! 电能质量监测系统的研究与设计(6)

[35]。

DSP单元主要实现对电能质量各项指标的计算。核心部分是TI公司的32bit的定点DSP芯片TMS320LF2812,它具有最高150M的时钟频率，片内带有256K、16bit双静态RAM，带有启动程序装载功能，能从片外低速的FLASH中将程序自动加载到片内SRAM中，实现高速运行。由于片内SRAM有限，扩展了片外SRAM，用于运行和数据量较大的程序。作为该系统的核心，DSP是完成整个功能的核心，它在硬件上要完成相关的连接，以便完成对相关硬件电路的驱动和操作[36]。

DSP硬件上需要完成的主要功能包括：完成对信号周期的抓取，信号的采集，电路的控制，数据的通讯及人际交互单元的处理等，具体包括以下几个部分：CAP周期捕获单元，ADS8364的连接单元，和通讯单元连接，通过I/O口控制其他外围电路，电平转换连接电路，按键电路，液晶屏连接电路。

DSP软件算法上主要完成的功能有：基本电量的计算，包括电压、电流有效值的计算，信号频率的计算，谐波含量的计算，有功功率、无功功率、视在功率及功率因数的计算，三相不平衡度的计算，及人机交互处理等，其中最重要的是要完成数据处理，其中耗时比较多的是FFT算法，DSP2812可以实现定点FFT算法，本文通过64点的定点采样，然后进行定点的FFT运算，通过实验，能够准确的计算谐波，及其谐波含量[37]。DSP的主硬件电路如图3-15所示：

图3-15 DSP主电路原理框图

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DSP完成了各项指标后，一方面送与人机交互部分，完成监测终端的监测功能，另一方面将其通过通讯口上传至监测中心软件部分。

3.7 人机接口电路

人机接口电路主要是由按键电路和液晶显示电路组成，人机接口电路的主要作用是为了能够通过按键和液晶电路，使得用户可以对电能进行独立分析，并将分析后的结果显示出来。按键部分共四个功能，包括上移、下移、确定和取消这四个功能。液晶电路是为了能够将通过DSP的数据显示出来，以便让用户得到被监测目标的电能质量信息。按键电路和液晶显示的硬件接口电路分别如图3-16和图3-17所示：

图3-16 按键接口电路电路图

图3-17 液晶显示接口电路图

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3.8 数据通讯电路

该系统中利用串口通讯完成从监测终端到监测中心的数据交换，监测终端具有独立处理电能质量分析的能力，但是对于使用监测终端监测数据不方便的场合，可以利用监测终端的高速数据采集能力，将数据传输至监测中心，在监测中心进行数据处理并显示。本文中由于处在研究测试阶段，串口通讯由于其通讯速度问题，在远距离数据传输中存在着弊端，在以后的研究中需要考虑采用更为迅速的数据传输方式。串口通讯的电路如图3-18所示。

图3-18 串口通讯电路原理图

随着现代通讯技术日益高速发展，通信网络的组建和通讯方式的提高和完善，对电力系统的信息化也是能够起到积极的推动作用，本文由于还处在调试阶段，只是将监测终端采集的数据通过串口发送至监测中心，然后通过监测中心的串口模块读取数据并进行相关操作和处理。以后随着系统的完善，可以考虑选择高速通讯方式。

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4 系统的软件部分

系统的软件部分主要包括监测终端和监测中心的程序编写。监测终端的编程采用的是DSP开发软件CCS3.1来完成，主要包括DSP底层驱动程序，数据处理程序，软件锁相环等。监测中心采用的是LABVIEW8.2来完成的界面部分。主要完成登陆界面，波形显示界面，计算结果显示界面，以及数据保存等功能[37~42]。

4.1 监测终端的软件设计

利用DSP专用的开发软件和仿真器，即可以实现DSP的开发，本文中采用的CCS3.1版，它是一个集成的仿真环境，可支持在线调试，只是单步和断点运行，因此在运行过程中，可以方便的看到CPU寄存器、累加器、用户定义的各种变量的状态变化，这在编写一个较复杂的软件时显得非常的方便，此外，CCS集成有DSP的Flash烧写插件（on-chip Flash Programmer），利用此插件可以方便的完成程序的擦除、烧写和校验，可以单独运行，也可以一体化完成[36, 38]。

4.1.1 监测终端的软件整体设计

DSP监测终端程序完成了对DSP上电后启动地址的选择，完成对系统初始化，中断向量表，外设的初始化。主要由DSP底层驱动程序、数据处理程序、软件锁相环组成。

该系统的AD转换芯片是ADS8364，按照该芯片所要求的外围电路组成采集电路，将三路启动信号HOLDX接在一起，就可以完成三路同时采样的目的，然后利用锁相环，来实现对信号的跟踪同步采样的目标。再利用DSP的外部中断INT0，来读取转换之后的数据。数据处理程序需要完成对采集的数据进行数学运算，具体算法包括：有效值计算、谐波计算、不平衡度计算、瞬态记录等。具体完成的功能性程序包括以下几个部分：

（1）信号的采集部分：利用锁相环完成对数据采样的实时跟踪，当ADS8364转换结束后，会产生一个中断脉冲信号，DSP的INT0接受该中断信号，并进入中断处理程序，在中断程序中，完成对数据的读取和保存，计数器记录进入中断次数，以此为依据来判断采集的点数，当采集到64个点数时，认为已经完成一个周期的采样。这时候将保存数据的数组送入到数据处理程序中。

