DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)便攜式電能質(zhì)量分析設(shè)計(jì)方案

隨著國家工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，一方面，非線性、沖擊性和不平衡負(fù)荷的大量增長使得電能質(zhì)量惡化;另一方面，隨著信息技術(shù)的發(fā)展。越來越多的敏感負(fù)載對電能質(zhì)量的要求也越來越高。這就要求電能質(zhì)量檢測分析設(shè)備具有實(shí)時(shí)檢測、快速分析、實(shí)時(shí)顯示的能力。采用高性能數(shù)字信號處理器(DSP)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(ARM)雙處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)電能質(zhì)量分析儀能滿足上述要求。DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電壓、電流信號的實(shí)時(shí)采集處理，通過加窗傅里葉變換和小波算法得到電能質(zhì)量參數(shù);ARM嵌入式平臺運(yùn)行WinCE操作系統(tǒng)完成人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示等功能。該系統(tǒng)為儀器的可擴(kuò)展性和智能化建立了良好的軟硬件平臺。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

便攜電能質(zhì)量分析儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以功能實(shí)現(xiàn)和便攜式設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，并兼顧系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該硬件系統(tǒng)包括信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集與處理、ARM嵌入式平臺、協(xié)控制器和電源系統(tǒng)5個(gè)模塊，系統(tǒng)框架如圖1所示。電網(wǎng)電壓電流信號經(jīng)調(diào)理電路預(yù)處理;采用高速ADC數(shù)字化后由DSP處理器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)緩存及快速、準(zhǔn)確的分析計(jì)算;采集到的波形數(shù)據(jù)和分析計(jì)算結(jié)果通過FIFO傳遞到ARM嵌入式平臺;采用LCD實(shí)現(xiàn)波形和分析結(jié)果顯示;采用SD卡或USB存儲(chǔ)設(shè)備來存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)以便回放或進(jìn)一步深入分析;利用鍵盤或觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能;設(shè)置RS 232、USB和網(wǎng)絡(luò)接口，便于實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量分析儀的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化擴(kuò)展。

系統(tǒng)中采用CPLD芯片設(shè)計(jì)了協(xié)控制器。它的作用主要是產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器所需要的采樣時(shí)鐘、完成采樣通道的時(shí)序控制、綜合FIFO讀時(shí)鐘邏輯、網(wǎng)卡地址控制邏輯和DSP啟動(dòng)模式的設(shè)置。系統(tǒng)硬件電路配有多種電源，通過對系統(tǒng)各模塊電源進(jìn)行控制，以及使DSP按測量需求工作在節(jié)電模式等措施實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用電池供電，滿足便攜式儀器要求。

1.2 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

電能質(zhì)量分析儀需要有較高的測量準(zhǔn)確度，并且電網(wǎng)電壓電流信號除了50 Hz工頻分量以外，還包含電壓瞬變、短時(shí)電壓驟升驟降等因素引起的高頻分量;按照一般電網(wǎng)測試要求，需要檢測8路信號(4路電壓和4路電流);這里需要高速、高分辨率、多通道、低功耗的ADC芯片。 TI公司出品的AD7655是一款低成本、4通道、1 MSPS采樣率、16位ADC芯片。該芯片典型功耗為120 mW，采樣率為10 KSPS時(shí)只有2.6 mW，滿足系統(tǒng)低功耗要求;芯片內(nèi)有兩個(gè)低噪聲、寬頻帶的采樣保持器和相應(yīng)的模擬開關(guān)，允許兩個(gè)通道同時(shí)采樣。選用兩片AD7655可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

數(shù)字信號處理器選用ADI公司的ADSP-21161N32位浮點(diǎn)DSP芯片。該芯片采用超級哈佛結(jié)構(gòu)，擁有多條內(nèi)部總線、高速運(yùn)算單元、大容量存儲(chǔ)器、靈活多樣的外部接口。它的內(nèi)核工作頻率可達(dá)100 MHz，外部總線工作頻率可達(dá)50 MHz，運(yùn)算處理速度可高達(dá)600 MIPS，以較低的工作頻率實(shí)現(xiàn)了較高的處理能力，同時(shí)降低了功耗。而ADI公司提供的根據(jù)處理器量身制作的IDE環(huán)境極大的方便了DSP軟件開發(fā)，最大程度上發(fā)揮了處理器的性能。

