基于DSP的電能質(zhì)量分析儀系統(tǒng)研究*

郭玉良，徐 新

（1.新鄉(xiāng)供電公司，河南新鄉(xiāng) 453000;2.中國石油化工股份有限公司河南石油分公司，河南鄭州 450016）

1 引言

電力系統(tǒng)遭受著各種各樣的干擾，這些干擾來自于電力設(shè)備。電磁干擾對電力系統(tǒng)的工作造成了危害，會使電力系統(tǒng)無法正常工作。電能質(zhì)量的問題引起了越來越多的關(guān)注。

電能質(zhì)量的監(jiān)測直接影響到電能質(zhì)量污染的治理效果，各種類型電能質(zhì)量分析儀是電能質(zhì)量監(jiān)測的關(guān)鍵儀器。初期的監(jiān)測裝置大多是由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，隨著有強(qiáng)大數(shù)字運(yùn)算能力的DSP芯片的廣泛應(yīng)用，電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)得到了新的發(fā)展［1］。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量分析儀是一個數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，市電電壓、電流等參數(shù)通過傳感器采集進(jìn)來，通過信號調(diào)理電路進(jìn)行放大濾波等處理，送入高精度AD轉(zhuǎn)換器AD73360轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳送到DSP芯片進(jìn)行運(yùn)算處理，最后處理結(jié)果通過GPRS進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理、管理和存儲［2］。本系統(tǒng)主要由信號采集模塊、信號調(diào)理模塊、鎖相模塊、DSP數(shù)據(jù)處理模塊和通信接口模塊組成。本系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示:

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 DSP 控制器

根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算速度和計(jì)算量的要求，本系統(tǒng)采用美國TI公司32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812作為系統(tǒng)的控制器。它既具有數(shù)字信號序列的快速蝶形運(yùn)算能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和豐富的中斷系統(tǒng)，適用于大量數(shù)據(jù)處理嵌入式測控系統(tǒng)［3］。

2.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要功能是將模擬信號經(jīng)過濾波、放大、偏置等環(huán)節(jié)的處理，調(diào)整到適合 A/D轉(zhuǎn)換器輸入的范圍和屬性。調(diào)理電路由霍爾傳感器電路、低通濾波電路和偏置電路組成?；魻杺鞲衅麟娐穼⑹须姸蝹?cè)的電壓和電流轉(zhuǎn)換為弱電模擬信號;由于該信號中含有高頻分量，影響A/D采樣過程，所以要通過低通濾波電路將信號中的高頻分量進(jìn)行濾除，以滿足A/D采樣要求;此外還要通過偏置電路，將互感器輸出的雙極性交流信號轉(zhuǎn)換為適合A/D輸入的單極性信號。

2.3 鎖相模塊

本系統(tǒng)采取了嚴(yán)格的防干擾措施來防止擾動的影響。原始輸入信號是以A相電壓信號作為生成觸發(fā)采樣信號的，信號經(jīng)過一個截止頻率為60Hz低通濾波器，以此減少高頻雜波，提高信號質(zhì)量;然后經(jīng)過一個具有遲滯比較功能的電壓比較器，通過設(shè)置參數(shù)，可使輸出的矩形波信號在大于零的某個值處跳變。該信號輸出分成兩個支路，一路做鎖相環(huán)的輸入，以生成A/D采樣時鐘信號;一路做TMS320LF2812的EV1輸入以計(jì)算電網(wǎng)的頻率。

2.4 A/D采樣電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中要求對市電三相電壓信號和電流信號同時進(jìn)行采樣，以保障系統(tǒng)的精確性，故選用AD公司的AD73360芯片作為模擬采樣器件。AD73360具有6個16位模擬量輸入通道，這6個通道可同時啟動進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在存儲器中，由控制器分別讀取，從而有效地消除了由于采樣時間不同而產(chǎn)生的相位誤差。各個通道的采樣頻率可以由控制字在 8kHz、16kHz、32kHz和 64kHz中進(jìn)行設(shè)定，各通道可以允許從直流到4kHz的模擬信號輸入。由于各通道都有內(nèi)置的反混迭濾波器，所以對其輸入端反混迭濾波器的要求大為降低，所以僅需一階 RC濾波器即可［4，5］。

