基于DSP+ARM的便攜式電能質(zhì)量分析儀設計

　　引言

　　隨著(zhù)國家工業(yè)規模的擴大和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)負荷結構發(fā)生了很大的變化，一方面，非線(xiàn)性、沖擊性和不平衡負荷的大量增長(cháng)使得電能質(zhì)量惡化;另一方面，隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展。越來(lái)越多的敏感負載對電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。這就要求電能質(zhì)量檢測分析設備具有實(shí)時(shí)檢測、快速分析、實(shí)時(shí)顯示的能力。采用高性能數字信號處理器(DSP)和嵌入式計算機系統(ARM)雙處理器架構設計電能質(zhì)量分析儀能滿(mǎn)足上述要求。DSP系統實(shí)現電壓、電流信號的實(shí)時(shí)采集處理，通過(guò)加窗傅里葉變換和小波算法得到電能質(zhì)量參數;ARM嵌入式平臺運行WinCE操作系統完成人機交互、數據存儲、實(shí)時(shí)顯示等功能。該系統為儀器的可擴展性和智能化建立了良好的軟硬件平臺。

　　1 硬件系統設計

　　便攜電能質(zhì)量分析儀硬件系統設計應以功能實(shí)現和便攜式設計為基礎，并兼顧系統的可擴展性。

　　1.1 硬件系統總體設計

　　該硬件系統包括信號調理、數據采集與處理、ARM嵌入式平臺、協(xié)控制器和電源系統5個(gè)模塊，系統框架如圖1所示。電網(wǎng)電壓電流信號經(jīng)調理電路預處理;采用高速ADC數字化后由DSP處理器系統實(shí)現緩存及快速、準確的分析計算;采集到的波形數據和分析計算結果通過(guò)FIFO傳遞到ARM嵌入式平臺;采用LCD實(shí)現波形和分析結果顯示;采用SD卡或USB存儲設備來(lái)存儲大量的數據以便回放或進(jìn)一步深入分析;利用鍵盤(pán)或觸摸屏實(shí)現人機交互功能;設置RS 232、USB和網(wǎng)絡(luò )接口，便于實(shí)現電能質(zhì)量分析儀的系統化和網(wǎng)絡(luò )化擴展。

　　系統中采用CPLD芯片設計了協(xié)控制器。它的作用主要是產(chǎn)生A/D轉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)模式的設置。系統硬件電路配有多種電源，通過(guò)對系統各模塊電源進(jìn)行控制，以及使DSP按測量需求工作在節電模式等措施實(shí)現了系統低功耗設計。系統采用電池供電，滿(mǎn)足便攜式儀器要求。

　　1.2 數據采集和處理模塊

　　電能質(zhì)量分析儀需要有較高的測量準確度，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(mǎn)足系統低功耗要求;芯片內有兩個(gè)低噪聲、寬頻帶的采樣保持器和相應的模擬開(kāi)關(guān)，允許兩個(gè)通道同時(shí)采樣。選用兩片AD7655可滿(mǎn)足系統設計需要。

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

　　兩片AD7655與DSP通過(guò)“三線(xiàn)”SPI接口連接，DSP對數據進(jìn)行緩存并進(jìn)行一系列運算，將計算結果通過(guò)LINK PORTS接口發(fā)送給FIFO實(shí)現數據傳輸功能。ADC的采樣時(shí)鐘、每個(gè)ADC中的通道切換和雙ADC調度等控制邏輯由協(xié)控制器實(shí)現。

　　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轉換器提供采樣時(shí)鐘;ADC通道輪換控制電路協(xié)調8個(gè)通道的數據轉換次序，協(xié)助DSP準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系統的數據傳輸;網(wǎng)卡地址控制邏輯為CS8900網(wǎng)卡提供讀寫(xiě)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64 MB SDRAM和64 MBFLASH。該嵌入式平臺有眾多外設接口：SPI接口用于和DSP命令傳輸;LCD接口用于TFT液晶屏的驅動(dòng);USB接口適用于多種即插即用設備;SD卡接口可插入大容量SD卡用于數據存儲;觸摸屏接口可實(shí)現觸摸屏控制。為了實(shí)現儀器的網(wǎng)絡(luò )化，該系統擴展了網(wǎng)卡芯片CS890OA;為了系統調試的安全性，將RS 232接口進(jìn)行隔離處理。

　　ARM與DSP之間通信和數據傳輸通過(guò)SPI接口和FIFO實(shí)現。ARM通過(guò)SPI接口發(fā)送命令，使DSP進(jìn)行相應的數學(xué)運算及傳輸數據，系統設定ARM為主設備，DSP為從設備。FIFO用于傳輸DSP的計算結果和波形數據;FIFO芯片采用低功耗異步芯片SN74ALVC7805，數據傳輸率可達50 MHz，數據存儲深度為256 B。