兩片AD7655與DSP通過“三線”SPI接口連接，DSP對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存并進(jìn)行一系列運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果通過LINK PORTS接口發(fā)送給FIFO實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。ADC的采樣時(shí)鐘、每個(gè)ADC中的通道切換和雙ADC調(diào)度等控制邏輯由協(xié)控制器實(shí)現(xiàn)。

1. 3 協(xié)控制器

協(xié)控制器邏輯電路框圖如圖2所示。圖2中，采樣時(shí)鐘發(fā)生器為A/D轉(zhuǎn)換器提供采樣時(shí)鐘;ADC通道輪換控制電路協(xié)調(diào)8個(gè)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換次序，協(xié)助DSP準(zhǔn)確地讀取各相電壓電流信號;DSP啟動(dòng)模式控制電路協(xié)助DSP上電初始化程序從FLASH自啟動(dòng);FIFO讀時(shí)鐘邏輯電路由ARM嵌入式平臺控制，產(chǎn)生讀時(shí)鐘，完成DSP與ARM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸;網(wǎng)卡地址控制邏輯為CS8900網(wǎng)卡提供讀寫邏輯。

1.4 ARM嵌入式平臺

ARM嵌入式平臺硬件配置如圖1所示。選用三星公司S3C2410芯片，外擴(kuò)64 MB SDRAM和64 MBFLASH。該嵌入式平臺有眾多外設(shè)接口：SPI接口用于和DSP命令傳輸;LCD接口用于TFT液晶屏的驅(qū)動(dòng);USB接口適用于多種即插即用設(shè)備;SD卡接口可插入大容量SD卡用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ);觸摸屏接口可實(shí)現(xiàn)觸摸屏控制。為了實(shí)現(xiàn)儀器的網(wǎng)絡(luò)化，該系統(tǒng)擴(kuò)展了網(wǎng)卡芯片CS890OA;為了系統(tǒng)調(diào)試的安全性，將RS 232接口進(jìn)行隔離處理。

ARM與DSP之間通信和數(shù)據(jù)傳輸通過SPI接口和FIFO實(shí)現(xiàn)。ARM通過SPI接口發(fā)送命令，使DSP進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算及傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)定ARM為主設(shè)備，DSP為從設(shè)備。FIFO用于傳輸DSP的計(jì)算結(jié)果和波形數(shù)據(jù);FIFO芯片采用低功耗異步芯片SN74ALVC7805，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)50 MHz，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)深度為256 B。

ARM嵌入式平臺移植了WinCE操作系統(tǒng)。WinCE操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)管理、圖形界面、開發(fā)環(huán)境等方面有著特有的優(yōu)勢，這為便攜式電能質(zhì)量分析儀的人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)化擴(kuò)展提供了便利。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括ARM部分WinCE操作系統(tǒng)定制、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和DSP部分?jǐn)?shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)。

2.1 WinCE操作系統(tǒng)定制及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

WinCE是模塊式、多任務(wù)、實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，微軟公司提供了功能強(qiáng)大的開發(fā)工具，WinCE操作系統(tǒng)定制包括操作系統(tǒng)內(nèi)核定制、各相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序編寫等。其內(nèi)核的定制使用PB(Platform Builder)軟件，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)使用EVC(Embedded Visual C++)。

系統(tǒng)應(yīng)用程序是在WinCE5.O上由VS 2005(Visual Studio 2005)開發(fā)的C#窗體應(yīng)用程序，其主要功能為：實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面、合理的功能設(shè)定、數(shù)據(jù)的接收顯示及存儲(chǔ)、對DSP和系統(tǒng)電源的控制等。

電能質(zhì)量分析儀應(yīng)用程序的界面是根據(jù)不同的測量用途來劃分的，分為示波器、功率和能量、諧波、向量圖、驟升驟降、閃變和瞬態(tài)等顯示界面，不同的顯示界面運(yùn)行著不同的顯示線程，每一個(gè)顯示線程都有一個(gè)對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸模式。ARM根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模式來給DSP處理器發(fā)送命令，進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算和傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖3所示，程序啟動(dòng)后，DSP通過SetiaIs中斷讀取ADC采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)接收SPI中斷，根據(jù)ARM系統(tǒng)的命令進(jìn)行相應(yīng)的電能質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算，將計(jì)算數(shù)據(jù)通過Link Port傳送給FIFO供ARM系統(tǒng)讀取;IRQ0中斷用于控制數(shù)據(jù)傳送的節(jié)奏和數(shù)據(jù)同步。

