基于DSP和CPLD的電力參數檢測終端的設計

摘    要：本文介紹了電力參數檢測終端的硬件結構以及參數的計算，著(zhù)重講述了采樣脈沖的產(chǎn)生過(guò)程、抗混疊軟件濾波、缺相檢測原理、測頻方法和諧波計算原理。
關(guān)鍵詞：DSP；軟件濾波；缺相檢測；諧波分析；FFT

引言
在供電系統中，對諧波、負荷電流、功率因數等電力參數進(jìn)行合理的估算并采取相應的措施是非常必要的。本文設計了一種基于DSP和CPLD的電網(wǎng)質(zhì)量的監控裝置。該裝置通過(guò)采集這些參數，計算并判斷電能質(zhì)量的優(yōu)劣，同時(shí)與監測主站進(jìn)行通訊，接收主站下達的各種命令，傳送主站所需的各種參數，達到實(shí)時(shí)監控的目的。本文詳細分析了DSP的硬件及軟件實(shí)現、FFT算法的實(shí)現、諧波分析、軟件濾波、參數計算以及由CPLD實(shí)現的缺相檢測、采樣脈沖產(chǎn)生、鍵盤(pán)消抖、地址譯碼等邏輯實(shí)現的問(wèn)題。

硬件設計
系統框圖如圖1所示。變壓器監測終端首先把經(jīng)過(guò)CT、PT的三相電壓和電流轉換為標稱(chēng)值為100V和5A的電壓、電流，再把該信號經(jīng)過(guò)傳感器轉換為跟隨式的標稱(chēng)值為5V的電壓信號。信號經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器生成頻率相同的方波，以利于測頻和實(shí)現缺相檢測。同時(shí)由CPLD和DSP控制可同時(shí)對ADS7864完成六路信號的數據采集。然后由DSP完成軟件濾波、FFT運算以及各電網(wǎng)參數的計算檢測并進(jìn)行各種判斷，將需要的數據存貯于掉電保護的NVRAM中。系統時(shí)鐘由可編程萬(wàn)年歷時(shí)鐘芯片DS2000提供，同時(shí)由控制中心精確對時(shí)。如果判斷讀出的數據值越限，DSP就控制相應的輸出繼電器動(dòng)作，進(jìn)行外部電容器的投切及報警信息的發(fā)送。終端與主站通過(guò)RS-232、RS-485傳送信息，RS-232主要做為當地調試接口，RS-485用于遠程通訊。系統配有鍵盤(pán)輸入和LCD顯示。
信號調理電路
RC濾波器的輸出信號范圍為-5V~+5V，而ADS7864的模擬輸入信號范圍為0~+5V，因此需要進(jìn)行信號的調理。圖2所示是其調理電路。
采樣脈沖的產(chǎn)生
本系統中采用以數字鎖相環(huán)為核心的采樣脈沖產(chǎn)生器。將待測信號經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器LM339，得到一個(gè)方波作為數字鎖相環(huán)的輸入。設輸入信號頻率為fi，反饋頻率為ff，輸出信號的頻率為fo。根據閉環(huán)控制理論ff=fi，需要128倍頻，通過(guò)分頻器選擇分頻比(128倍分頻器由CPLD實(shí)現)，使ff=(1/128)fo，從而得到f0=128fi。所以采樣信號周期T=156.25ms(設基頻為50Hz)。將f0=128fi做為采樣頻率送至ADS7864的采樣保持輸入引腳。
A/D轉換器ADS7864
ADS7864是TI的6通道全差分輸入雙12位A/D轉換器。這種模數轉換器能以500kHz的采樣率同時(shí)進(jìn)行六通道信號的采樣。ADS7864的六路輸入通道可以分成三對，分別用于電網(wǎng)的三相電壓和三相電流的輸入，并可將模擬信號轉換成DSP或微處理器所需的數字信號。輸入到片內六個(gè)采樣-保持放大器的信號經(jīng)過(guò)全差分可在A(yíng)DC輸入期間保持，以使其在50kHz時(shí)仍然提供高達80dB的良好模抑制比，這一點(diǎn)對高噪聲時(shí)的輸入噪聲抑制可起到非常重要的作用。另外，ADS7864特有的并行接口能夠與六個(gè)FIFO寄存器進(jìn)行連接，從而可以更快速地捕獲數據。
本設計中將f0=128fi接至ADS7864的采樣保持信號HOLDa、HOLDb、HOLDc。當其為0時(shí)，可以同時(shí)保持六路輸入信號，然后按工作模式設定的先后次序分別進(jìn)行A/D轉換。為了提高系統的效率，將ADS7864的/BUSY信號接至CPLD，由其判斷ADS7864產(chǎn)生三個(gè)/BUSY信號后產(chǎn)生一個(gè)中斷，通知DSP一次性讀走ADS7864的FIFO中六個(gè)轉換好的數據。
缺相檢測的實(shí)現
解決缺相檢測問(wèn)題的設計思想如框圖3所示。CPLD對經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器整成方波的三相信號進(jìn)行判斷，根據判斷結果，選取某一相信號送入到倍頻電路，同時(shí)把判斷的結果傳送給DSP，由DSP根據結果發(fā)出報警。在此給出CPLD的A相判斷程序。
process(reset,f42,Fa) ----------------f42=610.352Hz
begin
if reset='0' then
   sum5<=0;
   sd(0)<='1';
elsif (f42'event and f42='1') then
           if(Fa='0')then
                if sum5=9 then
                   sd(0)<='0';
                   sum5<=0;
                 else
                    sum5<=sum5+1;
                 end if;
           else
                 sd(0)<='1';
                 sum5<=0;
          end if;
end if;
end process;
假設在16.384ms內沒(méi)有高電平信號就判斷為該相無(wú)信號，即本系統的測量頻率下限為30.52Hz。
數據結果的傳輸與判斷
DSP根據采樣數據進(jìn)行計算后得到的結果保存在掉電不丟失的RAM里，根據上行站點(diǎn)的要求通過(guò)GSM引擎模塊發(fā)送出數據，或通過(guò)RS-232串口直接從系統中讀取數據。DSP也根據設定的參數標準，用計算所得的數據與之比較，判斷各種參數是否合格。如果不合格則做出相應的動(dòng)作，如控制電容的投切、向上行站點(diǎn)報警、記錄不合格數據等，從而實(shí)現無(wú)人監控。

信號的軟件濾波
本系統的頻率測量范圍以A級為標準，截止頻率選為2.5kHz，并在頻帶寬度內特性應盡可能平坦。當頻率高于截止頻率時(shí)應盡快衰減。
DSP的FIR濾波器的差分方程為：y(n)=h(k)