- 基于DSP+ARM的便攜式電能質(zhì)量分析儀設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括ARM部分WinCE操作系統(tǒng)定制、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和DSP部分?jǐn)?shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)。

2．1 WinCE操作系統(tǒng)定制及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

WinCE是模塊式、多任務(wù)、實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，微軟公司提供了功能強(qiáng)大的開發(fā)工具，WinCE操作系統(tǒng)定制包括操作系統(tǒng)內(nèi)核定制、各相關(guān)驅(qū)動程序編寫等。其內(nèi)核的定制使用PB(Platform Builder)軟件，相應(yīng)的驅(qū)動程序開發(fā)使用EVC(Embedded Visual C++)。

系統(tǒng)應(yīng)用程序是在WinCE5．O上由VS 2005(Visual Studio 2005)開發(fā)的C#窗體應(yīng)用程序，其主要功能為：實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面、合理的功能設(shè)定、數(shù)據(jù)的接收顯示及存儲、對DSP和系統(tǒng)電源的控制等。

電能質(zhì)量分析儀應(yīng)用程序的界面是根據(jù)不同的測量用途來劃分的，分為示波器、功率和能量、諧波、向量圖、驟升驟降、閃變和瞬態(tài)等顯示界面，不同的顯示界面運(yùn)行著不同的顯示線程，每一個(gè)顯示線程都有一個(gè)對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸模式。ARM根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模式來給DSP處理器發(fā)送命令，進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算和傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2．2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖3所示，程序啟動后，DSP通過SetiaIs中斷讀取ADC采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)接收SPI中斷，根據(jù)ARM系統(tǒng)的命令進(jìn)行相應(yīng)的電能質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算，將計(jì)算數(shù)據(jù)通過Link Port傳送給FIFO供ARM系統(tǒng)讀取；IRQ0中斷用于控制數(shù)據(jù)傳送的節(jié)奏和數(shù)據(jù)同步。

2．3 數(shù)據(jù)處理算法介紹

電能質(zhì)量分析儀需要對電力信號進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析。穩(wěn)態(tài)分析包括檢測三相電壓、電流的有效值，電網(wǎng)頻率，電壓、電流的各次諧波及諧波總畸變率，電壓、電流中的正序和負(fù)序分量；三相不平衡等的計(jì)算。暫態(tài)信號分析包含電壓瞬變、短時(shí)電壓驟升、驟降、電壓閃變、短時(shí)嚴(yán)重波形畸變等檢測內(nèi)容。相對于穩(wěn)態(tài)分析，暫態(tài)電能質(zhì)量分析需要對信號進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測量與分析。

FFT變換是電能質(zhì)量分析的重要工具，為提高采用FFT變換的計(jì)算精度，需要通過硬件或軟件方法實(shí)現(xiàn)整周期采樣。整周期采樣就是要求采樣的數(shù)據(jù)剛好是信號的整個(gè)周期或是倍數(shù)，也就是假如信號周期為T，就是要保證：N／fs=L×T其中，L為整數(shù)；fs為采樣頻率；N為采樣點(diǎn)數(shù)。

在實(shí)際采樣中，通常做不到整周期采樣，即使知道信號的周期，采取同步采樣，也只能使信號中的某些頻率(工頻及其倍頻)接近整周期采樣，而不能使信號中所有的頻率成分(如噪聲等)都是整周期采樣。非整周期采樣的直接的后果就是頻譜泄露，使獲得的頻率成分不準(zhǔn)；第二個(gè)后果就是對于頻率相隔較近的多頻率成分信號來說，會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

為簡化硬件設(shè)計(jì)本文采用非整周期采樣，通過加窗傅里葉變換來減小頻譜泄露和干涉。通過加窗傅里葉變換法可以精確計(jì)算出50次以下諧波的幅值和相位。從諧波分析結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算可以得到三相系統(tǒng)各相的有效值、頻率、功率、相位差、失真度和不平衡度等基本電參數(shù)。

微分算子可以檢測瞬變，而小波濾波器的N階消失矩和N次卷積微分算子具有等價(jià)關(guān)系。在此原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于小波變換的電壓瞬變檢測算法。在短時(shí)電壓驟升驟降和浪涌電流檢測中，使用了實(shí)時(shí)真有效值計(jì)算方法，通過有效值與閾值的比較來判斷有無事件發(fā)生。電壓閃變的評估使用了IEC推薦的同步檢波法，通過IEC測試數(shù)據(jù)對閃變測量值進(jìn)行校準(zhǔn)。在此硬件平臺所設(shè)計(jì)的暫態(tài)電能質(zhì)量分析軟件可實(shí)現(xiàn)對電壓瞬變、短時(shí)電壓驟升驟降、浪涌電流、諧波、三相不平衡度、電壓閃變等項(xiàng)目的測量。