基于DSP的新型多功能電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀表的設(shè)計(jì)

近年來(lái)，我國(guó)電力事業(yè)無(wú)論是發(fā)電總量還是電網(wǎng)的建設(shè)都得到了迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。但隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，電能質(zhì)量的問(wèn)題日益受到重視，生產(chǎn)和生活中對(duì)于電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。由于高壓直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用和大量變頻器、整流器、電弧爐等非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷不斷地引入電力系統(tǒng)，大量諧波電流注入電網(wǎng)，造成電力系統(tǒng)中諧波含量急劇上升和電壓波形嚴(yán)重“畸變”，致使電能質(zhì)量下降。電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴(yán)重，對(duì)繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)、測(cè)量和計(jì)量?jī)x器及通訊系統(tǒng)都有不利和不可預(yù)知的影響；降低了電網(wǎng)可靠性，增加了電網(wǎng)損失；降低了電氣設(shè)備的效率和利用率，在生產(chǎn)和生活中都造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
    鑒于以上的各問(wèn)題，提高電能質(zhì)量的新技術(shù)及改善電能質(zhì)量的分析方法成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。為了采取合理的措施提高電能質(zhì)量，對(duì)電能質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)準(zhǔn)確的檢測(cè)和分析，對(duì)電力系統(tǒng)中各參數(shù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量，是解決電能質(zhì)量問(wèn)題的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，只有對(duì)所存在的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行有效的檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析，才能清楚該電能質(zhì)量問(wèn)題的特性，進(jìn)而采取相應(yīng)的解決措施，以保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)以高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5402和高精度16位A/D轉(zhuǎn)換器AD73360為核心，針對(duì)現(xiàn)有裝置在軟硬件設(shè)計(jì)方面存在的一些不足，通過(guò)基于DSP的快速傅里葉變換算法[1]，對(duì)裝置開(kāi)發(fā)涉及到的軟硬件作出部分改進(jìn)，對(duì)下位機(jī)重新作出設(shè)計(jì)，構(gòu)架了DSP+MCU方案，設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力參數(shù)的裝置，可以測(cè)量三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)及頻率等，在電能質(zhì)量方面具體包括：2～31次諧波分析、電壓波峰系數(shù)、電流K系數(shù)、三相電壓/電流不平衡度等。
1 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，以TI公司的TMS320VC5402芯片為核心，包括電流/電壓隔離電路、信號(hào)調(diào)理及A/D采樣電路、以16位低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心的人機(jī)接口電路以及系統(tǒng)輔助電源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)包括三相電流/電壓在內(nèi)的各電參量的測(cè)量、顯示控制以及通信等功能。整個(gè)系統(tǒng)以準(zhǔn)確采樣與處理為基礎(chǔ)，兼顧整體的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉等因素。

    首先三相電壓/電流經(jīng)過(guò)精密電壓電流互感器轉(zhuǎn)換后濾除高次諧波，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路變換為適合AD73360采樣的信號(hào)進(jìn)行采樣。AD73360將采樣完的數(shù)字信號(hào)送入DSP。
　由DSP對(duì)采樣數(shù)據(jù)作進(jìn)一步抗混疊處理后，計(jì)算出各電力參數(shù)并通過(guò)快速傅里葉算法進(jìn)行諧波分析，并將需要的參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)[2]。
　經(jīng)過(guò)DSP處理后的各實(shí)時(shí)電參量經(jīng)通信單元送給以MSP430F149為核心的上位機(jī)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括鍵盤(pán)輸入控制電路以及LCD液晶顯示電路，實(shí)現(xiàn)友好、直觀的人機(jī)接口。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 TMS320VC5402與AD73360接口電路
　AD73360是ADI公司推出的6通道模擬輸入的16位串行可編程A/D轉(zhuǎn)換器。它采用∑-△ A/D轉(zhuǎn)換原理，具有良好的內(nèi)置抗混疊性能，所以對(duì)模擬前端濾波器的要求不高,用一階RC低通濾波器就能滿足要求。其采樣率和輸入信號(hào)增益都是可編程的，采樣率可分別設(shè)置為64 kS/s、32 kS/s、16 kS/s和8 kS/s(輸入時(shí)鐘為16.384 MHz時(shí))，增益可在0 dB~38 dB之間選擇。AD73360能保證6路模擬信號(hào)同時(shí)采樣，且在變換過(guò)程中延遲很小。本系統(tǒng)中AD73360采用交流耦合的差分輸入,通過(guò)McBSP接口與TMS320VC5402相連，接口信號(hào)線的數(shù)目只有6條，簡(jiǎn)捷高效。圖2是具體連接方法。

