基于DSP+ARM的便攜式電能質(zhì)量分析儀設(shè)計(jì)

 引言

隨著國(guó)家工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，一方面，非線(xiàn)性、沖擊性和不平衡負(fù)荷的大量增長(zhǎng)使得電能質(zhì)量惡化；另一方面，隨著信息技術(shù)的發(fā)展。越來(lái)越多的敏感負(fù)載對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。這就要求電能質(zhì)量檢測(cè)分析設(shè)備具有實(shí)時(shí)檢測(cè)、快速分析、實(shí)時(shí)顯示的能力。采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(ARM)雙處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)電能質(zhì)量分析儀能滿(mǎn)足上述要求。DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電壓、電流信號(hào)的實(shí)時(shí)采集處理，通過(guò)加窗傅里葉變換和小波算法得到電能質(zhì)量參數(shù)；ARM嵌入式平臺(tái)運(yùn)行WinCE操作系統(tǒng)完成人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示等功能。該系統(tǒng)為儀器的可擴(kuò)展性和智能化建立了良好的軟硬件平臺(tái)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

便攜電能質(zhì)量分析儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以功能實(shí)現(xiàn)和便攜式設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，并兼顧系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

1．1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該硬件系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集與處理、ARM嵌入式平臺(tái)、協(xié)控制器和電源系統(tǒng)5個(gè)模塊，系統(tǒng)框架如圖1所示。電網(wǎng)電壓電流信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路預(yù)處理；采用高速ADC數(shù)字化后由DSP處理器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)緩存及快速、準(zhǔn)確的分析計(jì)算；采集到的波形數(shù)據(jù)和分析計(jì)算結(jié)果通過(guò)FIFO傳遞到ARM嵌入式平臺(tái)；采用LCD實(shí)現(xiàn)波形和分析結(jié)果顯示；采用SD卡或USB存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)以便回放或進(jìn)一步深入分析；利用鍵盤(pán)或觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；設(shè)置RS 232、USB和網(wǎng)絡(luò)接口，便于實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量分析儀的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化擴(kuò)展。

系統(tǒng)中采用CPLD芯片設(shè)計(jì)了協(xié)控制器。它的作用主要是產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換器所需要的采樣時(shí)鐘、完成采樣通道的時(shí)序控制、綜合FIFO讀時(shí)鐘邏輯、網(wǎng)卡地址控制邏輯和DSP啟動(dòng)模式的設(shè)置。系統(tǒng)硬件電路配有多種電源，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各模塊電源進(jìn)行控制，以及使DSP按測(cè)量需求工作在節(jié)電模式等措施實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用電池供電，滿(mǎn)足便攜式儀器要求。

1．2 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

電能質(zhì)量分析儀需要有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，并且電網(wǎng)電壓電流信號(hào)除了50 Hz工頻分量以外，還包含電壓瞬變、短時(shí)電壓驟升驟降等因素引起的高頻分量；按照一般電網(wǎng)測(cè)試要求，需要檢測(cè)8路信號(hào)(4路電壓和4路電流)；這里需要高速、高分辨率、多通道、低功耗的ADC芯片。 TI公司出品的AD7655是一款低成本、4通道、1 MSPS采樣率、16位ADC芯片。該芯片典型功耗為120 mW，采樣率為10 KSPS時(shí)只有2．6 mW，滿(mǎn)足系統(tǒng)低功耗要求；芯片內(nèi)有兩個(gè)低噪聲、寬頻帶的采樣保持器和相應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)，允許兩個(gè)通道同時(shí)采樣。選用兩片AD7655可滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

數(shù)字信號(hào)處理器選用ADI公司的ADSP-21161N32位浮點(diǎn)DSP芯片。該芯片采用超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)，擁有多條內(nèi)部總線(xiàn)、高速運(yùn)算單元、大容量存儲(chǔ)器、靈活多樣的外部接口。它的內(nèi)核工作頻率可達(dá)100 MHz，外部總線(xiàn)工作頻率可達(dá)50 MHz，運(yùn)算處理速度可高達(dá)600 MIPS，以較低的工作頻率實(shí)現(xiàn)了較高的處理能力，同時(shí)降低了功耗。而ADI公司提供的根據(jù)處理器量身制作的IDE環(huán)境極大的方便了DSP軟件開(kāi)發(fā)，最大程度上發(fā)揮了處理器的性能。
兩片AD7655與DSP通過(guò)“三線(xiàn)”SPI接口連接，DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存并進(jìn)行一系列運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)LINK PORTS接口發(fā)送給FIFO實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。ADC的采樣時(shí)鐘、每個(gè)ADC中的通道切換和雙ADC調(diào)度等控制邏輯由協(xié)控制器實(shí)現(xiàn)。

1. 3 協(xié)控制器

協(xié)控制器邏輯電路框圖如圖2所示。圖2中，采樣時(shí)鐘發(fā)生器為A／D轉(zhuǎn)換器提供采樣時(shí)鐘；ADC通道輪換控制電路協(xié)調(diào)8個(gè)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換次序，協(xié)助DSP準(zhǔn)確地讀取各相電壓電流信號(hào)；DSP啟動(dòng)模式控制電路協(xié)助DSP上電初始化程序從FLASH自啟動(dòng)；FIFO讀時(shí)鐘邏輯電路由ARM嵌入式平臺(tái)控制，產(chǎn)生讀時(shí)鐘，完成DSP與ARM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；網(wǎng)卡地址控制邏輯為CS8900網(wǎng)卡提供讀寫(xiě)邏輯。

1．4 ARM嵌入式平臺(tái)

ARM嵌入式平臺(tái)硬件配置如圖1所示。選用三星公司S3C2410芯片，外擴(kuò)64 MB SDRAM和64 MBFLASH。該嵌入式平臺(tái)有眾多外設(shè)接口：SPI接口用于和DSP命令傳輸；LCD接口用于TFT液晶屏的驅(qū)動(dòng)；USB接口適用于多種即插即用設(shè)備；SD卡接口可插入大容量SD卡用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；觸摸屏接口可實(shí)現(xiàn)觸摸屏控制。為了實(shí)現(xiàn)儀器的網(wǎng)絡(luò)化，該系統(tǒng)擴(kuò)展了網(wǎng)卡芯片CS890OA；為了系統(tǒng)調(diào)試的安全性，將RS 232接口進(jìn)行隔離處理。

ARM與DSP之間通信和數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)SPI接口和FIFO實(shí)現(xiàn)。ARM通過(guò)SPI接口發(fā)送命令，使DSP進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算及傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)定ARM為主設(shè)備，DSP為從設(shè)備。FIFO用于傳輸DSP的計(jì)算結(jié)果和波形數(shù)據(jù)；FIFO芯片采用低功耗異步芯片SN74ALVC7805，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)50 MHz，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)深度為256 B。

ARM嵌入式平臺(tái)移植了WinCE操作系統(tǒng)。WinCE操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)管理、圖形界面、開(kāi)發(fā)環(huán)境等方面有著特有的優(yōu)勢(shì)，這為便攜式電能質(zhì)量分析儀的人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)化擴(kuò)展提供了便利。