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| -- 作者：wangxinxin -- 發布時間：2010-11-13 12:31:06 -- 基于DSP的電力系統諧波分析 [摘要] 提出將DSP技術應用到電力諧波分析中，并介紹了一種以單片機(AT89C51)為主控機，TMS320VC5402為數據處理芯片的電力系統諧波分析儀，詳細介紹了該裝置的整體結構、工作原理和軟、硬件設計思路。 關鍵詞 DSP 電力系統 諧波分析 AT89C51. 0 引言 目前，電力系統諧波分析通常都是通過快速傅立葉變換(FFT)實現的。國內測量儀器可靠性和精度方面尚未嚴格考核過，主要適用于諧波測量方面，處理功能較差，運算速度較慢，不能滿足電力監測高實時性的要求。 針對上述情況，本文設計了一種以單片機(Mcu)為主機，DSP為從機的便攜式電力系統諧波分析儀。該分析儀具有結構簡單、運算速度快、易于操作、成本低等特點。 1 整體設計方案 作為一個電力諧波檢測裝置，它必須具有以下幾種功能：在任何時刻能夠對電力系統信號進行數據采樣； 具有快速、準確地分析包括電流、電壓和功率在內的各種電力基本參量； 能夠以文本和圖形兩種方式顯示分析結果(如各種參量的波形圖，諧波含量柱狀圖等)； 在必要時，能夠將分析結果打印出來； 整個檢測裝置必須功耗低，以滿足采用電池供電的要求，從而實現便于攜帶的目的。基于上述情況，筆者提出如圖1所示的設計方案。整個系統的設計思路如下：把來自電網的電壓(或電流)，經過降壓，抗混疊濾波后，由A／D采樣轉換成DSP可以處理的離散數據；然后由DSP執行數據處理程序(如FFT)，計算出結果，并存儲在DSP的內部RAM 中，再由單片機來讀取這些數據，并把結果顯示在液晶顯示屏上或打印出來，可以使用按鍵來選擇顯示的電力參數和翻頁顯示。圖1中的電壓、電流信號必須為經過TV、TA，且經過抗混疊濾波處理的低壓或小電流信號，使其能符合A／D轉換和D SP處理的需要。 在本方案中，單片機作為主控器完成整個系統的控制和鍵盤處理，分析結果顯示與打印功能，并實現與DSP的通訊。按鍵輸入則用于通過鍵盤選擇要顯示或打印的電力參量等。FLAsH與DSP相連接，用于引導和儲存信號處理程序。而D SP實現對電壓、電流信號的采集及對其進行FFT變換和其他相關計算。 2 硬件設計 為簡化設計和降低成本，本裝置中的單片機采用美國Atmel公司生產的AT89C5 1，它是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機，片內帶有一個4k字節的Fla sh可編程可擦除只讀存儲器，而且其輸出引腳和指令系統都與MCS一5 1兼容。該單片機主要用來完成人機交互和整個系統的協調，而DSP則用來完成數據的采集和處理。單片機和DSP之間的通信(數據交換)是利用先進的DSP主機接口技術(HPI)來實現，它是一個8位的并口，提供了D S P和主處理器的接口。本設計中的DSP采用TI公司生產的低功耗芯片TMS320VC5402，它具有運算速度快、功耗小、性價比高、片內RAM 容量大等特點。在整個方案中，以單片機作為主機，DSP作為從機，用單片機來控制整個系統，所以單片機和DSP之間的主從式連接是本設計的重點。接口電路圖如圖2。 數據采集和轉換也是本設計的另一個重點。這里A／D采用TI公司的TLV1570ADC，它是1個8通道10位串行的帶自動掃描的A／D轉換器，它與DSP構成的信號采集和處理系統具有硬件設計簡單、可靠性好的特點。