電能質(zhì)量監(jiān)測和監(jiān)測儀器講座第六講基于DSP技術(shù)的新型電能質(zhì)量在線監(jiān)測

1、收稿日期:2006-03作者簡介:許衛(wèi)兵(1973 ,男,講師,從事檢測與控制技術(shù)領(lǐng)域的科研和教學(xué)工作。電能質(zhì)量監(jiān)測和監(jiān)測儀器講座第六講 基于DSP 技術(shù)的新型電能質(zhì)量在線監(jiān)測許衛(wèi)兵1,2,孫 佐1(1.池州師范?？茖W(xué)校,安徽池州247000;2.東南大學(xué)電氣工程系,江蘇南京210096摘要:提出一種基于DSP +M CU 的雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)新型電能質(zhì)量在線監(jiān)測方案。該設(shè)計(jì)方案在體積、性能和成本上較現(xiàn)在已有設(shè)計(jì)更有優(yōu)勢,適合安裝在現(xiàn)場,有利于作為永久性在線監(jiān)測電能質(zhì)量的設(shè)備。關(guān)鍵詞:數(shù)字信號處理器;在線監(jiān)測;電能質(zhì)量;實(shí)時(shí)性中圖分類號:TM 933.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1006-2394(

2、200603-0070-03Power Qua lity OnlineM onitor Based on DS P TechnologyXU W ei b i n g 1,2,SUN Zuo1(1.Depart m ent ofM echan i ca l and E l ectrical Eng i nee ri ng ,Chizhou T eachers Co ll ege ,Chizhou 247000,Chi na ;2.D epa rt m en t of E lectrica l Eng ineer i ng ,Southeast U n i versity ,N anji ng

3、210096,Chi naAbstrac t :The design of a new po w er qualit y onli ne m onitor based on DSP +M CU techno l ogy i s put for w ard .It i s m ore advantageous in ter m s of vo l u m e ,perfor m ance and cost i n co m par ison w ith the ex i sti ng design .It i s s u itable for on the site i nstall a ti

4、on and used per m anentl y as an onli ne m onito r for powe r qua lity .K ey word s :D SP ;onli ne m on itor ;po w er quality ;rea l ti m e電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)正在朝著在線監(jiān)測、實(shí)時(shí)分析、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。除了傳統(tǒng)的監(jiān)測功能外,它在功能和技術(shù)上更加強(qiáng)調(diào):各種信息的提取、收集、分類和管理;分析手段智能化;電網(wǎng)運(yùn)行性能和條件的自動(dòng)評估;為用戶提供決策支持;對問題進(jìn)行預(yù)測。基于這種需求,文中介紹一種基于DSP +MCU 的雙CPU 的設(shè)計(jì)方案。1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5、1.1 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)要處理的任務(wù)種類繁多,既有數(shù)據(jù)采樣、各種計(jì)算等周期性任務(wù),又有通信、人機(jī)交互等隨機(jī)性事件。因此在硬件設(shè)計(jì)上,不但要考慮處理設(shè)備本身具有高速的處理速度和處理能力,而且還要具有實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度能力,并還要考慮到設(shè)計(jì)成本問題。本文所搭建的系統(tǒng)硬件平臺采用DSP+M C U 的雙CPU 主從式結(jié)構(gòu)。選用性能價(jià)格比較高的16位定點(diǎn)DSP 芯片T M S320LF2407作為下位機(jī),主要完成數(shù)據(jù)的采集、濾波處理及與上位機(jī)的通信。T M S320LF2407是美國T I 公司的TM S320系列的一員,它采用增強(qiáng)的哈佛結(jié)構(gòu),應(yīng)用高性能靜態(tài)COM S 技術(shù)生產(chǎn),為了降低功耗,采用3.3V 電源

