電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置

1、(一)立項(xiàng)依據(jù)項(xiàng)目的研究意義與科學(xué)依據(jù)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電能已經(jīng)成為人類社會(huì)用途最 為廣泛的、不可或缺的重要能源，各行各業(yè)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。然而 隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，尤其是非線性負(fù)荷大量投入使用，使 得電力系統(tǒng)的諧波污染越來(lái)越嚴(yán)重。由于電力系統(tǒng)負(fù)荷中具有非線性、沖擊性以及不平衡等用電特征，如：煉鋼、 軋鋼、化工、電氣鐵路、電力電子設(shè)備等負(fù)荷，使電網(wǎng)的電壓、電流波形發(fā)生畸 變、諧波含量加大、電壓產(chǎn)生波動(dòng)和閃變、電壓驟降以及三相不平衡等電力污染 問(wèn)題，嚴(yán)重影響了供電質(zhì)量。根據(jù)發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家電力部門的統(tǒng)計(jì)資料顯示，頻繁 發(fā)生的電力運(yùn)行事故、輸配電設(shè)備和

2、電器損壞事故，其主要原因是電力污染。電 力污染導(dǎo)致電能的生產(chǎn)、傳輸和使用的效率降低，使電氣設(shè)備過(guò)熱、振動(dòng)和絕緣 損壞，引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量設(shè)備出現(xiàn)偏差。對(duì)供電質(zhì)量 及可靠性的要求日益提高是和用戶的工藝過(guò)程水平的發(fā)展相聯(lián)系的，近代科技進(jìn) 步又促進(jìn)了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和智能化，于是對(duì)電能質(zhì)量提出了更高更新的要 求。一個(gè)計(jì)算中心失去電源2s就可能破壞幾十小時(shí)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，甚至上百萬(wàn) 元的經(jīng)濟(jì)損失。在大型機(jī)器制造廠，0.1s的電壓突降就可能造成異常的生產(chǎn)狀況， 導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量受損。當(dāng)今自動(dòng)化設(shè)備控制的連續(xù)精加工生產(chǎn)線，它們對(duì)配電系統(tǒng) 中的干擾異常敏感，幾分之一秒的不正常供電就可能在工

3、廠內(nèi)部造成混亂，其損 失是難以估量的。這些用戶對(duì)不合格電能的容忍度可嚴(yán)格到只有12周波?，F(xiàn)代 化的商貿(mào)中心、銀行、醫(yī)院也是如此。諧波的嚴(yán)重危害及其造成的損失經(jīng)常被人 們所提及，而無(wú)人值守變電站中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)突然出現(xiàn)的死機(jī)現(xiàn)象，大多屬于電能 質(zhì)量的問(wèn)題。因此建立完備的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家近年來(lái)對(duì)于電力污染問(wèn)題非常重視，建立了完整的檢測(cè)監(jiān)督和 管理制度。在我國(guó)，雖然總體經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平還比較落后，但在部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地 區(qū)電能質(zhì)量問(wèn)題已比較突出。而且由于各種原因，在供電可靠性和電網(wǎng)電壓幅度 的穩(wěn)定水平等指標(biāo)上，我國(guó)還處于比較落后的狀態(tài)。如何提高和保證電能質(zhì)量， 已成為國(guó)內(nèi)外電工領(lǐng)域迫

4、切需要解決的重要課題之一。而建立和實(shí)施電能質(zhì)量綜 合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是提高電能質(zhì)量的一個(gè)重要技術(shù)手段。國(guó)際上，許多發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū) 已就此課題作了大量的研究，并取得了重大研究成果。如美國(guó)、加拿大等均進(jìn)行 了全國(guó)范圍的電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和調(diào)查研究，對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況和電能質(zhì)量的 提高和改善具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)分析目前，國(guó)內(nèi)外電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置種類非常繁多，就其性能來(lái)說(shuō)，可以分為高、 中、低三檔。國(guó)外對(duì)電能質(zhì)量研究起步較早，目前有關(guān)電能質(zhì)量的研究已經(jīng)取得 了很多成果，特別是在高檔產(chǎn)品領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。國(guó)外高檔電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置 的特點(diǎn)突出表現(xiàn)在功能豐富和精度高兩個(gè)方面，如美國(guó)的FLUKE公司、加拿

