是公用的 ,因而在高速運算時在傳輸通道上會出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 10 DSP 芯片特點及基本結(jié)構(gòu) 根據(jù)數(shù)字信號處理的要求 ,DSP 一般具有如下特點 : (1)在一個指令周期內(nèi) ,可完成一次乘法和一次加法； (2)程序和數(shù)據(jù)空間分開 ,可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； (3)片內(nèi)具有快速 RAM,通常可以通過獨立的數(shù)據(jù)總線 ,在兩塊芯片中同時訪問； (4)具有低開銷或無開銷的循環(huán)及跳 轉(zhuǎn)的硬件支持； (5)具有快速的中斷處理和硬件 1/0 接口支持； (6)具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器； (7)可以并行執(zhí)行多個操作； (8)支持流水線操作 ,取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行； DSP 具有以下基本結(jié)構(gòu) : (1)哈佛結(jié)構(gòu)。 CZxx 集多片 DSP 芯片于一體的高性能 DSP芯片以及目前速度最快的第六代 DSP 芯片 C62x/67x 等。尤以 T1 公司生產(chǎn)的系列 DSP 芯片影響力最大 ,應(yīng)用最為廣泛。生產(chǎn) DSP 器件的公司數(shù)量增多并且規(guī)模不斷壯大 ,DSP 廠家除 TI 公司外 ,還有美國模擬器件公司 (AD)、朗訊 (ATamp。而后 ,數(shù)字信號處理器憑著其特有的靈活性、精確性、穩(wěn)定性、可重復(fù)性、體積小、功耗小、 易于大規(guī)模集成 ,特別是可編程性和易于實現(xiàn)自適應(yīng)處理等特點 ,給數(shù)字信號處理帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇 ,并使得信號處理手段更加靈活 !功能更加復(fù)雜 ,其應(yīng)用領(lǐng)域也拓展到國民經(jīng)濟(jì)生活的諸多方面。 20世紀(jì) 60年代以來 ,隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的進(jìn)步 ,數(shù)字信號處理技術(shù)得到迅速的發(fā)展。通常以額定電壓的百分?jǐn)?shù)來表示電壓變動的相對百分值ΔU,即 : ???? UNUUU 21 100％ 系統(tǒng)在同一方向小于 30ms的快速變化不計入電壓變動 ,小于 30ms的期間內(nèi) ,同方 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 9 向的電壓均方根值的變動只算作一次變動 ,在單位時間內(nèi)電壓變動的次數(shù)稱為電壓變動的頻度。 額定電壓 額定電壓實際電壓電壓偏差 ?100％ 式中實際電壓為實際測量電壓 ,額定電壓為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。 電壓偏差的測量 電壓允許偏差是指電力 系統(tǒng)電壓緩慢變化時 ,實際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差。 (4)DFT(FFT)類算法及其改進(jìn)算法。 (2)解析法 :通過對信號觀測模型進(jìn)行數(shù)學(xué)變換 ,將待測量 f 或Δ f 表示為樣本值的顯函數(shù)來估計 ,但精度總體不高。該方法概念清晰，易于實現(xiàn) ,其公式如下 : 數(shù)據(jù)點數(shù)相應(yīng)過零點數(shù)內(nèi)的 過零點數(shù)采樣頻率被測信號頻率 AD2 ? ?? 對它的改進(jìn)主要是提高實時性和測量精度。 進(jìn)行頻率測量的主要算法有 : (1)周期法 :周期法即為零交法。2c o s)(21010aknNnuTknNnuTNnknNnknb ?????????? 經(jīng)過計算得到第 k 次諧波的電壓的幅值、相角有效值如下；2)()22kn (UUUabbaknkknknkknkna rctg????? 同理，也可計算出電流的幅值、相角和有效值。c o s)(2a 式中 k 代表諧波的次數(shù)（ k = 1 , 2 ,3 , . . . ），積分離散化后可得：。將電壓序列 u(t)分 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 7 解為基波和各次諧波分量的形式可以得到： ????TknTknk w t d ttuTk w t d ttuTb00。