基于DSP和CPLD的電力參數(shù)檢測終端的設計

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

引言
在供電系統(tǒng)中，對諧波、負荷電流、功率因數(shù)等電力參數(shù)進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(jiān)控裝置。該裝置通過采集這些參數(shù)，計算并判斷電能質(zhì)量的優(yōu)劣，同時與監(jiān)測主站進行通訊，接收主站下達的各種命令，傳送主站所需的各種參數(shù)，達到實時監(jiān)控的目的。本文詳細分析了DSP的硬件及軟件實現(xiàn)、FFT算法的實現(xiàn)、諧波分析、軟件濾波、參數(shù)計算以及由CPLD實現(xiàn)的缺相檢測、采樣脈沖產(chǎn)生、鍵盤消抖、地址譯碼等邏輯實現(xiàn)的問題。

硬件設計
變壓器監(jiān)測終端首先把經(jīng)過CT、PT的三相電壓和電流轉(zhuǎn)換為標稱值為100V和5A的電壓、電流，再把該信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為跟隨式的標稱值為5V的電壓信號。信號經(jīng)過過零比較器生成頻率相同的方波，以利于測頻和實現(xiàn)缺相檢測。同時由CPLD和DSP控制可同時對ADS7864完成六路信號的數(shù)據(jù)采集。然后由DSP完成軟件濾波、FFT運算以及各電網(wǎng)參數(shù)的計算檢測并進行各種判斷，將需要的數(shù)據(jù)存貯于掉電保護的NVRAM中。系統(tǒng)時鐘由可編程萬年歷時鐘芯片DS2000提供，同時由控制中心精確對時。如果判斷讀出的數(shù)據(jù)值越限，DSP就控制相應的輸出繼電器動作，進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RS-232、RS-485傳送信息，RS-232主要做為當?shù)卣{(diào)試接口，RS-485用于遠程通訊。系統(tǒng)配有鍵盤輸入和LCD顯示。

信號調(diào)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，因此需要進行信號的調(diào)理。

采樣脈沖的產(chǎn)生
本系統(tǒng)中采用以數(shù)字鎖相環(huán)為核心的采樣脈沖產(chǎn)生器。將待測信號經(jīng)過過零比較器LM339，得到一個方波作為數(shù)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(jù)閉環(huán)控制理論ff=fi，需要128倍頻，通過分頻器選擇分頻比(128倍分頻器由CPLD實現(xiàn))，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(zhuǎn)換器ADS7864
ADS7864是TI的6通道全差分輸入雙12位A/D轉(zhuǎn)換器。這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器能以500kHz的采樣率同時進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(zhuǎn)換成DSP或微處理器所需的數(shù)字信號。輸入到片內(nèi)六個采樣-保持放大器的信號經(jīng)過全差分可在ADC輸入期間保持，以使其在50kHz時仍然提供高達80dB的良好模抑制比，這一點對高噪聲時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FIFO寄存器進行連接，從而可以更快速地捕獲數(shù)據(jù)。

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，可以同時保持六路輸入信號，然后按工作模式設定的先后次序分別進行A/D轉(zhuǎn)換。為了提高系統(tǒng)的效率，將ADS7864的/BUSY信號接至CPLD，由其判斷ADS7864產(chǎn)生三個/BUSY信號后產(chǎn)生一個中斷，通知DSP一次性讀走ADS7864的FIFO中六個轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。

缺相檢測的實現(xiàn)
CPLD對經(jīng)過過零比較器整成方波的三相信號進行判斷，根據(jù)判斷結果，選取某一相信號送入到倍頻電路，同時把判斷的結果傳送給DSP，由DSP根據(jù)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(nèi)沒有高電平信號就判斷為該相無信號，即本系統(tǒng)的測量頻率下限為30.52Hz。

數(shù)據(jù)結果的傳輸與判斷
DSP根據(jù)采樣數(shù)據(jù)進行計算后得到的結果保存在掉電不丟失的RAM里，根據(jù)上行站點的要求通過GSM引擎模塊發(fā)送出數(shù)據(jù)，或通過RS-232串口直接從系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)。DSP也根據(jù)設定的參數(shù)標準，用計算所得的數(shù)據(jù)與之比較，判斷各種參數(shù)是否合格。如果不合格則做出相應的動作，如控制電容的投切、向上行站點報警、記錄不合格數(shù)據(jù)等，從而實現(xiàn)無人監(jiān)控。

信號的軟件濾波
本系統(tǒng)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(nèi)特性應盡可能平坦。當頻率高于截止頻率時應盡快衰減。

DSP的FIR濾波器的差分方程為：y(n)=h(k)×x(n-k)。用Matlab可以算出濾波器系數(shù)：h=fir1(n,w)。其中n為濾波器階數(shù)，w為歸一化截止頻率，0.0<w<1.0，1.0對應于半抽樣速率，w對應幅值為-6dB，返回值h為一個N+1維矢量，即濾波器系數(shù)。

TMS320F206有544字的雙口片上RAM(B0、B1、B2)，其中有288字(B1、B2)用于數(shù)據(jù)存儲器，256字(B0)可以通過設定片上DARAM配置位CNF而分配成程序或數(shù)據(jù)存儲器。為了有效利用MACD指令，將CNF置為1，即將B0分配成程序存儲器。整個濾波器程序的兩條核心指令就是：
RPT? NM1
MACD (PAM)，(DMA)
指令RPT NM1使下一條指令執(zhí)行N-1次(N為濾波器長度)；而指令MACD (PAM)，(DMA)則完成以下的操作：a.用PAM裝載程序計數(shù)器；b.將數(shù)據(jù)空間地址為DAM(片上B1)的數(shù)據(jù)與程序空間地址為PAM(片上B0)的數(shù)據(jù)相乘；c.將前次乘積加至累加器；d.將指定的數(shù)據(jù)存儲器地址中的內(nèi)容復制到下一高地址數(shù)據(jù)存儲器，且程序指針指向下一個濾波器系數(shù)。按照圖4的分配方式存放輸入采樣值和沖擊響應就可以正確利用上面的兩條指令。
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參數(shù)的計算
DSP初始化各個參數(shù)后，首先檢測是否缺相，接著檢測頻率，依次再采集電壓電流參數(shù)。在對采集的數(shù)據(jù)進行預處理后，計算各個電參數(shù)和FFT，最后計算諧波分量并根據(jù)標準進行判斷。另外，各種參數(shù)標準的設定、通訊等功能都由各自的子程序去實現(xiàn)。&

（包盛花|）

[1].CPLDdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2].100Vdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/100V_1748275.html.
[3].ADS7864datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ADS7864_1076289.html.
[4].RS-232datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS-232_584855.html.
[5].RS-485datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS-485_584821.html.
[6].LM339datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/LM339_1060635.html.
[7].TMS320F206datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F206_17297.html.
[8].N-1datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/N-1_1997158.html.
[9].PAMdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PAM_1643521.html.