5、大電 力測(cè)量公司(Power Measurement Ltd)、瑞典聯(lián)合電力公司(Unipower)、美國(guó)EIG 公司等生產(chǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置具有檢測(cè)精度高、檢測(cè)指標(biāo)多、功能豐富等特點(diǎn)。 其中Fluke 430系列電能質(zhì)量分析儀，其基本電力參數(shù)測(cè)量有電壓、電流、頻率、 有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)等；電能質(zhì)量參數(shù)測(cè)量有電壓和電流 50次諧波和間諧波、THD(總諧波失真)、功率諧波及諧波方向、閃變分析(瞬時(shí)閃 變、短時(shí)閃變、長(zhǎng)時(shí)閃變)、電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡度等，能檢 測(cè)目前幾乎所有的電力和電能質(zhì)量參數(shù)，基本精度達(dá)0.1%。在國(guó)內(nèi)，目前電能質(zhì) 量中的某些問(wèn)題已經(jīng)成為電工領(lǐng)域

6、的前沿性課題，吸引了眾多高校和科研院所的 一大批科技人員投入其中進(jìn)行研究，成果也很顯著。在檢測(cè)和應(yīng)用儀表開(kāi)發(fā)方面， 國(guó)內(nèi)正進(jìn)入一個(gè)蓬勃的發(fā)展時(shí)期。硬件方面有基于單片機(jī)的、基于DSP的、基于 ARM系統(tǒng)等。軟件方面有基于LABVIEW的、基于CAN總線的、基于WEB技術(shù)等。迄今 為止，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀水平較高的廠家有深圳領(lǐng)步科技有限公司、上海 寶鋼安大電能質(zhì)量有限公司、安徽振興科技股份有限公司、保定方長(zhǎng)電子有限公 司、長(zhǎng)沙威盛電子有限公司等。他們生產(chǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀產(chǎn)品在一定程度上代 表著我國(guó)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的先進(jìn)水平。但是由于我國(guó)在電能質(zhì)量研究上起步相 對(duì)較晚，使用的電能質(zhì)量測(cè)量裝置功能

7、單一，只能實(shí)現(xiàn)對(duì)某種電能質(zhì)量指標(biāo)的測(cè) 量，實(shí)時(shí)性差，多數(shù)不具備綜合測(cè)量、分析、判斷功能。隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行管理 的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化和智能化，對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)品提出了更高的要求，以適 應(yīng)現(xiàn)代化電能管理的需求。研究意義專用電能質(zhì)量分析設(shè)備功能雖強(qiáng)，但成本偏高，不適合大量應(yīng)用的場(chǎng)合；手 持式和便攜式設(shè)備畢竟是一種臨時(shí)的故障診斷、排錯(cuò)和評(píng)估設(shè)備，而且實(shí)時(shí)性指 標(biāo)也不一定滿足要求。本文就是以這種需求為前提，提出了研究一種基于TI公司 TMS320C5410A芯片的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀。該裝置以電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)發(fā)展的最新趨勢(shì)為 出發(fā)點(diǎn)，采用14位A/D采樣芯片MAXl25作實(shí)時(shí)采樣，提高了系統(tǒng)的可靠性和性價(jià) 比。同

8、時(shí)以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，采用更靈活、更準(zhǔn)確的數(shù)字信號(hào)處理算 法程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算效率，使電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)符合數(shù)字化技術(shù) 發(fā)展的需要。本設(shè)計(jì)中采用的信號(hào)處理技術(shù)包括：快速傅里葉變換、各種數(shù)字濾 波技術(shù)等。通過(guò)這些數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，本監(jiān)測(cè)儀能夠比較準(zhǔn)確計(jì)算出電壓和電流 的有效值、電壓頻率、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、250次諧 波電壓和電流含有率等電力參數(shù)指標(biāo)，并對(duì)參數(shù)異常情況進(jìn)行記錄處理。同時(shí)可 根據(jù)不同需求應(yīng)用于低壓開(kāi)關(guān)柜、配電房及電能綜合管理系統(tǒng)、工廠能源管理系 統(tǒng)和分布式綜合電力參數(shù)采集、控制系統(tǒng)，能夠單獨(dú)工作，具有較高的精度；也 能夠相互問(wèn)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)測(cè)量，形成一