為解決以上問題，本文選用 TMS320F28335 數(shù)字信號處理芯片 為測量系統(tǒng)的核心，以提高三相電參數(shù)的測量速度和精度。交流采樣技術(shù)具有計算靈活、響應(yīng)快、精度高等特點，得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)被采集信號的不同，數(shù)據(jù)采集可分為直流采樣和交流采樣兩大類。 基本電參數(shù)計算 系統(tǒng)基本測量的參數(shù)主要包括：電流有效值、電壓有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)。 低通濾波數(shù)模轉(zhuǎn)換 微處理器分頻器壓控震蕩器低通濾波相位比較 圖 鎖相法 （ 2） 軟件修正同步偏差的方法 軟件法原理主要是通過對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以達(dá)到抑制同步偏差。 鎖相環(huán)法的特點是采樣頻率可以實時跟蹤輸入信號頻率，且處理器不再需要產(chǎn)生采樣觸發(fā)信號，可以專注于更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算處理。 硬件電路鎖相環(huán)法原理是由相位比較器、低通濾波器和壓控振蕩器三個環(huán)路部件組成的一個反饋控制系統(tǒng)，硬件鎖相環(huán)路法的原理見圖 。若將寬為 ?? Ttt 00 ?， 的 區(qū)間上等間隔分為 N 段，均勻采樣得 N 個數(shù)據(jù)，上式即為同步采樣的理論基礎(chǔ)，而實際應(yīng)用中由于電網(wǎng)周期的波動，使得當(dāng)以固定采樣頻率對電網(wǎng)信 號采樣時， N 個采樣點不一定均勻分布在一個周期上，這時采樣區(qū)間變成了?? ???Ttt 00, ，Δ是同步時間誤差，此時式 的計算結(jié)果與 f(t)實際的平均值之間存在一定的偏差，為了消除這種誤差，一般來說有硬件和軟件兩方面的修正方法。 理想的電網(wǎng)信號是交變的正弦周期信號，因此從理論上來說電網(wǎng)參數(shù)，如電壓電流有效值，或平均功率等的計算都是對一個函數(shù)在一個周期或幾個周期平均值的計算。同步采樣是 FFT 算法的基本條件。 第五章分析與小結(jié)；對全文的內(nèi)容和不足之處進(jìn)行了分析、總結(jié)。 第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計：本章主要對組成和實現(xiàn)功能的整個系統(tǒng)的各個模塊的劃分，組成模塊硬件設(shè)備的選型分析，然后對系統(tǒng)的功能模塊各部分實現(xiàn)功能和流程作詳細(xì)設(shè)計 ,尤其是各部分的同步和協(xié)調(diào)；最后基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)輸入與處理，通信功能模塊部分作了詳細(xì)設(shè)計 ,為整個系統(tǒng)的調(diào)試與功能完成奠定了基礎(chǔ)。各章節(jié)主要內(nèi)容和章節(jié)安排如下： 第一章緒論：本章主要敘述相關(guān)的課題背景 ,包括課題的提出，課題的需求分析，課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本課題的研究目標(biāo)和重點難點。 本課題的設(shè)計目標(biāo)，要點 設(shè)計目標(biāo) 1 總體設(shè)計電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ,完成 DSP 芯片選型 ,外 圍電路設(shè)計 ,AD模塊，通信模塊的設(shè)計； 2三相電壓、電流的有效值的測量，有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)的計算分析； 3編寫 DSP 相關(guān)的底層驅(qū)動程序 ,實現(xiàn) AD7656 的采樣控制和 CC2530 通信； 要點及難點 1 針對單相斷電或過零檢測壞節(jié)多次觸發(fā)而引起采樣中斷或失步等情況 ,加設(shè)防采樣失步控制邏輯 ,使得 AD 采樣的觸發(fā)可選的由鎖相倍頻的輸出保證系統(tǒng)能在惡劣壞境下的正常采樣； 2設(shè)計和實現(xiàn)鎖相環(huán)電路 ,保證了系統(tǒng)的整周期采樣； 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 4 3