基于雙DSP的電力系統(tǒng)諧波分析儀的設計

本文介紹了一種基于雙TMS320F 28335的電力系統(tǒng)諧波分析儀的設計方案,該分析儀可同時實現(xiàn)多通道信號(電壓和電流)的同步采樣，并對其進行諧波分析。借助強大的雙TMS320F28335平臺，實現(xiàn)了對信號的實時分析與顯示，具有實時性好，運算速度快，精度高，靈活性好，系統(tǒng)擴展能力強等優(yōu)點。

系統(tǒng)介紹
1 系統(tǒng)方案
由于本系統(tǒng)實時性要求較高且工作過程中有大量的數(shù)據(jù)傳輸和人機對話事件發(fā)生，而單個DSP資源有限，如果采用單個DSP處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將不能及時處理采樣數(shù)據(jù)并且可能會造成部分數(shù)據(jù)丟失從而影響系統(tǒng)整體性能。為彌補這一缺點，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(quán)負責采集、捕獲工作，另一片負責數(shù)據(jù)處理和人機對話，這樣可實現(xiàn)不間斷、高速度、多端口的處理。針對通信雙方速度不匹配、信息交換實時性要求高、一次傳輸信息量大、數(shù)據(jù)傳送要求準確無誤等特點,綜合考慮通信的可靠性、實現(xiàn)的難易程度以及成本等諸多因素,采用雙口RAM通過雙機中斷交互式協(xié)調(diào)工作的模式來實現(xiàn)多處理器之間的高速通信。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 工作過程
首先，通過傳感器把PT(電壓互感器)、CT(電流互感器)上的電壓、電流轉(zhuǎn)換成跟隨式的交流低壓，然后經(jīng)過兩級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(shù)據(jù)的傳輸，最后對采集的數(shù)據(jù)進行FFT等各種算法的處理從而獲得所需要的各種電網(wǎng)參數(shù)并且判斷電能質(zhì)量的優(yōu)劣；同時，在外部按鍵控制下，根據(jù)不同的命令相應的在液晶屏上實時顯示數(shù)據(jù)，從而達到實時監(jiān)控的目的。

系統(tǒng)硬件設計
本電力系統(tǒng)諧波分析儀的硬件電路主要包含5個部分：信號轉(zhuǎn)換模塊、信號預處理模塊、雙TMS320F28335數(shù)字信號處理模塊、單色液晶屏模塊(CM320×240)、鍵盤模塊。

1 信號轉(zhuǎn)換模塊
信號轉(zhuǎn)換模塊主要包括互感器和程控信號調(diào)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時衰減小于0.3～ldB，完全可以滿足50次以下諧波的精確測量。程控信號調(diào)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,因此通過雙DSP模塊上DSP-L機的SPI總線以及GPIO口控制對輸入信號衰減/放大的比例，以滿足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(diào)理部分采用256抽頭的數(shù)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，每個輸入通道的輸入特性為1MΩ輸入阻抗+30pF。程控信號調(diào)理電路原理圖如圖2所示。

圖2 程控信號調(diào)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(jù)國家對諧波測量儀器的要求，A級儀器頻率測量范圍是0～2500Hz，故每周波每路采樣128點。根據(jù)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。同時為了提高測量精度，采用了自適應調(diào)整采樣間隔技術，即根據(jù)捕獲單元測量的頻率自動調(diào)整。本系統(tǒng)采用同步方波變換電路部分實現(xiàn)頻率的測量，同時為提高共模抑制比，同步方波變換電路采用開環(huán)方式實現(xiàn)電壓比較并將其輸入到同相端，同時在反相端輸入  +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(shù)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，通過雙口RAM采用雙機中斷交互式協(xié)調(diào)工作的模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與傳輸。雙TMS320F28335數(shù)字信號處理模塊工作時序如圖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(diào)工作的具體步驟如下：

①DSP-L機工作周期由定時器1中斷產(chǎn)生，工作周期為T4。在每個周期開始時進行電壓、電流采集，并把采集數(shù)據(jù)按照乒乓緩存結(jié)構(gòu)不斷寫到雙口RAM中，當采集完一個周期時，向DSP-R機發(fā)中斷，該中斷執(zhí)行時間為T1。

