基于A(yíng)RM7TDMI的配電綜合測控儀的設計與實(shí)現

　　1.5其它電路

　　為實(shí)現測控儀的功能和采集變壓器油溫等直流量，測控儀硬件電路還應包括鍵盤(pán)接口電路、看門(mén)狗電路、直流采樣電路等。其中，鍵盤(pán)接口電路可直接用鍵盤(pán)掃描輸入電路來(lái)實(shí)現輸入數據功能，并通過(guò)128×64點(diǎn)陣液晶顯示來(lái)顯示各數據和圖形;看門(mén)狗電路由MAX705構成，如果在1秒鐘內沒(méi)有收到低電平信號，它將發(fā)出一個(gè)復位信號給ARM7，以使系統復位;直流采樣電路主要實(shí)現變壓器溫度等直流量的采集和測量，測控儀采用250 Ω的采樣電阻來(lái)將4～20 mA電流信號變?yōu)?～5 V電壓信號來(lái)檢測油溫等。

　　2采樣數據的處理

　　現場(chǎng)實(shí)測信號所包含的大量噪聲干擾和高次諧波會(huì )引起諧波測量、頻率測量等方面的誤差，對于FFT算法如果采樣值不能均勻分布在信號周期內，也將造成頻譜泄露，從而帶來(lái)很大的測量誤差，所以對采樣數據必須進(jìn)行處理。

　　2.1噪聲的處理

　　電力系統中的各種噪聲一般可以認為是隨機性白噪聲。這些年，相繼有學(xué)者提出過(guò)許多消除噪聲的方法，如小波變換法等。小波變換在時(shí)頻域同時(shí)存在時(shí)具有良好的局部化特性，可根據信號不同頻率成分自動(dòng)調節取樣密度，從而實(shí)現對信號消噪處理。但是小波變換在頻譜分析方面沒(méi)有明顯優(yōu)越性?？紤]到測控儀的改進(jìn)重點(diǎn)是增加諧波功能以及ARM7硬件對FFT的方便性，本設計依然采用FFT為基本算法來(lái)尋求基于FFT算法的消噪方法。

　　采用FFT算法消噪可以在窗函數上做文章，可以參考使用余弦窗來(lái)提高精度的思路，以及正弦信號自相關(guān)函數為同頻率的余弦函數，而白噪聲函數的自相關(guān)函數幾乎為零的特性來(lái)消除白噪聲。采用加余弦窗函數方法進(jìn)行修正可以減少信號中的白噪聲影響，提高測控儀的諧波測量精度。其周期信號X(n)=sinωn的自相關(guān)的函數為：

　　式中，N為采樣點(diǎn)數。

　　2.2頻譜混疊的防止

　　諧波測量中要處理的信號是采樣和A/D變換得到的數字信號。要獲得準確的FFT運算結果，必須滿(mǎn)足Nyquist采樣定理，以防止頻譜混疊造成的測量誤差。防止頻譜混疊通常是用模擬濾波器濾除采樣頻率fs一半的高頻信號，但由于模擬濾波器在低頻帶難以保證較好的物理特性;而本測控儀的采樣頻率又較高，因此，可采用模擬濾波器和數字濾波器相結合，同時(shí)考慮諧波測量范圍的方法來(lái)減少頻譜混疊的影響。