9、個(gè)大型測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)難以實(shí)現(xiàn)的功能。 因此本監(jiān)測(cè)儀的開(kāi)發(fā)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn)【1】肖國(guó)春，劉進(jìn)軍，王兆安.電能質(zhì)量及其控制技術(shù)的研究進(jìn)展【J】.電力電子技 術(shù)，2000，(6)： 5860.【2】段成剛等.新型在線實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)【J】.電網(wǎng)技術(shù)，2004, 28(2)： 60-63.【3】薛蕙，楊仁剛.基于FFT的高精度諧波檢測(cè)算法【J】.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002, 22(12)： 106.110.【4】FFT Library. Module User s Guide C24x Foundation SofiwareDB/ OL， Texas Instruments

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17、005，27（1）： 73. 75.【30】程顯蒙.基于GPRS的遠(yuǎn)程電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)【D】.西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論 文，2008.【31】高志強(qiáng).基于GPRS的配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)【D】.山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論 文，2007.【32】張雄偉，陳亮，徐光輝.DS（二）研究?jī)?nèi)容及研究目標(biāo)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電能已經(jīng)成為人類社會(huì)用途最 為廣泛的、不可或缺的重要能源，各行各業(yè)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。然而 隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，尤其是非線性負(fù)荷大量投入使用，使 得電力系統(tǒng)的諧波污染越來(lái)越嚴(yán)型。由于電力系統(tǒng)負(fù)荷中具有非線性、沖擊性以及不平衡等用電特征，

18、如：煉鋼、軋 鋼、化工、電氣鐵路、電力電子設(shè)備等負(fù)荷，使電網(wǎng)的電壓、電流波形發(fā)生畸變、 諧波含量加大、電壓產(chǎn)生波動(dòng)和閃變、電壓驟降以及三相不平衡等電力污染問(wèn)題， 嚴(yán)重影響了供電質(zhì)量。根據(jù)發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家電力部門的統(tǒng)計(jì)資料顯示，頻繁發(fā)生的 電力運(yùn)行事故、輸配電設(shè)備和電器損壞事故，其主要原因是電力污染。電力污染 導(dǎo)致電能的生產(chǎn)、傳輸和使用的效率降低，使電氣設(shè)備過(guò)熱、振動(dòng)和絕緣損壞， 引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量設(shè)備出現(xiàn)偏差。發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家近年來(lái)對(duì)于電力污染問(wèn)題非常重視，建立了完整的檢測(cè)監(jiān)督和 管理制度。在我國(guó)，雖然總體經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平還比較落后，但在部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地 區(qū)電能質(zhì)量問(wèn)題已比較突出。而

19、且由于各種原因，在供電可靠性和電網(wǎng)電壓幅度 的穩(wěn)定水平等指標(biāo)上，我國(guó)還處于比較落后的狀態(tài)。如何提高和保證電能質(zhì)量， 已成為國(guó)內(nèi)外電工領(lǐng)域迫切需要解決的重要課題之一。而建立和實(shí)施電能質(zhì)量綜 合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是提高電能質(zhì)量的一個(gè)重要技術(shù)手段121。國(guó)際上，許多發(fā)達(dá)國(guó)家和 地區(qū)已就此課題作了大量的研究，并取得了重大研究成果。如美國(guó)、加拿大等均 進(jìn)行了全國(guó)范圍的電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和調(diào)查研究，對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況和電能質(zhì) 量的提高和改善具有重要的意義。（三）研究?jī)?nèi)容1、系統(tǒng)概述本系統(tǒng)采用DSP矛IICPLD相結(jié)合，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于DSP的多功能電能質(zhì) 量監(jiān)測(cè)儀。該儀器能夠用來(lái)測(cè)量三相電壓、電流的有效值以及各次諧

