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本文介紹了一種基于雙TMS320F 28335的電力系統諧波分析儀的設計方案,該分析儀可同時(shí)實(shí)現多通道信號(電壓和電流)的同步采樣，并對其進(jìn)行諧波分析。借助強大的雙 TMS320F28335平臺，實(shí)現了對信號的實(shí)時(shí)分析與顯示，具有實(shí)時(shí)性好，運算速度快，精度高，靈活性好，系統擴展能力強等優(yōu)點(diǎn)。 系統介紹 1 系統方案 由于本系統實(shí)時(shí)性要求較高且工作過(guò)程中有大量的數據傳輸和人機對話(huà)事件發(fā)生，而單個(gè)DSP資源有限，如果采用單個(gè)DSP處理數據，系統將不能及時(shí)處理采樣數據并且可能會(huì )造成部分數據丟失從而影響系統整體性能。為彌補這一缺點(diǎn)，本設計提出了采用DSP+ DRAM+DSP的雙處理器協(xié)同工作模式，一片DSP全權負責采集、捕獲工作，另一片負責數據處理和人機對話(huà)，這樣可實(shí)現不間斷、高速度、多端口的處理。針對通信雙方速度不匹配、信息交換實(shí)時(shí)性要求高、一次傳輸信息量大、數據傳送要求準確無(wú)誤等特點(diǎn),綜合考慮通信的可靠性、實(shí)現的難易程度以及成本等諸多因素,采用雙口RAM通過(guò)雙機中斷交互式協(xié)調工作的模式來(lái)實(shí)現多處理器之間的高速通信。系統總體框圖如圖1所示。 
圖1 系統總體框圖 2 工作過(guò)程 首先，通過(guò)傳感器把PT(電壓互感器)、CT(電流互感器)上的電壓、電流轉換成跟隨式的交流低壓，然后經(jīng)過(guò)兩級RC 濾波器濾波后送入DSP片上A/D模塊，由雙DSP控制A/D的采集和數據的傳輸，最后對采集的數據進(jìn)行FFT等各種算法的處理從而獲得所需要的各種電網(wǎng)參數并且判斷電能質(zhì)量的優(yōu)劣；同時(shí)，在外部按鍵控制下，根據不同的命令相應的在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示數據，從而達到實(shí)時(shí)監控的目的。 系統硬件設計 本電力系統諧波分析儀的硬件電路主要包含5個(gè)部分：信號轉換模塊、信號預處理模塊、雙TMS320F28335數字信號處理模塊、單色液晶屏模塊(CM320×240)、鍵盤(pán)模塊。 1 信號轉換模塊 信號轉換模塊主要包括互感器和程控信號調理部分�；ジ衅鞑捎酶哳l性能好的精密電壓互感器（KV50A/P)和電流互感器（KT50A/P)，相移小于4～5°，信號頻率在2kHz時(shí)衰減小于0.3～ldB，完全可以滿(mǎn)足50次以下諧波的精確測量。程控信號調理部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采樣方式，可以確保電壓與電流信號間沒(méi)有相對相移。由于雙極性模擬輸入信號不能直接輸入到DSP-L機片上 A/D模塊,因此通過(guò)雙DSP模塊上DSP-L機的SPI總線(xiàn)以及GPIO口控制對輸入信號衰減/放大的比例，以滿(mǎn)足A/D模塊對輸入信號電平 (0～3V)的要求。A/D模塊輸入信號調理部分采用256抽頭的數字電位器AD5290和高速運算放大器AD8202組成程控信號放大/衰減器，每個(gè)輸入通道的輸入特性為1MΩ輸入阻抗+30pF。程控信號調理電路原理圖如圖2所示。
圖2 程控信號調理電路原理圖 2 信號預處理模塊 信號預處理模塊主要包括四階低通濾波電路和同步方波變換電路。根據國家對諧波測量?jì)x器的要求，A級儀器頻率測量范圍是0～2500Hz，故每周波每路采樣128點(diǎn)。根據工程經(jīng)驗，采用截止頻率為1500Hz的四階巴特沃斯低通濾波器，完全可以達到較好的濾波效果。同時(shí)為了提高測量精度，采用了自適應調整采樣間隔技術(shù)，即根據捕獲單元測量的頻率自動(dòng)調整。本系統采用同步方波變換電路部分實(shí)現頻率的測量，同時(shí)為提高共模抑制比，同步方波變換電路采用開(kāi)環(huán)方式實(shí)現電壓比較并將其輸入到同相端，同時(shí)在反相端輸入 +1.5V的比較電平，這樣在輸出端即引腳6處可得到占空比為50%的方波，其中電容C5起抑制高頻噪聲的作用。同步方波變換電路圖如圖3所示。
圖3 同步方波變換電路圖 3 雙TMS320F28335數字信號處理模塊 雙28335-DSP模塊主要由兩片TI公司的C2000系列DSP- TMS320F28335和一片IDT公司IDT70V28(64K×16bit)雙口RAM組成，兩片DSP分別為DSP-L 機和DSP-R機，通過(guò)雙口RAM采用雙機中斷交互式協(xié)調工作的模式實(shí)現數據的共享與傳輸。雙TMS320F28335數字信號處理模塊工作時(shí)序如圖4所示。
