基于DSP的諧波測量系統

0 引言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的非線(xiàn)性器件應用到電網(wǎng)中，給電網(wǎng)帶來(lái)了嚴重的諧波污染，致使供電電壓波形畸變。目前，電力系統諧波污染與功率因數降低、電磁干擾已并列為電力系統的三大公害。諧波的危害不僅影響供電質(zhì)量，而且對用電設備也會(huì )造成嚴重的損耗，如增加設備的溫升，使絕緣部分老化，影響設備的工作質(zhì)量，縮短設備壽命，并且會(huì )影響電能計量裝置的準確性。諧波污染使線(xiàn)性用戶(hù)產(chǎn)生不必要的費用，而非線(xiàn)性用戶(hù)作為諧波污染源，反而會(huì )少計量電能，這是極其不公平的[1]。因此，對電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行準確的測量，以此來(lái)對諧波源進(jìn)行治理，是提高當今供電質(zhì)量的重要措施。為此，本文以高精度的數字信號處理芯片TMS320VC5409[2]為系統核心，設計了關(guān)于諧波的實(shí)時(shí)測量與計算裝置，用來(lái)對電網(wǎng)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣、諧波分析和計算結果顯示。

1 硬件結構和功能

本系統主要是由核心DSP、模數轉換電路、液晶顯示電路以及鍵盤(pán)電路組成。電網(wǎng)信號經(jīng)過(guò)電壓互感器和電流互感器后，由信號調理電路變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/模數轉換電路">模數轉換電路能夠處理的信號，然后送入模數轉換電路，將模擬信號變?yōu)殡x散的數字信號，采樣到的數據經(jīng)過(guò)DSP芯片的分析計算后送入到液晶電路，對計算后的數據進(jìn)行顯示，以供查看。鍵盤(pán)主要用來(lái)控制液晶對數據的顯示，控制液晶進(jìn)行翻頁(yè)等功能，系統框圖如下：

圖1 系統的總體框圖

1.1 采樣同步及A/D轉換

電網(wǎng)系統中的電流和電壓是含有多次諧波且基頻不穩定的信號，當采樣信號的頻率和被采樣信號的頻率不同步時(shí)就會(huì )產(chǎn)生頻譜泄露，影響諧波測量的準確性。在諧波測量的測量過(guò)程中，采用何種方法對信號進(jìn)行準確的采樣是關(guān)鍵的一步，交流信號的采樣方法包括：同步采樣法、準同步采樣法和非整周期采樣法。本文采用同步采樣法，為了達到同步采樣的目的，對每周期的信號采樣同樣的點(diǎn)數，本文利用鎖相倍頻電路來(lái)產(chǎn)生同步采樣脈沖信號，電路是由鎖相環(huán)芯片74VCH4046和CPLD構成的，被測信號經(jīng)過(guò)一個(gè)方波電路，變成所需要的方波信號，然后由鎖相環(huán)芯片和CPLD對信號進(jìn)行同步和512倍頻，從而在被采樣的信號的一個(gè)周期內產(chǎn)生512個(gè)采樣脈沖信號，控制模數轉換電路對信號進(jìn)行采樣和A/D轉換。74VHC4046能使輸出信號的相位隨著(zhù)輸入信號的相位做出改變，最終達到信號的同步。所以這個(gè)鎖相倍頻電路不需要軟件的干預，節省了軟件資源；又因為此電路所有功能均由硬件完成，還提升了檢測的速度。

本設計采用 ADI 公司的高速高精度模數轉換芯片 AD7656，其內部擁有6個(gè)單獨的16位ADC，可以實(shí)現6路同步采樣。最高采樣速率可達250kS/S，雙極性模擬輸入，片上具有電壓參考源和參考緩沖，也可以由外部引入參考源，轉換后數據有串行和并行傳輸方式。AD7656和DSP的連接方如下：

圖2 AD7656和DSP的連接圖

在本系統中AD7656與DSP采用并行數據傳輸方式，將CONVSTA、CONVSTB、CONVSTC并在一起，以啟動(dòng)6路AD同時(shí)采樣，啟動(dòng)信號由采樣信號控制，不需要DSP的干預。AD7656的片選信號ADCS、讀信號RD、復位信號ADRST由DSP通過(guò)CPLD來(lái)產(chǎn)生控制邏輯，下圖為AD7656的并行讀時(shí)序圖：

圖3 AD7656并行讀時(shí)序圖

在并行模式下，當ADBUSY信號變低時(shí)說(shuō)明轉換結束，ADBUSY信號連接到DSP的外部中斷0，以中斷的方式通知DSP對轉換后的數據進(jìn)行讀取。此時(shí)將/CS和/RD都置低使能輸出總線(xiàn)，轉換后的數據被輸出到并行數據總線(xiàn)上，DSP就可以依次進(jìn)行6路輸出信號的讀操作。