圖2 TMS320F2812結(jié)構(gòu)框圖

2.5 GPRS 通信模塊

DSP處理器經(jīng)過運(yùn)算產(chǎn)生的電壓電流的幅值和相位參數(shù)通過GPRS通信模塊上傳給上位機(jī)進(jìn)行管理和存儲。本系統(tǒng)采用SIM300C實(shí)現(xiàn)GPRS功能，SIM300C主要特點(diǎn):該模塊尺寸小、功耗低，內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議，提供通用的AT控制命令［6］。如圖3所示。

圖3 通信模塊的構(gòu)成框圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分采樣結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)方案。軟件從功能上可以分為兩大部分，一是跟硬件有密切關(guān)系的程序模塊，包括DSP內(nèi)置模塊電路的初始化和工作流程模塊，外部電路的驅(qū)動和銜接流程，這些程序模塊完成對硬件的底層操作，實(shí)時性要求高，在中斷處理模塊中完成。二是與硬件無關(guān)的應(yīng)用程序，實(shí)時性要求不高，包括諧波分析的算法程序等，在系統(tǒng)主循環(huán)中完成。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)加電啟動后，DSP首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入循環(huán)結(jié)構(gòu)，同時等待中斷。系統(tǒng)初始化包括DSP芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)和各個模塊的初始化、A/D通道初始化、SCI串口初始化等。循環(huán)中依次進(jìn)行數(shù)字濾波、諧波分析、三相有效值的計(jì)算、功率及功率因數(shù)的計(jì)算，最后還有參數(shù)上傳。如圖4所示。

3.2 中斷處理模塊

中斷程序主要有定時器中斷服務(wù)子程序、捕獲中斷服務(wù)子程序、A/D采樣中斷子程序以及串口中斷服務(wù)子程序等組成。作為一個適合實(shí)現(xiàn)控制功能的DSP芯片，TMS320F2812具有兩級中斷向量的中斷管理結(jié)構(gòu)和大量的中斷源，可以滿足芯片內(nèi)置模塊工作和外部擴(kuò)展其他硬件電路大量的硬件中斷請求。TMS320F2812通過外圍中斷擴(kuò)展控制器(PIE)，用12個可屏蔽核心中斷來管理外圍中斷。中斷產(chǎn)生時，TMS320F2812在處理完比較的指令后會立即對中斷申請進(jìn)行相應(yīng)，然后對中斷源進(jìn)行識別。如果是可屏蔽中斷，則首先要檢查中斷源對應(yīng)的屏蔽位是否屏蔽了該終端;對于外設(shè)服務(wù)的終端要接著檢查PIE模塊對應(yīng)的屏蔽位是否被屏蔽，最后還要檢查該終端對應(yīng)的CPU級終端是否被屏蔽。根據(jù)相應(yīng)情況決定是否響應(yīng)。響應(yīng)中斷時，CPU先進(jìn)入 ISR，再根據(jù)外圍中斷所具有的中斷矢量，再轉(zhuǎn)到相應(yīng)的SISR服務(wù)程序。如圖5所示。

圖4 DSP主程序流程圖

4 結(jié)語

本文按照網(wǎng)絡(luò)化、智能化、模塊化的設(shè)計(jì)思路，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了以 DSP為核心，包括信號調(diào)理、鎖相模塊、AD采集模塊、信號處理模塊、GPRS通信模塊等的系統(tǒng)總體架構(gòu)，使該儀器在大型用電設(shè)備現(xiàn)場完成測量和監(jiān)控，又能實(shí)時上傳用電數(shù)據(jù)。

圖5 中斷服務(wù)程序流程圖

［1］杜永平，袁桂東.電能質(zhì)量及其綜合管理［J］.安徽電力，2006，23(1):70－72.

［2］胡銘.電能質(zhì)量及其分析方法綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，24(2):20－25.

［3］江思敏.TMS320C2000系列 DSP開發(fā)應(yīng)用技巧［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［4］何學(xué)輝，蘇濤.TMS320VC5402 DSP與串行AD73360 A/D轉(zhuǎn)換器的接口設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2003，11(20):67 －70.

［5］許鵬翔，蔣大林，劉芳亮.基于AD73360電力參數(shù)測量的算法實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，6(27):20 －22.

［6］陸宜.基于 SIM300模塊的 PC機(jī)短信互動實(shí)現(xiàn)［J］.網(wǎng)絡(luò)與通信，2007，23:110 －115.