20、波分量，此 外還可以測(cè)量電壓頻率、三相不平衡度、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等。此外系統(tǒng)擴(kuò)展了RS232 / 485本地通訊接口和GPRS通信接口，可通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程 通信，這些擴(kuò)展的通信接口可以方便開(kāi)發(fā)上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān) 控。系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)部分：電能質(zhì)量測(cè)量，詳細(xì)討論了FFTJ,皆波分析方 法；系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，包抑SP最小系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理電路、頻率捕捉電路、A /D采樣電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、CPLD內(nèi)部邏輯電路及通訊接口電路等；DSP程序設(shè) 計(jì)，包括AD采樣程序、FFT程序、鍵控及顯示程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、通信接口程 序等；最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了硬件測(cè)試和軟件測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)

21、果進(jìn)行分析。本系統(tǒng)具有很高的測(cè)量速度和檢測(cè)精度，功能齊全，擴(kuò)展性好，具有廣闊的 應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，構(gòu)建DSP最小系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展外部SRAM和FLASH，組成系統(tǒng)的核心板。外圍設(shè)備擴(kuò)展了信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電 路、時(shí)鐘電路、按鍵液晶顯示電路、RS232 / 485通信電路、GPRS模塊、CPLD邏輯 控制單元等，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電壓、電流的采集、處理、顯示等功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 圖如下圖所示。信號(hào)謁理AA/DMAX 125LCD顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘GPRS模塊RS232/485FLASHSRAMSD卡再經(jīng)過(guò)p，TMS32OF2812 DSP三相

22、交流電經(jīng)過(guò)電壓J過(guò)零比較T個(gè)電流涂感器轉(zhuǎn)換為是安級(jí)的電流成為.4. 5V+4. 5V左右的正弦電壓信號(hào)，然后送抗混疊低通濾波器濾去高頻分 量，經(jīng)過(guò)AD采樣轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量，由CPLD電平轉(zhuǎn)換后送DSP進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到各種電網(wǎng)參數(shù)，最后保存數(shù)據(jù)并刷新LCD顯示。3 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)是使DSP能正常工作的最基本的系統(tǒng)。本系統(tǒng)中的DSP最小系統(tǒng)是以 TMS320F2812為核心，外圍擴(kuò)展SRAM和FLASH,電源電路，時(shí)鐘電路和仿真接口等。3. 1電源電路設(shè)計(jì)電源電路為整個(gè)系統(tǒng)的所有芯片提供電源管理。電源電路不僅要滿足各個(gè)功 能模塊所使用芯片的電平要求，還應(yīng)當(dāng)有足夠的功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上所有

23、的芯片組。 由于TMS320F2812的I / O電平為3. 3V,內(nèi)核工作電壓為1. 8V,所以需要用兩種 電平供電。這里使用了口公司推出的TPS767D318電源芯片給DSP供電TPS767D318 為雙路低壓差電源調(diào)整器，內(nèi)部有兩個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，能夠同時(shí)輸出兩路轉(zhuǎn)換電壓， 分別為3. 3V和1. 8V，且芯片的最大輸出電流都可達(dá)到1A左右，完全可以滿足系 統(tǒng)的要求。3. 2復(fù)位電路設(shè)計(jì)TMS320F2812內(nèi)部自帶復(fù)位電路，通過(guò)接口 XRS低電平復(fù)位。本設(shè)計(jì)中采用按 鍵手動(dòng)復(fù)位，在調(diào)試過(guò)程中非常的方便。3. 3時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)鎖相環(huán)是一種用來(lái)控制晶振并使其相對(duì)于參考信號(hào)保持恒定的電路，在數(shù)字