    AD73360的串口時(shí)鐘SCLK信號(hào)作為McBSP的發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)(CLKX0)和接收時(shí)鐘信號(hào)(CLKR0)；McBSP的發(fā)送引腳(FSX0)、接收幀同步引腳(FSR0)與AD73360的輸入引腳(SDIFS)、輸出幀同步(SDOFS)連接到一起，使McBSP的發(fā)送信號(hào)(FSX0)和接收幀同步時(shí)鐘信號(hào)(FSR0)與AD73360的輸出幀同步信號(hào)(SDOFS)保持同步。AD73360的數(shù)據(jù)輸出引腳(SDO)和輸入引腳(SDI)分別與McBSP的數(shù)據(jù)接收引腳(DR0)和數(shù)據(jù)發(fā)送引腳(DX0)相連。AD73360的激活信號(hào)SE由鎖相倍頻電路的輸出倍頻信號(hào)AD_SE觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)同步鎖相采集。AD73360的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)MCLK可以由DSP分頻得到，也可以由晶振直接產(chǎn)生，AD73360的最高輸入時(shí)鐘為16.384 MHz。
2.2 鎖相倍頻電路及頻率測(cè)量
　傅里葉變換要求每周期采樣點(diǎn)數(shù)等間隔，且采樣時(shí)間要涵蓋整周期。因此對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)的要求非常嚴(yán)格。實(shí)現(xiàn)同步采樣的方式有軟件同步和硬件同步兩種，硬件同步采樣比軟件同步采樣響應(yīng)迅速，能實(shí)時(shí)追蹤頻率變化。本裝置中采樣脈沖產(chǎn)生電路由過(guò)零比較器、鎖相器以及分頻電路組成。鎖相電路選擇了一種性能優(yōu)良的CMOS鎖相環(huán)路CD4046，同時(shí)CD4046提供給計(jì)數(shù)器74LS393來(lái)產(chǎn)生所需的分頻信號(hào)。[!--empirenews.page--]
　倍頻鎖相電路如圖3所示，首先將所檢測(cè)的信號(hào)送入方波發(fā)生器，輸出一個(gè)與輸入信號(hào)同頻率的方波f 1，然后送入由鎖相環(huán)CD4046和計(jì)數(shù)器74LS393構(gòu)成的128倍頻鎖相電路。將74LS393分頻后的輸出信號(hào)接到CD4046比相器輸入端3，與f 1進(jìn)行比較，直至3端和4端的輸入信號(hào)相位差不再隨時(shí)間變化，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。此時(shí)Vout輸出端對(duì)方波信號(hào)實(shí)現(xiàn)了128倍頻,依此方波對(duì)AD73360進(jìn)行數(shù)據(jù)采集觸發(fā)。同時(shí)，74LS393的9腳輸出信號(hào)送入DSP的捕獲端口，用于測(cè)量頻率。

    此鎖相倍頻電路不需要軟件干涉,節(jié)省了軟件資源，同時(shí)提高了檢測(cè)速度。倍頻鎖相電路為A/D采集提供了精確的觸發(fā)脈沖，提高了檢測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)了同步鎖相采集。
2.3 TMS320VC5402與MSP430通信接口電路
　TMS320VC5402提供一個(gè)HPI主機(jī)接口。HPI是一個(gè)8位并行口，用來(lái)與主設(shè)備或主處理器接口，HPI作為一個(gè)外設(shè)與主機(jī)相連，使主機(jī)的訪問(wèn)操作很容易[3]。
　當(dāng)TMS320VC5402與主機(jī)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，HPI能自動(dòng)地將外部接口連續(xù)傳來(lái)的8位數(shù)組合成16位數(shù)，并傳送至TMS320VC5402。當(dāng)主機(jī)使用HPI寄存器執(zhí)行一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，HPI控制邏輯會(huì)自動(dòng)執(zhí)行對(duì)一個(gè)專用2 KB的內(nèi)部雙訪問(wèn)RAM的訪問(wèn),以完成數(shù)據(jù)處理,然后C5402可以在它的存儲(chǔ)器空間訪問(wèn)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。HPI口的存儲(chǔ)器訪問(wèn)可分為共用尋址和單主機(jī)尋址方式，一般選用共用尋址方式。DSP和單片機(jī)通過(guò)向雙方發(fā)送中斷通知對(duì)方數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，通過(guò)監(jiān)測(cè)對(duì)方設(shè)置的狀態(tài)判斷對(duì)方是否準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)。圖4是MSP430單片機(jī)與TMS320VC5402的硬件接口電路。

