基于ADSP2191M和AD73360實現(xiàn)電力測量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

電能質(zhì)量是衡量電網(wǎng)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，電能質(zhì)量問題包含電壓凹陷（sag）、電壓隆起（swell）、尖峰脈沖（spikes）、諧波畸變（harmonic aberration）和電氣噪聲（electric yawp）等，其中對電能質(zhì)量影響最大的就是諧波畸變。因此，本系統(tǒng)的設(shè)計就是以對諧波畸變分析為主要目的。這方面的研究比較多，而且也開發(fā)出了相應(yīng)的設(shè)備。以往的配電網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備多以51、96系列單片機為處理器，在精度和速度方面都不能滿足電力系統(tǒng)的要求，還有就是用TI公司的DSP作為處理器，并配合ADC來完成系統(tǒng)設(shè)計。ADI公司先后上市了ADE7753、ADE7758等電力測量專用芯片，并成功地將它們應(yīng)用到電網(wǎng)當(dāng)中。最近，ADI公司又推出了高性能的強強組合，即DSP＋ADC的電力測量方案。此監(jiān)控系統(tǒng)就是采用這一組合實現(xiàn)的。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

圖2 軟件框圖

ADC簡介

AD73360是ADI公司推出的一款專門應(yīng)用于電能質(zhì)量監(jiān)測的IC，與一般ADC相比，AD73360有如下優(yōu)勢：6路獨立的A/D轉(zhuǎn)換通道，不僅互不干擾，而且嚴(yán)格保證采樣同步；高精度，6個16位轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換通道非常適合電能質(zhì)量監(jiān)測的需要。采樣速率可在8KHz、16KHz、32KHz范圍內(nèi)編程設(shè)置，適應(yīng)范圍廣。AD73360為適應(yīng)不同的場合提供了直流/交流、單端/差動4種不同的輸入方式；采用串行接口，與DSP芯片的連接非常簡單。無論從精度、速度、采樣路數(shù)或者同步采樣的實現(xiàn)來考慮，在電力監(jiān)測系統(tǒng)中使用AD73360都是比較理想的選擇。

DSP簡介

系統(tǒng)采用的DSP處理芯片ADSP2191M是ADI公司的16位定點DSP。ADSP2191M處理器具有的資源概括如下：可訪問的存儲空間大小為16M words，分為256頁，每頁的大小為64K words，其中第0頁是內(nèi)部RAM，第255頁是內(nèi)部ROM，其它空間被分為4個部分，并由ms0“ms3進(jìn)行選擇。有256頁I/O存儲區(qū)間，每頁的大小為1K words，其中前8頁為內(nèi)部I/O存儲區(qū)間，其它為外部I/O存儲區(qū)間。處理器有一個主機接口、3個同步串行接口、兩個SPI接口、16個可編程標(biāo)志引腳、1個異步串行接口和3個32位定時器。與AD73360連接必須采用串行總線方式，ADSP2191M就有3個這樣的同步串口。

硬件電路設(shè)計

整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計以ADSP2191M和AD73360為核心，再配以周邊電路完成。硬件設(shè)計的框圖如圖1所示。

由圖1可以看出，系統(tǒng)的硬件設(shè)計非常簡單，而且沒有最麻煩的同步保持電路和系統(tǒng)存儲空間的擴展。這是因為AD73360能夠?qū)崿F(xiàn)多通道的同步轉(zhuǎn)換，免除了同步保持電路的設(shè)計、ADSP2191M內(nèi)部具有64K RAM，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，傳感器用來將配電網(wǎng)參數(shù)的電能信號轉(zhuǎn)化為ADC的輸入信號，然后送到AD73360進(jìn)行同步采樣，轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)通過同步串口傳入DSP處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、諧波分析和其它操作。最后，處理器將分析結(jié)果送到LCD進(jìn)行顯示，并通過串口送到PC進(jìn)行相應(yīng)的處理。Flash用來存放系統(tǒng)代碼。

整個系統(tǒng)設(shè)計中，F(xiàn)lash和LCD為基本的系統(tǒng)擴展，異步串口為基本的開發(fā)，這里只介紹一下DSP處理器與ADC的連接。它們必須通過串行接口，其中ADSP2191M為6線串行方式，而AD73360為5線的串行方式，它們的區(qū)別在于前者的串行時鐘分為串口發(fā)送時鐘和串口接收時鐘，是彼此獨立的，而后者合二為一。比較時序圖會發(fā)現(xiàn)，二者時序基本相同，但要控制AD73360，處理器還必須能夠滿足下面的要求：串口工作方式可設(shè)置為外部時鐘模式，串口字長可達(dá)到16bit，發(fā)送和接收的每個字都有同步幀信號，對處理器而言，接收同步幀信號為輸入信號，發(fā)送同步幀信號為輸入信號，幀同步信號產(chǎn)生在串口字高位出現(xiàn)的前一個時鐘周期，幀同步信號為高有效。作為AD73360的同類處理器，ADSP2191M可以通過設(shè)置輕易地達(dá)到上述要求。