24、通信系統(tǒng)中使用比較廣泛。目前微處理器或DSP集成的片上鎖相環(huán)，主要作用是 通過(guò)軟件實(shí)時(shí)的配置片上外設(shè)時(shí)鐘，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。此外，由于采 用軟件可編程鎖相環(huán)，所以系統(tǒng)處理器片外允許較低的工作頻率，而片內(nèi)經(jīng)過(guò)鎖 相環(huán)為微處理器提供較高的系統(tǒng)時(shí)鐘。這種設(shè)計(jì)可以有效的降低系統(tǒng)對(duì)外設(shè)時(shí)鐘 的依賴和電磁干擾，提高系統(tǒng)啟動(dòng)和運(yùn)行的可靠性，降低系統(tǒng)對(duì)硬件的設(shè)計(jì)要求。TMS320F2812處理器的片上晶振和鎖相環(huán)模塊為內(nèi)核及外設(shè)提供時(shí)鐘信號(hào)， 并且控制器件的低功耗工作模式。片上晶振模塊允許使用兩種方式為器件提供時(shí) 鐘，即采用內(nèi)部振蕩器或外部時(shí)鐘源。如果使用內(nèi)部振蕩器，必須在X1 / XCLKIN 和X

25、2這兩個(gè)引腳之間連接一個(gè)石英品體，一般是30MHz。如果采用外部時(shí)鐘，可 以將輸入的時(shí)鐘信號(hào)直接接到X1 / XCLKIN引腳上，而X2懸空，不使用內(nèi)部振蕩器。本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)有源晶體振蕩器，供電電壓3. 3V，時(shí)鐘頻率為30MHz， 經(jīng)過(guò)PLL倍頻之后作為DSP的時(shí)鐘頻率。3. 4外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口負(fù)責(zé)將CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器邏輯控制單元同存儲(chǔ)器、外設(shè)以及其他接 口連接起來(lái)。存儲(chǔ)器接口包含獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線，因此在一個(gè)周期內(nèi)CPU能 夠同時(shí)訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該接口還包含存儲(chǔ)器訪問(wèn)需要的各種控制 信號(hào)（如讀、寫(xiě)信號(hào)等），通過(guò)這些信號(hào)控制存儲(chǔ)器或外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸TMS320F2812

26、處理器的外部接口（XINTF）映射到5個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，分別為Zone0、Zonel、 Zone2、Zone6和Zone7。當(dāng)訪問(wèn)相應(yīng)的存儲(chǔ)空間時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)片選信號(hào)。每個(gè) 空間都可以獨(dú)立的設(shè)置訪問(wèn)等待、選擇、建立以及保持時(shí)間，同時(shí)還可以使用 XREADY信號(hào)來(lái)控制外設(shè)的訪問(wèn)。在進(jìn)行三相交流電參數(shù)處理時(shí)，由于算法比較復(fù)雜，需要大量數(shù)據(jù)運(yùn)算，同 時(shí)系統(tǒng)需要存儲(chǔ)一些重要參數(shù)，為了滿足系統(tǒng)對(duì)大存儲(chǔ)空間的需要，本系統(tǒng)利用 Zone2擴(kuò)展了一塊512Kxl6bit的FLASH芯片MBM29LV800，用于存放DSP信號(hào)處理過(guò) 程中大量的中間數(shù)據(jù)和電壓、電流、功率、諧波等參數(shù)。在程序調(diào)試過(guò)程中，由 于程序

27、代碼較大，DSP內(nèi)部空間不夠，系統(tǒng)為了方便利用Zone6擴(kuò)展了 128Kxl6bit 的SRAM，用于程序代碼的調(diào)試。3. 5信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)三相交流信號(hào)在AD轉(zhuǎn)換之前需進(jìn)行抗混疊低通濾波，。主要作用是濾掉信號(hào) 的高頻部分。根據(jù)采樣定理采樣頻率.正必須大于等于采樣信號(hào)最高頻率廠的兩 倍，這樣才不會(huì)產(chǎn)生混疊。為了達(dá)到這一目的，一般可以在電路中設(shè)計(jì)一個(gè)低通 濾波器，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將頻率分量大于0. 5 f的高頻部分濾掉。本系統(tǒng)最大需要檢測(cè)50次諧波，所以采樣頻率必須大于5000Hz。為了便于采 樣后做FFT變換，本文一個(gè)周期采樣256點(diǎn)，即12. 8KHz，只需將低通濾波器的截 止頻率定為

