基于μC／OS-II的電力參數監測儀設計

2 系統硬件設計
2．1 系統硬件架構
電力參數測量?jì)x器系統的硬件部分是以TI公司的TMS320LF2407A為核心，其軟件部分是以μC／OS-II為執行軟件，在此基礎上開(kāi)發(fā)了一種具有電力參數測量、顯示和通訊功能的智能化檢測儀，給出了比較完整的外設擴展，包括電源電路、監控電路、時(shí)鐘電路、JTAG端口電路、模擬量輸入電路、頻率采集電路及通訊電路等，同時(shí)該系統還具有實(shí)時(shí)時(shí)間顯示和看門(mén)狗功能，且可通過(guò)RS232或CAN總線(xiàn)與外部(微機)通信，其原理框圖如圖1所示。

一般情況下，根據系統所需實(shí)現的功能、處理速度和存儲器尋址能力選擇合適的處理器及外圍器件。由于系統涉及信號處理和數學(xué)計算，因此選擇定點(diǎn)的DSP作為處理器，根據所選的處理器確定所需的外部設備。包括定態(tài)RAM，E一PROM，閃存，串行和并行通信接口，網(wǎng)絡(luò )接口，可編程定時(shí)器／計數器，狀態(tài)LED指示和應用的專(zhuān)門(mén)硬件電路。
系統中選用了TI公司的TMS320LF2470A DSP作為主控制器，它是TMS320LF2407的增強型，其內部總線(xiàn)采用哈佛結構，指令執行速度為40 MI／s，絕大部分指令可以在單周期內執行完畢。在TI的240x系列的DSP中，TMS320LF2407A無(wú)論內部結構和外圍控制接口，都具有優(yōu)異性能，考慮到該型號的DSP內部集成有A／D轉換器，CAN模塊，高達32 K的Flash程序存儲器。應用這些資源可大大簡(jiǎn)化該系統的硬件結構，并且其高速處理特性可實(shí)現很多先進(jìn)的控制算法。
2．2 信號預處理電路
交流模擬量輸入電路由隔離電路和調理電路組成，隔離電路的作用是將交流電壓或電流轉換為直流信號，并把這些信號送給模擬量調理電路。由于TMS320LF2407A的模擬電壓輸入范圍為O～3.3 V，因此應首先通過(guò)傳感器或運算放大器將測量電壓轉換至合適的電壓范圍，同時(shí)在模擬電壓進(jìn)入DSP之前設計合理的電壓跟隨器，使電壓增益趨近于1。
2．3 電力參數測量算法
通常需監測的電力參數包括電壓、電流、頻率、有功功率等。對于電壓、電流參數的測量，常用的方法有直流采樣法和交流采樣法。對于頻率參數的監測方法采用DSP中的捕獲單元來(lái)監測。
電壓電流的直流采樣法，是指采集經(jīng)整流后的直流量。采用直流采樣算法測量電壓、電流時(shí)，均是通過(guò)測量平均絕對值來(lái)測量電參量有效值。此方法軟件設計簡(jiǎn)單，計算方便，對采樣值只需作比例變換即可得到被測量的數值。直流采樣法的缺點(diǎn)是：測量準確度直接受整流電路的準確度和穩定性的影響；整流電路參數調整困難，而且受波形因數的影響較大等。交流采樣法是按一定規律對被測信號的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，用一定的數值算法求得被測量。它與直流采樣的差別是用軟件功能代替硬件功能。是否采用交流采樣取決于兩個(gè)條件：測量準確度和測量速度。交流采樣法包括同步采樣法、準同步采樣法、非整周期采樣法和非同步采樣法等。通常，采樣點(diǎn)數的選擇和采樣頻率的選擇很重要。如果采樣頻率選擇過(guò)高，即采樣間隔小，則一個(gè)周期里采樣點(diǎn)數過(guò)多，造成數據存儲量過(guò)大和計算時(shí)間太長(cháng)：但如果采樣頻率過(guò)低，FFT運算在頻域將會(huì )出現混淆現象，造成頻譜失真，使之不能真實(shí)反映原來(lái)的信號。