6、供電,具有特殊的DSP 指令和33ns 的指令周期,具有16通道10位A /D 轉(zhuǎn)換器,其最小轉(zhuǎn)換速率為500ns ,內(nèi)有高達(dá)32K 16位的FL ASH 程序存儲器。高達(dá)2.5K 16位的數(shù)據(jù)/程序RAM,544 16位雙端口RAM (DARAM ,所以本設(shè)計(jì):(1采用DSP 內(nèi)部的A /D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。(2DSP 和MCU51之間的數(shù)據(jù)交換通過16位片內(nèi)544 16位雙端口RAM (DARAM 實(shí)現(xiàn)。(3運(yùn)用DSP 的片內(nèi)看門狗定時(shí)器(W DT 。(4可擴(kuò)展的外部存儲器總共192K 16位,其中程序存儲器空間、數(shù)據(jù)存儲器空間、I/O 尋址空間各為64K 16位。同時(shí)TM S320

7、LF2407引腳較少,價(jià)格適中,用它構(gòu)造電腦決策數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不但可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求而且降低系統(tǒng)的復(fù)雜性,性價(jià)比也有很大提高。利用DSP 數(shù)字信號處理速度高的優(yōu)勢來處理大運(yùn)算量的實(shí)時(shí)任務(wù),M C U 負(fù)責(zé)系統(tǒng)配置管理、人機(jī)交互、通信等,系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。雙CP U 采用DSP 和MCU 相結(jié)合的辦法,二者采用主從結(jié)構(gòu)(M C U 為上位機(jī),DSP 為下位機(jī),通過DSP 片內(nèi)的雙口RAM (DARAM 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作,而DSP 的人機(jī)接口則由MCU51實(shí)現(xiàn)。M C U 采用AT M EL 公司的AT89C55WD,它除兼容M CS-51外自帶硬件看門狗定時(shí)器。MC U 用來分擔(dān)部

8、分實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)任務(wù),主要包括液晶顯示、鍵盤管理、時(shí)鐘控制、系統(tǒng)配置管理、人機(jī)交互等。在70 儀表技術(shù)2006年第3期圖1 系統(tǒng)硬件框圖通信方面,設(shè)備具有RS422和CAN 兩種設(shè)備網(wǎng)接口和一個(gè)RS232接口,設(shè)備網(wǎng)接口可以讓設(shè)備集成到企業(yè)級的電能質(zhì)量分析與管理系統(tǒng)中,RS232接口可以和臺式機(jī)或筆記本電腦實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通信,方便維護(hù)人員進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)和故障診斷。這種由兩個(gè)處理器對系統(tǒng)任務(wù)并行處理的方式,能更有效地發(fā)揮DSP 的功效和MC U 的特長。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)又可以保證系統(tǒng)資源有一定程度的冗余,易于今后系統(tǒng)功能的升級和改進(jìn)。1.2 系統(tǒng)功能該系統(tǒng)具有以下功能:(1具有友好的人機(jī)交互功

9、能,能通過鍵盤實(shí)現(xiàn)對被監(jiān)測的量進(jìn)行選擇性的顯示。(2帶有RS232通訊模塊,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊功能。(3能實(shí)現(xiàn)對三相電壓、電流信號實(shí)時(shí)跟蹤,實(shí)時(shí)計(jì)算電流有效值、電壓有效值、電壓電流三相不平衡度、有功、無功、視在功率、頻率、功率因數(shù),能夠分析穩(wěn)態(tài)諧波。(4具有事件記錄、故障報(bào)警和故障波形跟蹤記憶功能。(5系統(tǒng)資源豐富,升級空間大,DSP 內(nèi)建的32K 16位的FLAS H 程序存儲器可以方便地多次擦寫,便于軟件升級,M C U 提供20K 的可編程FLASH 程序存儲器ROM 空間,可重復(fù)擦寫1000次。(6開關(guān)量輸入功能,DSP 具有相當(dāng)多的I/O 口,系統(tǒng)除了監(jiān)測電壓、電流信號外,還要監(jiān)測各種