（2）信号的处理程序：该部分程序首先判断程序是否已经采样完成，完成后关AD

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采样中断，并进行多周期采样，启动周期计数器，记录采样周期数，当完成10个采样周期后，对数据进行平均值滤波处理，处理后送入RMS(有效值)计算程序，谐波计算程序，完成后进入谐波含量计算子程序，三相不平衡度计算子程序。数据处理完成后，打开AD采样中断，进行新一轮的数据采集处理过程[38]。

（3）信号周期获取程序：该程序利用DSP的CAP引脚，被调理后的信号经过过零检测电路被转换成方波信号，利用方波的上升沿触发CAP中断，配合利用DSP的通用定时器1计数，记录连续两次进入CAP中断的计数值，将该计数差值乘以计数器的计数间隔，即可得到信号的周期，进而得到信号的频率[38]。

（4）数据的存储和通讯程序：经过上述环节的数据，利用RAM单元存储数据，并通过串口将数据送入监测中心，可以保证数据的实时性，送入监测中心的数据共10个信号周期。通过LABVIEW串口模块解析后，将这10个周期解析出来，并完成相关的计算、波形重现，数据分析和生成报表等功能。

监测终端的程序流程如图4-1

所示：

图4-1 监测终端程序流程图

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4.1.2 DSP底层驱动程序

DSP底层驱动程序包括DSP的初始化程序，中断处理程序，按键、液晶等的驱动程序。

监测终端系统中对DSP初始化的驱动程序包括DSP运行配置、运行频率配置、地址空间片选有效信号开启，中断向量表初始化，寄存器初始化，定时器初始化，根据本系统中的中断情况，开启CPU中断和外设中断等操作。

频率的测试子程序：频率的测试主要根据是式2-10、2-11提供的方法，本文所采用的是“T”法测频，具体的过程包括如下。利用DSP的EV-A的通用定时器和CAP中断来完成对频率的测试，具体的操作为：

（1）初始化外部通用定时器1和CAP中断，设置通用定时器的最大计数和分频系数，使能CAP捕获功能，设置触发模式为上升沿触发中断，清除保存计数值的寄存器，开启中断。

（2）编写中断程序，当CAP引脚的方波信号满足上升沿要求时，即进入CAP中断，进入中断后，关闭中断，并读取计数器寄存器的计数值，作差即可以得到计数差值N。

（3）根据通用定时器的分频系数，计算出频率。

人机操作接口子程序：本文中的人机接口程序主要是按键程序和液晶显示程序。按键的程序是由定时器扫描的方式来完成的。根据按键的不同位置，将其定义为相关功能，然后根据读取键值的键值，得到相关的操作功能，本文中按键需要完成功能包括上移、下移、确定、取消这四个功能。

液晶显示完成驱动之后，就可以工作了，本文的液晶显示模块程序主要包括：主操作界面，显示选择界面，电压、电流相关功能性操作界面。具体的界面如图4-2所示：

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图4-2 监测终端测试界面

由图可见：本文所设计的电能质量监测终端可以完成相关的功能性要求。

4.1.3 数据处理程序

DSP数据处理程序包括：对电能基本信息量处理程序，计算电压电流有效值，计算谐波信息，计算不平衡度，记录瞬态数据这些功能性程序。

有效值的计算方法：根据第二章式2-4、2-5 来计算有效值，通过将采集到的离散数据顺序循环送入计算程序，连续计算10个周期，并取平均值，然后将计算结果送入显示子程序。有效值的计算比较简单，这里就不在介绍。

谐波计算子程序的计算方法是：本文中由于采用的是实时跟踪准同步采样的方法，可以有效地防止频谱混叠和频谱泄漏，谐波计算程序是由FFT计算子程序来完成的。由于DSP完全支持ASIC标准的C语言编程，因而本文中采用的FFT计算方法是利用C语言编写的不考虑硬件平台的64点FFT算法，具有较高的可靠性和移植性。在DSP下计算FFT算法方法较多。常规的方法是利用TI库自带的FFT计算子模块，该模块式使用汇编语言编写，代码计算的可靠性高，速度快。但是由于TI的库并不是所有的点数FFT算法都支持，另一方面由于是汇编语言编写，改动起来难度也较大，代码的移植性并不好，操作起来也比较困难，用C语言编写的FFT算法只是在速度上略有劣势，但是对于点数较少的FFT算法，由于DSP本身的计算速度较快，这些劣势并没那么明显。

FFT计算子程序主要有两部分组成：第一部分是三角函数向量表生成函数，这一部分在程序的初始化部分完成。需要生成和点数相对应的正余弦函数向量表，该向量表用于在计算结果时用到。第二部分为倒序和计算程序，在计算FFT前，先保证序列

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的虚部位零，将采样序列保存在实部。然后进行倒序，按照按时间抽取的蝶形算法可知：在计算FFT之前，应进行“变址”运算，

首先应该对序列时间下标按偶数和奇数进行分解，使得原数序列重新排序编程的一个新的序列，具体关系可参见蝶形算法FFT图，这样的话，进过FFT运算之后的频域序列就可以按照“正序”排列。