②DSP-R機響應中斷后，完成軟件濾波算法和FFT算法，從而進行諧波分析，并將諧波數(shù)據(jù)顯示到LCD上，該中斷執(zhí)行時間為T2。

③DSP-L機從雙口命令區(qū)讀取R機鍵盤發(fā)出的命令并根據(jù)捕獲測頻結(jié)果自適應的調(diào)整采樣間隔，完成對AD采集的采樣控制和通過SPI接口完成對數(shù)字電位器AD5290的程控信號調(diào)理模塊的控制，該中斷執(zhí)行時間為T3。

4 單色液晶屏模塊
CM320240是一種圖形點陣液晶顯示器，主要采用動態(tài)驅(qū)動原理，由行驅(qū)動控制器和列驅(qū)動控制器兩部分組成了320(列)×240(行)的全點陣液晶顯示，此顯示器內(nèi)含了硬件字庫，編程模式簡介方便。

該液晶模塊的讀寫周期周期最小為800ns。如果采用總線方式控制液晶模塊，TMS320F2812讀、寫周期最大值為200ns，不能滿足該液晶模塊的要求，故采用間接的控制方式。為節(jié)約硬件成本，本系統(tǒng)選用通用GPIO來控制液晶屏的讀寫信號。

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5 鍵盤模塊
為滿足實時性要求，本系統(tǒng)采用按鍵中斷方式完成人機交互功能。鍵盤有六個獨立的按鍵組成，當任一按鍵按下時，INT13引腳的輸入出現(xiàn)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子程序中讀取鍵盤狀態(tài)，并執(zhí)行相應的操作。6個按鍵分別為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(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)上電后按照選定的模式自舉加載程序，跳轉(zhuǎn)到主程序入口，進行相關變量、數(shù)據(jù)乒乓緩沖區(qū)、命令區(qū)、控制寄存器初始化，并使能XINTF和A/D定時采樣中斷。定時中斷產(chǎn)生后，DSP-L機內(nèi)部A/D開始對6組傳感器信號進行采樣，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存到乒乓緩沖區(qū)，然后通過中斷交互式協(xié)調(diào)工作模式將結(jié)果傳送至DSP-R機，DSP-R機調(diào)用FFT程序?qū)@些數(shù)據(jù)進行處理將結(jié)果實時傳到LCD顯示。主要包括3部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)處理算法、鍵盤中斷子程序，顯示處理子程序。系統(tǒng)雙機工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)雙機工作流程圖

1 數(shù)據(jù)處理算法
本系統(tǒng)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(diào)整采樣間隔技術;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 鍵盤中斷子程序
為滿足系統(tǒng)實時性要求，完成鍵盤操作的實時響應，本系統(tǒng)采用外部中斷方式對鍵盤掃描，完成命令形成與標志位設置功能。鍵盤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(qū)與顯示區(qū)兩部分。其中信息區(qū)包括固定信息（顯示煙臺大學DSP實驗室等），顯示區(qū)包括各相頻率值與諧波波形的顯示。

實驗結(jié)果
本系統(tǒng)采樣頻率為fs＝6400Hz，捕獲單元測頻結(jié)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)過分析以上各參數(shù)可看出：當頻率是50Hz左右時，最大誤差不超過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際情況。由于本系統(tǒng)采用了自適應調(diào)整采樣間隔技術來實現(xiàn)同步采樣，所以保證了參數(shù)的測量精度。

結(jié)束語
本文介紹了一種電力系統(tǒng)諧波分析儀，采用了DSP+DRAM+DSP的雙處理器協(xié)同工作結(jié)構(gòu)，通過雙機中斷交互式協(xié)調(diào)工作的模式快速的進行雙機通信，可滿足高速數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)囊?。由于采用了同步采樣技術、自適應調(diào)整采樣間隔技術和補零防頻譜泄露技術，可以實現(xiàn)較為準確的諧波分析，便于工程應用，具有較大的實際應用價值。