10、開關(guān)信號,如斷路器的分?jǐn)酄顟B(tài),以便了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況。2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 軟件設(shè)計(jì)原則 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法,針對本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是對電網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析計(jì)算,做到在線監(jiān)測的目的,在軟件設(shè)計(jì)上有以下原則:(1實(shí)時(shí)性:電能質(zhì)量檢測裝置要實(shí)現(xiàn)的是對電網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析計(jì)算,不間斷的采集數(shù)據(jù)達(dá)到在運(yùn)行期間的同步計(jì)算。(2快速性:在硬件上要求采樣和計(jì)算芯片的高速性,軟件上要求算法的高效率,從而可以在采樣間隔的時(shí)間內(nèi)完成各個(gè)電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲,達(dá)到計(jì)算和采樣的同步性。(3可擴(kuò)展性:對于軟件系統(tǒng)來說,可通過對DSP 程序的更新來達(dá)到算法的升級,如在將來版本的裝置中采用小波變換的算法等

11、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和變換,實(shí)現(xiàn)對暫態(tài)電能質(zhì)量的分析。2.2 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)DSP 芯片的軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)MCU 單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。二者都采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),軟件系統(tǒng)任務(wù)分配模型如圖2所示。實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的部分,采用中斷處理。DSP 軟件采用C 語言和匯編語言混合編程方式,用匯編語言編制FFT 算法部分,在一個(gè)周波20m s 時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對電壓電流6路信號的128點(diǎn)基二FFT 分析,以獲取每周波的諧波信息。DSP 軟件還可得到電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、基波相位因數(shù)、頻率、相角等多項(xiàng)測量結(jié)果。M C U51單片機(jī)部分軟件采用C 語言編碼,每3s 接收一次DSP 計(jì)算出

12、來的結(jié)果,統(tǒng)計(jì)最大、最小、95%概率大值、合格率,存儲正常記錄、事件記錄、波形記錄。在人機(jī)對話方面、處理按鍵、刷新顯示等方面,通過RS232接口或電話線與主站通訊。通訊協(xié)議采用基于I EC870(I EC 第57技術(shù)委員會(huì)制定的國際遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備與系統(tǒng)協(xié)議的擴(kuò)展協(xié)議,通訊的數(shù)據(jù)量比較大。I EC870協(xié)議以16進(jìn)制形式傳輸數(shù)據(jù),比ASCII 碼方式傳輸速度快,且它將一個(gè)長幀分成小于255字節(jié)的多幀通訊,在一幀出錯(cuò)時(shí),可單獨(dú)重要這一幀數(shù)據(jù),從而提高了通訊成功率。系統(tǒng)圖2 軟件系統(tǒng)功能模塊71 2006年第3期儀表技術(shù)采用主從式結(jié)構(gòu),即將DSP 及所包含的A /D 模塊看作M C U 的一個(gè)

13、子模塊,但DSP 軟件模塊自成體系,也有自己的功能模塊和調(diào)度方式。按照兩個(gè)CPU 系統(tǒng)所承擔(dān)的不同任務(wù),規(guī)定M C U 為上位機(jī),DSP 為下位機(jī)。MC U 主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理,包括人機(jī)交互,通信等,DSP 負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算,完成數(shù)據(jù)的采集、濾波處理及與上位機(jī)的通信。DSP 的任務(wù)是采集從片內(nèi)A /D 轉(zhuǎn)換器中讀取的數(shù)據(jù),進(jìn)行計(jì)算和分析,然后將數(shù)據(jù)提供給M C U,M C U 利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、通訊等。系統(tǒng)校準(zhǔn)的參數(shù)保存在EEPROM 中,M C U 在初始化過程中會(huì)讀取這些系數(shù)并提供給DSP ,這和DSP 自身的初始化程序一起作為DSP 模塊的初始化部分。系統(tǒng)需要顯示何種數(shù)據(jù)都由MC U

14、發(fā)出請求,由DSP 進(jìn)行處理,系統(tǒng)的主動(dòng)權(quán)始終在M C U 手中。對M C U 而言,DSP 子系統(tǒng)就相當(dāng)于MCU 的一個(gè) 外設(shè) ,它進(jìn)行頻繁數(shù)據(jù)讀取和計(jì)算。將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部RAM 中,當(dāng)M C U 有中斷請求,就解析命令并執(zhí)行MCU 所提交的任務(wù)。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中,DSP 始終處于繁忙的計(jì)算中,而M C U 可能并不繁忙,只是在等待用戶輸入,處理遠(yuǎn)程通訊等,這樣才能保證M C U 圖3M C U 程序流程對于外界輸入做出實(shí)時(shí)響應(yīng)。這樣,在MCU 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,應(yīng)該注重人機(jī)界面,系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在DSP 的軟件設(shè)計(jì)中,應(yīng)該保證在整個(gè)軟件系統(tǒng)及算法設(shè)計(jì)上具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