2.3 數(shù)據(jù)處理算法介紹

電能質(zhì)量分析儀需要對電力信號進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析。穩(wěn)態(tài)分析包括檢測三相電壓、電流的有效值，電網(wǎng)頻率，電壓、電流的各次諧波及諧波總畸變率，電壓、電流中的正序和負(fù)序分量;三相不平衡等的計(jì)算。暫態(tài)信號分析包含電壓瞬變、短時(shí)電壓驟升、驟降、電壓閃變、短時(shí)嚴(yán)重波形畸變等檢測內(nèi)容。相對于穩(wěn)態(tài)分析，暫態(tài)電能質(zhì)量分析需要對信號進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測量與分析。

FFT變換是電能質(zhì)量分析的重要工具，為提高采用FFT變換的計(jì)算精度，需要通過硬件或軟件方法實(shí)現(xiàn)整周期采樣。整周期采樣就是要求采樣的數(shù)據(jù)剛好是信號的整個(gè)周期或是倍數(shù)，也就是假如信號周期為T，就是要保證：N/fs=L×T其中，L為整數(shù);fs為采樣頻率;N為采樣點(diǎn)數(shù)。

在實(shí)際采樣中，通常做不到整周期采樣，即使知道信號的周期，采取同步采樣，也只能使信號中的某些頻率(工頻及其倍頻)接近整周期采樣，而不能使信號中所有的頻率成分(如噪聲等)都是整周期采樣。非整周期采樣的直接的后果就是頻譜泄露，使獲得的頻率成分不準(zhǔn);第二個(gè)后果就是對于頻率相隔較近的多頻率成分信號來說，會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

為簡化硬件設(shè)計(jì)本文采用非整周期采樣，通過加窗傅里葉變換來減小頻譜泄露和干涉。通過加窗傅里葉變換法可以精確計(jì)算出50次以下諧波的幅值和相位。從諧波分析結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算可以得到三相系統(tǒng)各相的有效值、頻率、功率、相位差、失真度和不平衡度等基本電參數(shù)。

微分算子可以檢測瞬變，而小波濾波器的N階消失矩和N次卷積微分算子具有等價(jià)關(guān)系。在此原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于小波變換的電壓瞬變檢測算法。在短時(shí)電壓驟升驟降和浪涌電流檢測中，使用了實(shí)時(shí)真有效值計(jì)算方法，通過有效值與閾值的比較來判斷有無事件發(fā)生。電壓閃變的評估使用了IEC推薦的同步檢波法，通過IEC測試數(shù)據(jù)對閃變測量值進(jìn)行校準(zhǔn)。在此硬件平臺所設(shè)計(jì)的暫態(tài)電能質(zhì)量分析軟件可實(shí)現(xiàn)對電壓瞬變、短時(shí)電壓驟升驟降、浪涌電流、諧波、三相不平衡度、電壓閃變等項(xiàng)目的測量。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

搭建了以Chroma 61702功率信號源及三相交流電機(jī)組成的Y型接法測試系統(tǒng)，對本檢測系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析功能和暫態(tài)分析功能進(jìn)行檢測。實(shí)測表明該系統(tǒng)具有較高的測量精度，能夠精確測量電壓電流有效值、功率能量值、最高50次諧波分量、三相不平衡度、短時(shí)閃變值和長時(shí)間閃變值，各項(xiàng)測試指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

該儀器可以捕捉電網(wǎng)實(shí)時(shí)真有效值并顯示結(jié)果，方便觀測者檢測電網(wǎng)電壓事件，同時(shí)本儀器可以實(shí)時(shí)捕捉電壓電流波動(dòng)與閃變、電壓跌落等事件，并將事件存儲(chǔ)于SD卡中以便用戶隨時(shí)讀取。

4 結(jié)語

本文從便攜式儀器設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種電能質(zhì)量分析儀。該儀器用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理，快速準(zhǔn)確的計(jì)算出各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)，能夠進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析;用ARM嵌入式平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、人機(jī)界面及系統(tǒng)控制，結(jié)合WinCE操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性，為實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量分析儀智能化及網(wǎng)絡(luò)化提供了良好的平臺。通過實(shí)際測試，表明該儀器各項(xiàng)指標(biāo)均滿足IEc電能質(zhì)量測量標(biāo)準(zhǔn)。通過選用低功耗器件，以及采用電源控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗;系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡潔，集成度比較高，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的便攜式設(shè)計(jì)。