基于DSP+ARM的便攜式電能質(zhì)量分析儀設(shè)計

 引言

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)備具有實時檢測、快速分析、實時顯示的能力。采用高性能數(shù)字信號處理器(DSP)和嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)(ARM)雙處理器架構(gòu)設(shè)計電能質(zhì)量分析儀能滿足上述要求。DSP系統(tǒng)實現(xiàn)電壓、電流信號的實時采集處理，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、實時顯示等功能。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

便攜電能質(zhì)量分析儀硬件系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)以功能實現(xiàn)和便攜式設(shè)計為基礎(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

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)實現(xiàn)緩存及快速、準(zhǔn)確的分析計算；采集到的波形數(shù)據(jù)和分析計算結(jié)果通過FIFO傳遞到ARM嵌入式平臺；采用LCD實現(xiàn)波形和分析結(jié)果顯示；采用SD卡或USB存儲設(shè)備來存儲大量的數(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鐘、完成采樣通道的時序控制、綜合FIFO讀時鐘邏輯、網(wǎng)卡地址控制邏輯和DSP啟動模式的設(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)電模式等措施實現(xiàn)了系統(tǒng)低功耗設(shè)計。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時只有2．6 mW，滿足系統(tǒng)低功耗要求；芯片內(nèi)有兩個低噪聲、寬頻帶的采樣保持器和相應(yīng)的模擬開關(guān)，允許兩個通道同時采樣。選用兩片AD7655可滿足系統(tǒng)設(shè)計需要。

數(shù)字信號處理器選用ADI公司的ADSP-21161N32位浮點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現(xiàn)了較高的處理能力，同時降低了功耗。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，將計算結(jié)果通過LINK PORTS接口發(fā)送給FIFO實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。ADC的采樣時鐘、每個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，采樣時鐘發(fā)生器為A／D轉(zhuǎn)換器提供采樣時鐘；ADC通道輪換控制電路協(xié)調(diào)8個通道的數(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啟動模式控制電路協(xié)助DSP上電初始化程序從FLASH自啟動；FIFO讀時鐘邏輯電路由ARM嵌入式平臺控制，產(chǎn)生讀時鐘，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；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；觸摸屏接口可實現(xiàn)觸摸屏控制。為了實現(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)在實時管理、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。