28、6. 4KHz。采用二階無(wú)限增益多路反饋型低通濾波器，這是一種非常 通用、具有倒相增益形式的濾波器，其優(yōu)點(diǎn)是所用網(wǎng)絡(luò)元件少，特性穩(wěn)定，輸出 阻抗低。36頻率捕捉電路（1）頻率捕捉在使用FFT計(jì)算各次諧波時(shí)，為了盡可能的提高計(jì)算精度和減少頻譜泄漏誤 差，需要進(jìn)行同步采樣，因此頻率測(cè)量的精確度將直接影響到計(jì)算結(jié)果誤差的大 小。一般方法是將輸入信號(hào)經(jīng)整形后，再通過(guò)鎖相環(huán)倍頻對(duì)產(chǎn)生的脈沖序列信號(hào) 離散化實(shí)現(xiàn)同步采樣。但是采用這種方法會(huì)增加硬件的投入和硬件系統(tǒng)的復(fù)雜程 度，由于本文所使用的DSP芯片具有脈沖邊沿捕獲功能，因此可以很容易利用該 功能實(shí)現(xiàn)頻率的精確測(cè)量和軟件同步采樣。交流信號(hào)經(jīng)過(guò)抗混疊低通濾

29、波后，由 一個(gè)電壓跟隨電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行保持，然后送給密特觸發(fā)器整形得到方波。DSP 內(nèi)部事件管理器（E啪）共有6個(gè)捕獲單元，每一個(gè)捕獲單元對(duì)應(yīng)一個(gè)捕獲輸入引 腳，通過(guò)對(duì)捕獲單元控制寄存器的設(shè)置，可以配置捕獲引腳檢測(cè)上升沿、下降沿、 上升下降沿三種電平的變化，利用通用定時(shí)器作為檢測(cè)的時(shí)基，用戶可以讀取捕 獲單元的先進(jìn)先出寄存器（CAPFIFOx）來(lái)確定兩次捕獲跳變的時(shí)間，即信號(hào)周期T， 從而確定捕獲信號(hào)的頻率。（2）軟件同步采樣計(jì)算出信號(hào)周期T后根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)（256點(diǎn)）算出采樣周期Ts，用Ts對(duì)信號(hào)進(jìn)行 采樣即可。以后每次采樣之前均重復(fù)上述過(guò)程。3. 7 A/D采樣電路設(shè)計(jì)MAX125是MAXIM

30、公司推出的一種高速、多通道、14位模.數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯 片內(nèi)部帶有一個(gè)14位、轉(zhuǎn)換時(shí)間為3ps的逐次逼近型模.數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC），4x 14 位的RAM，可保存4路采樣數(shù)據(jù)。片內(nèi)還有4個(gè)采樣/保持電路，每個(gè)采樣/保持 電路的輸入對(duì)應(yīng)一個(gè)2選l模擬輸入（共有8個(gè)模擬輸入通道，4個(gè)為一組，分為A 和B兩組），輸出經(jīng)4選1開(kāi)關(guān)到A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)首先同步采集A相電壓、電流，B相電壓、電流這4路信號(hào)，轉(zhuǎn)換結(jié)束 后，MAXl25產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給DSP，DSP讀取4路采樣值并發(fā)控制字給MAXl25， 使其選擇C相電壓、電流進(jìn)行采樣。其中MAXl25與DSP之問(wèn)的數(shù)據(jù)傳輸由CPLD控制。3. 8實(shí)時(shí)時(shí)

31、鐘電路設(shè)計(jì)本文使用了高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘SD2000作為外部時(shí)鐘芯片，該芯片內(nèi)置晶振、支持12C 總線接口，可保證時(shí)鐘精度為士4ppm（在25土 1C下），即年誤差小于2分鐘；內(nèi)置 電池、串行NVSRAM，其中內(nèi)置一次性電池可保證在外部掉電情況下時(shí)鐘使用壽命 超過(guò)五年，內(nèi)置充電電池在一次充滿情況下可保證內(nèi)部時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)間超過(guò)一年以 上（可滿充200次）；內(nèi)置串行NVSRAM為非易失性SRAM，擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)100億次。由 于其內(nèi)置非易失性SRAM，因此可以用作掉電保護(hù)及初始化配置信息的存放，除此 之外還可以存儲(chǔ)50多條掉電和上電記錄。9液晶顯示電路液晶顯示電路本設(shè)計(jì)選用的LCD是由T6963芯片控制的O