在該A／D轉換電路中，使用了DSP的多通道緩沖串口(McBSPs)，采用了TMS320VC5402的DMA通道讀取TLV1570ADC的轉換結果， 用定時中斷時間來觸發DMA進行數據傳輸， 在設定的數據傳輸完畢后，觸發DMA中斷，CPU響應DMA中斷進行后續處理。這樣DMA 以后臺形式進行數據傳輸，無需CPU進行控制， 提高了CPU的效率。圖3為TLV1570和TMS320VC5402的接口電路。在實際使用中， 必須保證A／D采樣頻率和串行口傳輸速率設置的相互協調， 從而確保DSP有足夠的時間讀取當前采樣的數據。由于TMS320VC5402內部的ROM較小，而用戶能用的部分更少，故要外擴程序存儲器FLASH。本系統中使用的FLASH是SST公司推出的256k×16位產品SST39VF400A，它具有以下主要特點：可直接與3．3V的高性能DSP接口，簡化了系統的電源要求；最快的存取速度高達90ns，CMOS工藝，具有1 0 次寫入／擦除壽命、低功耗、塊保護功能等。在電路啟動時，由TMS320VC5402內部ROM 中的引導程序將存儲在FLASH中的工作程序轉移到0SP中的SRAM 里，提高程序運行效率，降低對外部ROM的速度要求。這樣，不僅可以提高系統硬件的成本，而且可以提高系統的整體抗干擾性，這就需要運用DSP自舉引導功能。TMS320VC5402引導方式：主機接口HPI、并口、標準串口、8位串行E 2PROM及I／O口自舉引導方式。圖4為SST39VF400A和DSP的接口電路。 3 軟件設計 整個軟件的設計采用模塊化、結構化設計思想。在軟件算法方面， 系統采用傳統的FFT， 對采集的電壓和電流信號進行頻譜分析， 進而得出有關諧波的各項值。系統軟件流程框圖設計如圖5。其中顯示模塊用于選擇分析結果的顯示輸出方式：文本方式、波形方式或諧波柱狀圖等。打印模塊主要用于將各種顯示的值打印出來。MCU讀取數據模塊將按照圖6所示的流程來讀取數據。圖6為單片機和D S P 數據交換的流程圖。單片機和TMS320VC5402之間的通信是通過HPI接口來實現的。通過增強的8位HPI允許主機處理器對DSP的片內存儲器進行訪問，通過兩個連續的8位字節組合在一起形成一個1 6位字傳輸。當主機設備執行與HPI寄存器的一個數據傳輸時，HPI控制邏輯自動執行對內部DSP的RAM訪問已完成數據傳輸，DSP然后可以在它的存儲空間訪問數據。主機對HPI內存的尋址必須通過HPI的寄存器(HPIA、HPIC和HPID)來實現，一般的步驟是：初始化HPIC，接著初始化HPIA為主機希望尋址的HPI內存地址，即主機欲訪問DSP片內RAM，需要先發送一個16位地址到HPI地址寄存器(HPIA)，然后通過數據寄存器(HPID)訪問該地址所指向的存儲單元。若主機欲連續訪問一段RAM 空間，則要先送該段的首地址到HPIA，然后以地址自動加1的方式訪問，即主機每訪問一個存儲單元后HPIA 自動指向下一個單元。 4 系統仿真實驗 為驗證該裝置的正確性與精確度， 本系統做了一個簡單的仿真試驗， 采用信號發生器產生方波作為A／D的輸入信號， 其數學表達式為： 該信號具有所有的奇次諧波， 而該系統濾去了高次諧波， 計算次數最高為2 0次， 因輸入為方波，故顯示最高為1 9次諧波。實驗結果見表1。 由表1可知， 計算值與該函數的傅立葉級數的各實際值非常接近。故本裝置具有可靠性高、計算精度高、速度快等特點， 適合在電力系統實時檢測的應用。 5結束語 在電力系統的諧波問題日益嚴重的情況下，使用本系統可以為諧波的抑制和消除提供依據，為電力系統的正常運行和電力電子裝置的安全提供保障。但由于傅立葉分析有其局限性，故不可避免地存在由時域截斷而產生的能量泄漏問題，這是有待于進一步解決的問題。 |