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電能質(zhì)量是衡量電網(wǎng)質(zhì)量的標準，電能質(zhì)量問(wèn)題包含電壓凹陷（sag）、電壓隆起（swell）、尖峰脈沖（spikes）、諧波畸變（harmonic aberration）和電氣噪聲(electric yawp)等，其中對電能質(zhì)量影響最大的就是諧波畸變。因此，本系統的設計就是以對諧波畸變分析為主要目的。這方面的研究比較多，而且也開(kāi)發(fā)出了相應的設備。以往的配電網(wǎng)監測設備多以51、96系列單片機為處理器，在精度和速度方面都不能滿(mǎn)足電力系統的要求，還有就是用TI公司的DSP作為處理器，并配合ADC來(lái)完成系統設計。ADI公司先后上市了ADE7753、ADE7758等電力測量專(zhuān)用芯片，并成功地將它們應用到電網(wǎng)當中。最近，ADI公司又推出了高性能的強強組合，即DSP＋ADC的電力測量方案。此監控系統就是采用這一組合實(shí)現的。 圖1 系統硬件設計框圖 圖2 軟件框圖 ADC簡(jiǎn)介 AD73360是ADI公司推出的一款專(zhuān)門(mén)應用于電能質(zhì)量監測的IC，與一般ADC相比，AD73360有如下優(yōu)勢：6路獨立的A/D轉換通道，不僅互不干擾，而且嚴格保證采樣同步；高精度，6個(gè)16位轉換精度轉換通道非常適合電能質(zhì)量監測的需要。采樣速率可在8KHz、16KHz、32KHz范圍內編程設置，適應范圍廣。AD73360為適應不同的場(chǎng)合提供了直流/交流、單端/差動(dòng)4種不同的輸入方式；采用串行接口，與DSP芯片的連接非常簡(jiǎn)單。無(wú)論從精度、速度、采樣路數或者同步采樣的實(shí)現來(lái)考慮，在電力監測系統中使用AD73360都是比較理想的選擇。 DSP簡(jiǎn)介 系統采用的DSP處理芯片ADSP2191M是ADI公司的16位定點(diǎn)DSP。ADSP2191M處理器具有的資源概括如下：可訪(fǎng)問(wèn)的存儲空間大小為16M words，分為256頁(yè)，每頁(yè)的大小為64K words，其中第0頁(yè)是內部RAM，第255頁(yè)是內部ROM，其它空間被分為4個(gè)部分，并由ms0"ms3進(jìn)行選擇。有256頁(yè)I/O存儲區間，每頁(yè)的大小為1K words，其中前8頁(yè)為內部I/O存儲區間，其它為外部I/O存儲區間。處理器有一個(gè)主機接口、3個(gè)同步串行接口、兩個(gè)SPI接口、16個(gè)可編程標志引腳、1個(gè)異步串行接口和3個(gè)32位定時(shí)器。與AD73360連接必須采用串行總線(xiàn)方式，ADSP2191M就有3個(gè)這樣的同步串口。 硬件電路設計 整個(gè)系統的硬件設計以ADSP2191M和AD73360為核心，再配以周邊電路完成。硬件設計的框圖如圖1所示。 由圖1可以看出，系統的硬件設計非常簡(jiǎn)單，而且沒(méi)有最麻煩的同步保持電路和系統存儲空間的擴展。這是因為AD73360能夠實(shí)現多通道的同步轉換，免除了同步保持電路的設計、ADSP2191M內部具有64K RAM，能夠滿(mǎn)足系統設計的要求。在系統硬件設計中，傳感器用來(lái)將配電網(wǎng)參數的電能信號轉化為ADC的輸入信號，然后送到AD73360進(jìn)行同步采樣，轉換后的采樣數據通過(guò)同步串口傳入DSP處理器，進(jìn)行數據處理、諧波分析和其它操作。最后，處理器將分析結果送到LCD進(jìn)行顯示，并通過(guò)串口送到PC進(jìn)行相應的處理。Flash用來(lái)存放系統代碼。 整個(gè)系統設計中，Flash和LCD為基本的系統擴展，異步串口為基本的開(kāi)發(fā)，這里只介紹一下DSP處理器與ADC的連接。它們必須通過(guò)串行接口，其中ADSP2191M為6線(xiàn)串行方式，而AD73360為5線(xiàn)的串行方式，它們的區別在于前者的串行時(shí)鐘分為串口發(fā)送時(shí)鐘和串口接收時(shí)鐘，是彼此獨立的，而后者合二為一。比較時(shí)序圖會(huì )發(fā)現，二者時(shí)序基本相同，但要控制AD73360，處理器還必須能夠滿(mǎn)足下面的要求：串口工作方式可設置為外部時(shí)鐘模式，串口字長(cháng)可達到16bit，發(fā)送和接收的每個(gè)字都有同步幀信號，對處理器而言，接收同步幀信號為輸入信號，發(fā)送同步幀信號為輸入信號，幀同步信號產(chǎn)生在串口字高位出現的前一個(gè)時(shí)鐘周期，幀同步信號為高有效。