圖3 硬件系統(tǒng)分析與理論分析對比

系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計比較復(fù)雜，分為A/D采樣控制、LCD控制、串口傳輸、數(shù)據(jù)處理和諧波分析算法等幾個部分。整個軟件框圖如圖2所示。其中，諧波分析算法代碼量最大，也最重要，系統(tǒng)對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析就由它來完成；Flash驅(qū)動代碼用于對Stm29w040進(jìn)行驅(qū)動，它不在系統(tǒng)監(jiān)測中使用，而是用來實現(xiàn)程序代碼的下載。在系統(tǒng)開發(fā)代碼的語言選擇上，采用DSP匯編語言和C語言相結(jié)合的方式，以C語言為主，匯編語言為輔。219x_int_tab.asm文件的處理：在介紹整個系統(tǒng)流程之前，先介紹一下219x_int_tab.asm文件。當(dāng)軟件主函數(shù)存在于C文件的時候，219x_int_tab.asm 文件被系統(tǒng)默認(rèn)為項目的一部分，并對項目進(jìn)行中斷向量初始化。當(dāng)中斷發(fā)生后，程序指針跳轉(zhuǎn)到該文件的相應(yīng)位置，通過___lib_int_determiner函數(shù)來尋找中斷服務(wù)程序的入口，一旦找不到服務(wù)程序入口，就會造成程序死鎖，無法正常運行，而采用C語言實現(xiàn)中斷函數(shù)比較復(fù)雜。為了提高系統(tǒng)開發(fā)速度，減少系統(tǒng)程序代碼，系統(tǒng)開發(fā)時要先對219x_int_tab.asm中的中斷向量表進(jìn)行修改，將中斷服務(wù)程序入口直接給中斷向量表就可以完成該函數(shù)的功能。系統(tǒng)軟件的開發(fā)工具為ViusalDSP＋＋3.0。在軟件設(shè)計中，最重要的是諧波分析算法的設(shè)計。因為它是軟件設(shè)計的核心，不僅代碼量比較大，而且也是系統(tǒng)測量精度的決定性因素之一。本方案采用成熟的FFT（快速傅立葉算法）作為系統(tǒng)的諧波分析算法，同時，為了抑制FFT算法自身的柵欄效應(yīng)和頻譜泄露問題，加入了漢寧窗和插值算法。由于代碼量較大，這里就不給出源代碼了。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，用到了兩個中斷：同步串口發(fā)送中斷和同步串口接收中斷。前者用來實現(xiàn)對AD73360的配置，后者用來實現(xiàn)從AD73360讀取轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)。它們的代碼也不在此詳述了。除此之外，系統(tǒng)還開發(fā)了異步串口、可編程標(biāo)志引腳和LCD控制等待，使整個系統(tǒng)更加智能化、人性化。這里就不一一介紹了。

系統(tǒng)分析與軟件分析的比較

系統(tǒng)開發(fā)完畢后，為了對系統(tǒng)分析的結(jié)果進(jìn)行檢測，使用與軟件分析進(jìn)行比較的方法。將時域原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件，通過該軟件內(nèi)的FFT算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到一組相應(yīng)的時域波形、幅值譜和相位譜圖形。將這些圖形與系統(tǒng)硬件分析在DSP系統(tǒng)中所得到的對應(yīng)圖型進(jìn)行比較，就可以看出本設(shè)計的硬件系統(tǒng)分析與理論分析的差異。圖3就是這些圖形的對比情況。DSP硬件系統(tǒng)與Matlab軟件所分析的原始數(shù)據(jù)是相同的，但是它們所采用的分析方法是不同的：一個是系統(tǒng)開發(fā)的算法、一個是軟件自帶的工具，所以，可以通過對比來審核開發(fā)系統(tǒng)算法的可靠性?？梢钥闯?，在對比圖中，開發(fā)系統(tǒng)得到的時域信號的波形和幅值、相位譜與Matlab軟件的分析結(jié)果具有相當(dāng)?shù)囊恢滦?。限于篇幅，最終的分析數(shù)據(jù)不再詳述了。為了比較系統(tǒng)的可信度，可采用多次分析的方法，分析比較數(shù)據(jù)可以看出，雖然采用不同的分析系統(tǒng)，但是二者結(jié)果誤差很小，基本相同，這就說明系統(tǒng)的硬件監(jiān)測結(jié)果有相當(dāng)?shù)目煽啃浴?/p>

結(jié)語

以AD73360和ADSP2191M處理器為系統(tǒng)硬件核心，系統(tǒng)具有如下特點：

1、系統(tǒng)硬件設(shè)計簡潔，不僅容易實現(xiàn)而且成本較低。

2、系統(tǒng)沒有外部擴展SRAM，對硬件要求比較低。

3、使用DSP處理器未用接口資源，系統(tǒng)軟件方便升級。

4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用匯編和C語言相結(jié)合的方法和加窗插值FFT算法，可以提高代碼的開發(fā)速度和系統(tǒng)整體的測量精度。由比較結(jié)果來看，該方案符合電力系統(tǒng)的要求，可靠性高，而且至少可以滿足每周期160點的實時采樣。

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