　　2.3同步采樣處理

　　根據FFT的原理要求，采樣點(diǎn)應均勻分布在一個(gè)信號周期內(即實(shí)現嚴格的同步采樣)，否則會(huì )引起信號頻譜泄露，從而造成測量誤差。由于硬件同步技術(shù)結構復雜，它會(huì )提高測控儀制造成本，因此，本文采用軟件同步來(lái)實(shí)現同步采樣。軟件同步實(shí)質(zhì)是一種補償方法，主要思想是采用軟件方法來(lái)跟蹤信號頻率的變化，并利用可變窗函數來(lái)實(shí)現信號周期的同步采樣，以減少頻譜泄露造成的誤差。軟件同步的關(guān)鍵是如何實(shí)時(shí)檢測和確定信號的頻率。 該測控儀采用復序列FFT和鎖相環(huán)來(lái)直接對電壓或電流信號采樣值進(jìn)行處理，然后配合數字濾波技術(shù)求得信號過(guò)零并得到信號頻率，從而實(shí)現對信號的同步采樣，同時(shí)完成信號頻率的測量。這種檢測和確定信號頻率的方法計算簡(jiǎn)單、跟蹤速度快、測控儀的采樣率較高，能夠得到較高的測量精度，完全可以滿(mǎn)足工程實(shí)際的需要。

　　3測控儀軟件設計

　　依據上述數據處理思路和數據采集、參數計算的算法，下面介紹該測控儀的軟件設計方法。

　　3.1軟件設計思路

　　新改進(jìn)和研制的測控儀在保留原來(lái)電容投切、運行參數監測、電量采集等功能基礎上，由于還要增加諧波等電能質(zhì)量指標監測，因而軟件涉及的算法較多，數據處理工作量較大;另外，ARM7不同于單片機，軟件的結構也比較復雜，因此，本測控儀的軟件設計采用模塊化結構。為了提高程序代碼效率、滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，該測控儀采用C語(yǔ)言語(yǔ)言編程，整個(gè)測控儀軟件由主程序和多個(gè)應用子程序組成。

　　主程序來(lái)完成硬件初始化、硬件自檢和循環(huán)操等功能;子程序包括數據采集處理、電容器投切控制、電量和運行參數計算、電能質(zhì)量監測、上位機串行通信等程序。主、子程序采用中斷方式實(shí)現數據的讀取和處理，程序設計采用由頂向下、逐步細化的結構化設計方法。

　　3.2 FFT的實(shí)現

　　實(shí)現FFT時(shí)，必須解決數據溢出問(wèn)題。由N點(diǎn)DFT計算公式：

　　在進(jìn)行DFT運算時(shí)，如果不采取一定的措施，溢出是不可避免的。為了避免FFT運算數據溢出，可對DFT蝶形運算單元的中間結果進(jìn)行歸一化處理。下面是對FFT蝶形單元的中間結果：

　　設A和B為歸一化的輸入，那么，在復數時(shí)間抽取FFT運算時(shí)，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為：1+cos45°+sin45°+2.414。而在實(shí)數DIT的FFT運算中，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為2，因此，可在每一級FFT計算中。事實(shí)上，用因子2進(jìn)行歸一化。對ARM7運用芯片的移位特性和用2歸一化，不會(huì )增加任何運算量。這樣，如果FFT包含M級，則輸出相當于除以2M=N。其中N為FFT的長(cháng)度。

　　3.3諧波參數的計算

　　參數計算采用N=128點(diǎn)FFT算法，計算結果依次存放為A0、B0、A1、B1、……、An、Bn。其中An為n次諧波的實(shí)部，Bn為n次諧波的虛部。這樣，即可計算出各次諧波的(以電壓為例)相角、幅值和諧波畸變率、含有率等指標：

　　這樣，依據計算的電壓、電流和相角，便可計算電網(wǎng)的有功功率、無(wú)功功率、功率因數、電力電量等各種參數值，從而按照相關(guān)策略實(shí)現對電容器等設備的控制。各種監測數據和運行狀態(tài)還可送計算機中長(cháng)期保存，并可對數據進(jìn)行進(jìn)一步的分析，實(shí)現配電監控管理。

　　4結束語(yǔ)

　　依據供電企業(yè)對配電測控功能的新要求，本文以PHILIPS公司的LPC2220FBM144芯片為核心，充分運用ARM7強大的運算能力，給出了新一代配電綜合測控儀的研制方法。實(shí)際使用證明，其采用的算法和實(shí)現技術(shù)是完全可行的。