作為AD73360的同類(lèi)處理器，ADSP2191M可以通過(guò)設置輕易地達到上述要求。 圖3 硬件系統分析與理論分析對比 系統軟件設計系統的軟件設計比較復雜，分為A/D采樣控制、LCD控制、串口傳輸、數據處理和諧波分析算法等幾個(gè)部分。整個(gè)軟件框圖如圖2所示。其中，諧波分析算法代碼量最大，也最重要，系統對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析就由它來(lái)完成；Flash驅動(dòng)代碼用于對Stm29w040進(jìn)行驅動(dòng)，它不在系統監測中使用，而是用來(lái)實(shí)現程序代碼的下載。在系統開(kāi)發(fā)代碼的語(yǔ)言選擇上，采用DSP匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言相結合的方式，以C語(yǔ)言為主，匯編語(yǔ)言為輔。219x_int_tab.asm文件的處理：在介紹整個(gè)系統流程之前，先介紹一下219x_int_tab.asm文件。當軟件主函數存在于C文件的時(shí)候，219x_int_tab.asm 文件被系統默認為項目的一部分，并對項目進(jìn)行中斷向量初始化。當中斷發(fā)生后，程序指針跳轉到該文件的相應位置，通過(guò)___lib_int_determiner函數來(lái)尋找中斷服務(wù)程序的入口，一旦找不到服務(wù)程序入口，就會(huì )造成程序死鎖，無(wú)法正常運行，而采用C語(yǔ)言實(shí)現中斷函數比較復雜。為了提高系統開(kāi)發(fā)速度，減少系統程序代碼，系統開(kāi)發(fā)時(shí)要先對219x_int_tab.asm中的中斷向量表進(jìn)行修改，將中斷服務(wù)程序入口直接給中斷向量表就可以完成該函數的功能。系統軟件的開(kāi)發(fā)工具為ViusalDSP＋＋3.0。在軟件設計中，最重要的是諧波分析算法的設計。因為它是軟件設計的核心，不僅代碼量比較大，而且也是系統測量精度的決定性因素之一。本方案采用成熟的FFT（快速傅立葉算法）作為系統的諧波分析算法，同時(shí)，為了抑制FFT算法自身的柵欄效應和頻譜泄露問(wèn)題，加入了漢寧窗和插值算法。由于代碼量較大，這里就不給出源代碼了。在系統的軟件設計中，用到了兩個(gè)中斷：同步串口發(fā)送中斷和同步串口接收中斷。前者用來(lái)實(shí)現對AD73360的配置，后者用來(lái)實(shí)現從AD73360讀取轉換后的采樣數據。它們的代碼也不在此詳述了。除此之外，系統還開(kāi)發(fā)了異步串口、可編程標志引腳和LCD控制等待，使整個(gè)系統更加智能化、人性化。這里就不一一介紹了。 系統分析與軟件分析的比較 系統開(kāi)發(fā)完畢后，為了對系統分析的結果進(jìn)行檢測，使用與軟件分析進(jìn)行比較的方法。將時(shí)域原始數據導入Matlab軟件，通過(guò)該軟件內的FFT算法對數據進(jìn)行分析，可以得到一組相應的時(shí)域波形、幅值譜和相位譜圖形。將這些圖形與系統硬件分析在DSP系統中所得到的對應圖型進(jìn)行比較，就可以看出本設計的硬件系統分析與理論分析的差異。圖3就是這些圖形的對比情況。DSP硬件系統與Matlab軟件所分析的原始數據是相同的，但是它們所采用的分析方法是不同的：一個(gè)是系統開(kāi)發(fā)的算法、一個(gè)是軟件自帶的工具，所以，可以通過(guò)對比來(lái)審核開(kāi)發(fā)系統算法的可靠性�？梢钥闯�，在對比圖中，開(kāi)發(fā)系統得到的時(shí)域信號的波形和幅值、相位譜與Matlab軟件的分析結果具有相當的一致性。限于篇幅，最終的分析數據不再詳述了。為了比較系統的可信度，可采用多次分析的方法，分析比較數據可以看出，雖然采用不同的分析系統，但是二者結果誤差很小，基本相同，這就說(shuō)明系統的硬件監測結果有相當的可靠性。 結語(yǔ) 以AD73360和ADSP2191M處理器為系統硬件核心，系統具有如下特點(diǎn)： 1、系統硬件設計簡(jiǎn)潔，不僅容易實(shí)現而且成本較低。 2、系統沒(méi)有外部擴展SRAM，對硬件要求比較低。 3、使用DSP處理器未用接口資源，系統軟件方便升級。 4、系統的軟件設計采用匯編和C語(yǔ)言相結合的方法和加窗插值FFT算法，可以提高代碼的開(kāi)發(fā)速度和系統整體的測量精度。由比較結果來(lái)看，該方案符合電力系統的要求，可靠性高，而且至少可以滿(mǎn)足每周期160點(diǎn)的實(shí)時(shí)采樣。 |