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

　　2 系統軟件設計

　　系統軟件設計包括ARM部分WinCE操作系統定制、應用程序設計和DSP部分數據處理程序設計。

　　2.1 WinCE操作系統定制及應用程序設計

　　WinCE是模塊式、多任務(wù)、實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，微軟公司提供了功能強大的開(kāi)發(fā)工具，WinCE操作系統定制包括操作系統內核定制、各相關(guān)驅動(dòng)程序編寫(xiě)等。其內核的定制使用PB(Platform Builder)軟件，相應的驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)使用EVC(Embedded Visual C++)。

　　系統應用程序是在WinCE5.O上由VS 2005(Visual Studio 2005)開(kāi)發(fā)的C#窗體應用程序，其主要功能為：實(shí)現良好的人機界面、合理的功能設定、數據的接收顯示及存儲、對DSP和系統電源的控制等。

　　電能質(zhì)量分析儀應用程序的界面是根據不同的測量用途來(lái)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，不同的顯示界面運行著(zhù)不同的顯示線(xiàn)程，每一個(gè)顯示線(xiàn)程都有一個(gè)對應的數據傳輸模式。ARM根據這個(gè)數據傳輸模式來(lái)給DSP處理器發(fā)送命令，進(jìn)行相應計算和傳輸相應的數據。

　　2.2 數據處理程序設計

　　數據處理程序流程圖如圖3所示，程序啟動(dòng)后，DSP通過(guò)SetiaIs中斷讀取ADC采樣數據，同時(shí)接收SPI中斷，根據ARM系統的命令進(jìn)行相應的電能質(zhì)量指標計算，將計算數據通過(guò)Link Port傳送給FIFO供ARM系統讀取;IRQ0中斷用于控制數據傳送的節奏和數據同步。

　　2.3 數據處理算法介紹

　　電能質(zhì)量分析儀需要對電力信號進(jìn)行穩態(tài)分析和暫態(tài)分析。穩態(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、電流中的正序和負序分量;三相不平衡等的計算。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)嚴重波形畸變等檢測內容。相對于穩態(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變換的計算精度，需要通過(guò)硬件或軟件方法實(shí)現整周期采樣。整周期采樣就是要求采樣的數據剛好是信號的整個(gè)周期或是倍數，也就是假如信號周期為T(mén)，就是要保證：N/fs=L×T其中，L為整數;fs為采樣頻率;N為采樣點(diǎn)數。

　　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;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(lái)說(shuō)，會(huì )出現干涉現象。

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

　　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。在此原理基礎上設計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)真有效值計算方法，通過(guò)有效值與閾值的比較來(lái)判斷有無(wú)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(guò)IEC測試數據對閃變測量值進(jìn)行校準。在此硬件平臺所設計的暫態(tài)電能質(zhì)量分析軟件可實(shí)現對電壓瞬變、短時(shí)電壓驟升驟降、浪涌電流、諧波、三相不平衡度、電壓閃變等項目的測量。

　　3 系統測試結果

　　搭建了以Chroma 61702功率信號源及三相交流電機組成的Y型接法測試系統，對本檢測系統的穩態(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(cháng)時(shí)間閃變值，各項測試指標滿(mǎn)足設計要求。

　　該儀器可以捕捉電網(wǎng)實(shí)時(shí)真有效值并顯示結果，方便觀(guān)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，并將事件存儲于SD卡中以便用戶(hù)隨時(shí)讀取。

　　4 結語(yǔ)

　　本文從便攜式儀器設計的角度出發(fā)，設計了一種電能質(zhì)量分析儀。該儀器用DSP實(shí)現數據采集與處理，快速準確的計算出各項電能質(zhì)量指標，能夠進(jìn)行穩態(tài)分析和暫態(tài)分析;用ARM嵌入式平臺實(shí)現數據管理、人機界面及系統控制，結合WinCE操作系統，提高了系統的可靠性，為實(shí)現電能質(zhì)量分析儀智能化及網(wǎng)絡(luò )化提供了良好的平臺。通過(guò)實(shí)際測試，表明該儀器各項指標均滿(mǎn)足IEc電能質(zhì)量測量標準。通過(guò)選用低功耗器件，以及采用電源控制，實(shí)現了系統的低功耗;系統硬件設計簡(jiǎn)潔，集成度比較高，實(shí)現了系統的便攜式設計。