2.4 其他電路設(shè)計(jì)
    單片機(jī)通信及人機(jī)接口模塊是一個(gè)以單片機(jī)為MCU的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它的主要功能是完成DSP運(yùn)算結(jié)果的數(shù)據(jù)再處理，管理輸入輸出設(shè)備，協(xié)調(diào)整個(gè)儀器系統(tǒng)的工作，并使儀器操作方便、顯示直觀。
    設(shè)計(jì)采用TI公司超低功耗的MSP430F149單片機(jī)，它具有16 bit RISC結(jié)構(gòu)，16 bit寄存器和常數(shù)寄存器，內(nèi)置乘法器，2個(gè)UART，分段可擦除Flash[4]。
    液晶顯示選用128×64點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，可與CPU直接接口，具有8 bit標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線，6條控制線及電源線，采用KS0108控制IC。RS485通信電路采用SN65LBC184，并配合快速光耦合器6N137，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。系統(tǒng)按鍵共6個(gè)，分別是“菜單”、“復(fù)位”、“確認(rèn)”、“↑”、“↓”和“返回”?？紤]到按鍵操作會(huì)很頻繁，而MSP430F149的I/O口又比較豐富，所以用帶中斷功能的P2口采用下降沿觸發(fā)的中斷方式來(lái)進(jìn)行按鍵編程。
3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
　該儀表的軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，一是TMS320VC5402的相關(guān)程序設(shè)計(jì)，其主要功能是：A/D采樣控制、串口數(shù)據(jù)傳輸、大量復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算、FFT諧波分析、部分事件記錄以及與主控單片機(jī)的通信等；二是MSP430單片機(jī)中的相關(guān)程序，主要功能包括：液晶顯示、按鍵處理、數(shù)字通信、開(kāi)關(guān)量輸入輸出的實(shí)現(xiàn)等。在編程語(yǔ)言的選擇上，DSP部分采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言相結(jié)合的方式[5]，為了保證系統(tǒng)良好的實(shí)時(shí)性，以匯編語(yǔ)言為主，C語(yǔ)言做整個(gè)程序框架進(jìn)程調(diào)度，既保證了程序的易讀性，也兼顧了系統(tǒng)良好的實(shí)時(shí)性。MSP430F149的程序完全基于C語(yǔ)言平臺(tái)開(kāi)發(fā)，程序簡(jiǎn)單易讀，可移植性好，便于后續(xù)升級(jí)工作。[!--empirenews.page--]
　系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。上電后首先DSP進(jìn)入引導(dǎo)程序并開(kāi)始系統(tǒng)的初始化，然后，為了使串口能配合AD73360開(kāi)始工作，要對(duì)DSP的McBSP串口進(jìn)行設(shè)置，包括對(duì)字長(zhǎng)、允許產(chǎn)生中斷等的設(shè)置。開(kāi)始工作后串口的時(shí)鐘由AD73360產(chǎn)生，接著由設(shè)置好的串口對(duì)A/D進(jìn)行初始化,打開(kāi)六路采樣通道,設(shè)置采樣模式等。然后打開(kāi)INT0等待中斷。INT0由PLL電路產(chǎn)生,由此實(shí)現(xiàn)同步采樣。DSP收到INT0后，打開(kāi)發(fā)送中斷向A/D發(fā)送采樣指令，并同時(shí)打開(kāi)數(shù)據(jù)接收中斷開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，采樣后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT諧波分析以及處理后的數(shù)據(jù)傳送與顯示。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖6所示，MCU與DSP通信流程圖如圖7所示。

    儀表的參數(shù)測(cè)試電路已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)，可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。該電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀表是針對(duì)電力系統(tǒng)、工礦企業(yè)、公共設(shè)施等設(shè)計(jì)的多功能電力電測(cè)儀表，它以TMS320VC5402為核心，以MSP430F149為主控芯片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，功能完備，工作穩(wěn)定，可應(yīng)用于科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中。