1.2 DSP核心電路

本系統的處理核心采用TI公司的TMS320VC5409，它是16位的定點(diǎn)DSP，除了DSP通用的結構特點(diǎn)以外，它還具有：16K×16的片上ROM，32K×16位的片上雙尋址RAM，擁有豐富的片上外設：軟件可編程等待周期發(fā)生器（SWWSR）和可編程分區轉換邏輯電路（BSCR），片上鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器，3個(gè)多通道緩沖串行口（McBSP），增強的8位并行主機接口（HPI），6通道的DMA控制器，本芯片也可在低功耗情況下工作。

此DSP的核心電壓是1.8V，I/O電壓是3.3V，而其他的器件大多是5V的驅動(dòng)電壓，所以本系統選用ALTERA公司的CPLD——EPM7128AETC100-10進(jìn)行電平轉換和邏輯控制，主要用來(lái)DSP與其他芯片之間的通信與地址譯碼。因為在本系統中需要對采樣的數據進(jìn)行大量的運算，產(chǎn)生的數據再加上運行的程序使DSP的片上存儲資源捉襟見(jiàn)肘，所以為DSP外擴了FLASH和RAM存儲器[3]。

1.3 液晶顯示電路

本設計采用的是LCM128645ZK液晶進(jìn)行顯示，本液晶模塊的液晶屏幕為128*64，可顯示4行，每行可顯示8個(gè)漢字。與DSP可以進(jìn)行并行8位/4位和串行3線(xiàn)/2線(xiàn)的連接方式。中文液晶顯示模塊可實(shí)現漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示，廣泛的應用于各種儀器儀表、家用電器和信心產(chǎn)品上作為顯示器件。本系統中液晶與DSP之間采用串行數據傳輸方式，液晶的第15引腳（并行/串行傳輸方式選擇引腳）接地時(shí)，液晶為串行工作模式。此時(shí)液晶的第5引腳為串行數據線(xiàn)，第6引腳為串行輸入脈沖。DSP通過(guò)這2 個(gè)引腳即可在液晶上顯示出數據或波形。液晶的6腳與DSP串口2的緩沖串行口數據發(fā)送端BDX2引腳相連，作為時(shí)鐘信號，5腳與串口2的幀同步脈沖輸出端BFSX 2引腳相連，DSP串口的這倆根引腳被設置為通用輸入輸出引腳GPIO。當DSP將數據處理完后通過(guò)這倆根引腳將計算后的數據送到液晶進(jìn)行顯示。下圖是本液晶的串行傳輸時(shí)序圖：

圖4 液晶串行傳輸時(shí)序圖

當片選信號CS為高電平時(shí)，同步時(shí)鐘線(xiàn)（SCLK）上輸入的信號才會(huì )被接收，另一方面，當片選信號（CS）為低電平時(shí)，模塊內部的串行傳輸計數與串行資料將會(huì )被重置，也就是說(shuō)在此狀態(tài)下，傳輸中的資料將被終止清除，并且將待傳輸的串行資料計數重設回第一位，因此，模塊選擇引腳（CS）可被固定接到高電平。

模塊的同步時(shí)鐘線(xiàn)（SCLK）具有獨立的操作，但是當有連續多個(gè)指令需要被傳輸時(shí)，必須確實(shí)等到一個(gè)指令完全執行完成后才能傳送下一筆資料，因為模塊內部沒(méi)有傳送/接收緩沖區。

2. 系統的軟件設計

本系統的軟件主要是完成對信號的采樣、對采樣數據的FFT變換[4]、對變換后的數據進(jìn)行諧波的各項參數（諧波的幅值、有功功率、視在功率、功率因數、諧波含量）等的計算以及對計算后的數據進(jìn)行顯示等。軟件流程圖如下：

圖5 軟件流程圖

因為本系統使用的是定點(diǎn)DSP，而采樣數據經(jīng)過(guò)FFT運算以后產(chǎn)生的數據為浮點(diǎn)數，直接進(jìn)行浮點(diǎn)數運算不能滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求，通過(guò)TI自帶函數庫中關(guān)于FFT函數的調用，可以達到系統對實(shí)時(shí)性的要求。

3、設計結果測試與分析

最后利用達盛科技的NC-2100綜合設計試驗臺對本系統進(jìn)行了測試，該實(shí)驗臺可以輸出倆路信號并進(jìn)行混頻，一路輸出50HZ的基波信號，另一路依次輸出150、250、350、450、550HZ的信號，既3、5、7、9、11次諧波，兩路信號進(jìn)行混頻后輸入到系統，分別進(jìn)行1%和10%諧波含量的測試，測試結果如下：

表1 各相依次加1%的各次諧波的測試結果

表2 各相依次加10%的各次諧波的測試結果

4、結束語(yǔ)

本系統以數據處理能力強大的16位定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5409為數據的處理核心，充分的利用了DSP強大的數據處理能力，對采樣到的數據進(jìn)行了FFT變換和諧波分析，且改系統的精度較高。