15、是由主程序和外部中斷服務(wù)子程序和軟件中斷子程序組成。M C U 的所有功能都是在圖3所示的主流程下實(shí)現(xiàn)的。DSP 的開發(fā)工具包括代碼產(chǎn)生工具和代碼調(diào)試工具。代碼產(chǎn)生工具對用戶開發(fā)的高級語言或匯編語言源代碼進(jìn)行編譯,生成可以在目標(biāo)DSP 上運(yùn)行的可執(zhí)行代碼。代碼調(diào)試工具根據(jù)調(diào)試者的命令觀察DSP 的狀態(tài),控制DSP 代碼的執(zhí)行,進(jìn)行結(jié)果顯示,對用戶的代碼進(jìn)行調(diào)試或性能測試。T M S320系列DSP 的C 編譯器是一個(gè)功能齊全的優(yōu)化的編譯器。它的主要功準(zhǔn)的ANSI C 語言程序轉(zhuǎn)換成T M S320系列能是把標(biāo)DSP 能夠識別執(zhí)行的匯編語言代碼。采用優(yōu)化編譯可以生成高效率的匯編代碼,從而提高程序

16、的運(yùn)行速度,減少目標(biāo)代碼的長度。其任務(wù)分配如圖4所示。3 結(jié)束語文中提出了采用DSP+MCU 的雙 能質(zhì)量在線監(jiān)測儀的基本結(jié)構(gòu)、對電能質(zhì)量監(jiān)測的角度看,合的普遍適用意義,可以滿足用戶需要。該監(jiān)測功能圖4 DSP 任務(wù)分配齊全,組網(wǎng)方便,適用于現(xiàn)場安裝運(yùn)行,對了解電力負(fù)荷運(yùn)行情況,發(fā)現(xiàn)電力事故隱患,加強(qiáng)電網(wǎng)監(jiān)管具有實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn):1李蘭芳.電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)D .武漢大學(xué),2004.2段成剛.新型在線實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)J.電網(wǎng)技術(shù),2004,(1:60-63.3董超.電能質(zhì)量監(jiān)測的發(fā)展趨勢與新型電能質(zhì)量監(jiān)測儀的研制J.電氣時(shí)代,2004,(7:22-23.4黃攀.電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝

17、置設(shè)計(jì)J.中國儀器儀表,2005,(2:86-88.5譚子求.基于D SP 的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置的研究D .武漢大學(xué),2004.(許雪軍編發(fā)N I PCI-5922數(shù)字化儀N I PX I-5922數(shù)字化儀是目前市場上具有最高動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字化儀產(chǎn)品。無與倫比的動(dòng)態(tài)性能和靈活性使其很適合在通訊、半導(dǎo)體、生化以及超音速非破壞性測試等許多領(lǐng)域使用。N I 5922數(shù)字化儀使用N I F lex II ADC 技術(shù),具有靈活的、用戶自定義的分辨率,并可在24位(500kS /s到16位(15M S /s之間任何一點(diǎn)進(jìn)行采樣。N I F lex II ADC 是一個(gè)加強(qiáng)的多位de lta-si gm a 轉(zhuǎn)換器,它結(jié)合了專利技術(shù),極大地降低了由多位轉(zhuǎn)換器中非線性造成的諧波,因此,即便在高采樣率的情況下也可以獲得很好的動(dòng)態(tài)范圍。使用這種技術(shù)不僅提高了測量精度和可靠性,同時(shí)又節(jié)省了測試系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間和成本。設(shè)計(jì)和測試工程師們可以使用的N I 數(shù)字化儀還有N I 512412位數(shù)字化儀、N I 512214