32、 CMl60 x128圖形點(diǎn)陣液品顯示模塊， 可以顯示圖形及整屏10 x8個(gè)漢字，還能夠?qū)⒆址蛨D像混合顯示，功能強(qiáng)大。該 模塊采用單電源(+5V)供電，不需要外接其他電壓，給硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便。 OCM160X128圖形點(diǎn)陣液品顯示模塊內(nèi)含控制器T6963,它的最大特點(diǎn)是具有獨(dú)特 的硬件初始化功能，由于顯示驅(qū)動(dòng)所需要的參數(shù)均由引腳電平來(lái)設(shè)置，因此T6963 的初始化在上電的時(shí)候就已經(jīng)基本設(shè)置完成。除此之外，它還具有很強(qiáng)的軟件控 制能力，由主控CPU通過(guò)接口寫(xiě)入液晶模塊的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊控制。4、軟件總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序流程圖如圖4. 1所示，本系統(tǒng)是基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 其主要監(jiān)測(cè)的

33、指標(biāo)有：三相電壓、電流有效值，有功、無(wú)功功率，電壓頻率， 三相不平衡度，各次諧波電壓、電流含有率，功率因素，電壓、頻率偏差，電 壓波動(dòng)及閃變。同時(shí)系統(tǒng)具有記錄保存斷電時(shí)間，LCD及鍵控的人機(jī)交互界面， FLASH及SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，UART串行通信以及GPRS通信等功能。(1) A/D采樣程序設(shè)計(jì)AID采樣程序包括采樣頻率的實(shí)時(shí)計(jì)算以及采樣過(guò)程的控制這兩部分。根據(jù)FFT的原理，采樣頻率與周期信號(hào)實(shí)際頻率是否同步直接會(huì)影響到FFT計(jì)算結(jié)果的 誤差。如果采樣不同步，將會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏，這樣在諧波測(cè)量中會(huì)造成很大的誤 差，所以必須要嚴(yán)格保證采樣頻率和實(shí)際頻率的一致。同步采樣的實(shí)現(xiàn)有兩種方法可以解決，一

34、種是硬件同步采樣，使用外部鎖相環(huán)實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào)頻率；第二種 方法是軟件同步采樣，通過(guò)軟件實(shí)時(shí)計(jì)算信號(hào)的頻率。下圖為A/D采樣流程圖。 每周期采樣256點(diǎn)，工頻周期為50Hz, DSP的時(shí)鐘頻率為150MHz，所以通過(guò)CAPl 捕獲的周期值精度較高。FFT程序設(shè)計(jì)DSP程序的核心是快速傅立葉變換(FFT)，該程序設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到整個(gè) 系統(tǒng)的性能。盡管可以找到相關(guān)的FFT例程可供參考，但是對(duì)于新手而言自己編 寫(xiě)具有復(fù)雜算法的程序效率肯定不會(huì)很高，因此本文使用了 TI公司專門針對(duì)2000 系列DSP而設(shè)計(jì)的FFT庫(kù)模塊，該模塊帶有入口和出口參數(shù)，使用方便，具有很好 的可移植性。FFT計(jì)算流程如下圖所示，當(dāng)256點(diǎn)采樣結(jié)束后，依次調(diào)用位反轉(zhuǎn)子程序、 加窗函數(shù)子程序、128點(diǎn)復(fù)FFT子程序、分離得到256點(diǎn)實(shí)FFT結(jié)果子程序、隸幅序。LCD顯示程序LCD程序包括兩部分：底層驅(qū)動(dòng)和界面顯示。底層驅(qū)動(dòng)主要包括寫(xiě)指令、寫(xiě) 數(shù)據(jù)、清屏、延時(shí)等子程序。界面顯示程序主要用來(lái)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前時(shí) 間、頻率、功率因素、三相電壓/電流、三相有功/無(wú)功功率、正序/負(fù)序分量、 不平衡