圖4 雙TMS320F28335 ?中藕糯 理模塊工作 斃蟯 雙機中斷交互式協(xié)調工作的具體步驟如下： ①DSP-L機工作周期由定時(shí)器1中斷產(chǎn)生，工作周期為T(mén)4。在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)進(jìn)行電壓、電流采集，并把采集數據按照乒乓緩存結構不斷寫(xiě)到雙口RAM中，當采集完一個(gè)周期時(shí)，向DSP-R機發(fā)中斷，該中斷執行時(shí)間為T(mén)1。 ②DSP-R機響應中斷后，完成軟件濾波算法和FFT算法，從而進(jìn)行諧波分析，并將諧波數據顯示到LCD上，該中斷執行時(shí)間為T(mén)2。 ③DSP-L機從雙口命令區讀取R機鍵盤(pán)發(fā)出的命令并根據捕獲測頻結果自適應的調整采樣間隔，完成對AD采集的采樣控制和通過(guò)SPI接口完成對數字電位器AD5290的程控信號調理模塊的控制，該中斷執行時(shí)間為T(mén)3。 4 單色液晶屏模塊 CM320240是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要采用動(dòng)態(tài)驅動(dòng)原理，由行驅動(dòng)控制器和列驅動(dòng)控制器兩部分組成了320(列)×240(行)的全點(diǎn)陣液晶顯示，此顯示器內含了硬件字庫，編程模式簡(jiǎn)介方便。 該液晶模塊的讀寫(xiě)周期周期最小為800ns。如果采用總線(xiàn)方式控制液晶模塊，TMS320F2812讀、寫(xiě)周期最大值為200ns，不能滿(mǎn)足該液晶模塊的要求，故采用間接的控制方式。為節約硬件成本，本系統選用通用GPIO來(lái)控制液晶屏的讀寫(xiě)信號。 5 鍵盤(pán)模塊 為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，本系統采用按鍵中斷方式完成人機交互功能。鍵盤(pán)有六個(gè)獨立的按鍵組成，當任一按鍵按下時(shí)，INT13引腳的輸入出現低電平跳變（INT13設置為下降延觸發(fā)）觸發(fā)DSP外部中斷，CPU響應中斷后在中斷服務(wù)子程序中讀取鍵盤(pán)狀態(tài)，并執行相應的操作。6個(gè)按鍵分別為A相電壓、B相電壓、C相電壓、A相電流、B相電流、C相電流。 系統軟件設計 系統上電后按照選定的模式自舉加載程序，跳轉到主程序入口，進(jìn)行相關(guān)變量、數據乒乓緩沖區、命令區、控制寄存器初始化，并使能 XINTF和A/D定時(shí)采樣中斷。定時(shí)中斷產(chǎn)生后，DSP-L機內部A/D開(kāi)始對6組傳感器信號進(jìn)行采樣，并將轉換結果存到乒乓緩沖區，然后通過(guò)中斷交互式協(xié)調工作模式將結果傳送至DSP-R機，DSP-R機調用FFT程序對這些數據進(jìn)行處理將結果實(shí)時(shí)傳到LCD顯示。主要包括3部分內容：數據處理算法、鍵盤(pán)中斷子程序，顯示處理子程序。系統雙機工作流程圖如圖5所示。
圖5 系統雙機工作流程圖 1 數據處理算法 本系統主要用到以下算法：①低通濾波處理算法;②捕獲單元高精度測頻算法;③自適應調整采樣間隔技術(shù);④FFT算法的諧波分析。具體算法及代碼請參閱《今日電子》網(wǎng)站本文章完整版。 2 鍵盤(pán)中斷子程序 為滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性要求，完成鍵盤(pán)操作的實(shí)時(shí)響應，本系統采用外部中斷方式對鍵盤(pán)掃描，完成命令形成與標志位設置功能。鍵盤(pán)中斷子程序流程圖如圖6所示。
3 LCD顯示子程序 LCD的顯示分為信息區與顯示區兩部分。其中信息區包括固定信息（顯示煙臺大學(xué)DSP實(shí)驗室等），顯示區包括各相頻率值與諧波波形的顯示。 實(shí)驗結果 本系統采樣頻率為fs＝6400Hz，捕獲單元測頻結果和FFT算法得到各次諧波的幅值分別如表1和表2所示。
誤差分析 經(jīng)過(guò)分析以上各參數可看出：當頻率是50Hz左右時(shí)，最大誤差不超過(guò)0.01Hz，諧波分析的19次諧波呈波次越高幅度越小的趨勢,并且所得各次諧波幅度比較符合實(shí)際情況。由于本系統采用了自適應調整采樣間隔技術(shù)來(lái)實(shí)現同步采樣，所以保證了參數的測量精度。 結束語(yǔ) 本文介紹了一種電力系統諧波分析儀，采用了DSP+DRAM+DSP的雙處理器協(xié)同工作結構，通過(guò)雙機中斷交互式協(xié)調工作的模式快速的進(jìn)行雙機通信，可滿(mǎn)足高速數據采集與傳輸的要求。由于采用了同步采樣技術(shù)、自適應調整采樣間隔技術(shù)和補零防頻譜泄露技術(shù)，可以實(shí)現較為準確的諧波分析，便于工程應用，具有較大的實(shí)際應用價(jià)值。 作者：煙臺大學(xué)光電信息學(xué)院 王軍東 劉昌偉 馬金臣 |
