基于雙DSP的電力系統(tǒng)諧波分析儀的設(shè)計(jì)

基于雙DSP的電力系統(tǒng)諧波分析儀的設(shè)計(jì)

本文介紹了一種基于雙TMS320F 28335的電力系統(tǒng)諧波分析儀的設(shè)計(jì)方案,該分析儀可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)(電壓和電流)的同步采樣，并對(duì)其進(jìn)行諧波分析。借助強(qiáng)大的雙TMS320F28335平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)分析與顯示，具有實(shí)時(shí)性好，運(yùn)算速度快，精度高，靈活性好，系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)介紹
1 系統(tǒng)方案
由于本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高且工作過程中有大量的數(shù)據(jù)傳輸和人機(jī)對(duì)話事件發(fā)生，而單個(gè)DSP資源有限，如果采用單個(gè)DSP處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將不能及時(shí)處理采樣數(shù)據(jù)并且可能會(huì)造成部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失從而影響系統(tǒng)整體性能。為彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)提出了采用DSP+ DRAM+DSP的雙處理器協(xié)同工作模式，一片DSP全權(quán)負(fù)責(zé)采集、捕獲工作，另一片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和人機(jī)對(duì)話，這樣可實(shí)現(xiàn)不間斷、高速度、多端口的處理。針對(duì)通信雙方速度不匹配、信息交換實(shí)時(shí)性要求高、一次傳輸信息量大、數(shù)據(jù)傳送要求準(zhǔn)確無誤等特點(diǎn),綜合考慮通信的可靠性、實(shí)現(xiàn)的難易程度以及成本等諸多因素,采用雙口RAM通過雙機(jī)中斷交互式協(xié)調(diào)工作的模式來實(shí)現(xiàn)多處理器之間的高速通信。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 工作過程
首先，通過傳感器把PT(電壓互感器)、CT(電流互感器)上的電壓、電流轉(zhuǎn)換成跟隨式的交流低壓，然后經(jīng)過兩級(jí)RC濾波器濾波后送入DSP片上A/D模塊，由雙DSP控制A/D的采集和數(shù)據(jù)的傳輸，最后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT等各種算法的處理從而獲得所需要的各種電網(wǎng)參數(shù)并且判斷電能質(zhì)量的優(yōu)劣；同時(shí)，在外部按鍵控制下，根據(jù)不同的命令相應(yīng)的在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本電力系統(tǒng)諧波分析儀的硬件電路主要包含5個(gè)部分：信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、雙TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理模塊、單色液晶屏模塊(CM320×240)、鍵盤模塊。

1 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊
信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊主要包括互感器和程控信號(hào)調(diào)理部分?；ジ衅鞑捎酶哳l性能好的精密電壓互感器（KV50A/P)和電流互感器（KT50A/P)，相移小于4～5°，信號(hào)頻率在2kHz時(shí)衰減小于0.3～ldB，完全可以滿足50次以下諧波的精確測量。程控信號(hào)調(diào)理部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采樣方式，可以確保電壓與電流信號(hào)間沒有相對(duì)相移。由于雙極性模擬輸入信號(hào)不能直接輸入到DSP-L機(jī)片上A/D模塊,因此通過雙DSP模塊上DSP-L機(jī)的SPI總線以及GPIO口控制對(duì)輸入信號(hào)衰減/放大的比例，以滿足A/D模塊對(duì)輸入信號(hào)電平(0～3V)的要求。A/D模塊輸入信號(hào)調(diào)理部分采用256抽頭的數(shù)字電位器AD5290和高速運(yùn)算放大器AD8202組成程控信號(hào)放大/衰減器，每個(gè)輸入通道的輸入特性為1MΩ輸入阻抗+30pF。程控信號(hào)調(diào)理電路原理圖如圖2所示。

圖2 程控信號(hào)調(diào)理電路原理圖

2 信號(hào)預(yù)處理模塊
信號(hào)預(yù)處理模塊主要包括四階低通濾波電路和同步方波變換電路。根據(jù)國家對(duì)諧波測量儀器的要求，A級(jí)儀器頻率測量范圍是0～2500Hz，故每周波每路采樣128點(diǎn)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，采用截止頻率為1500Hz的四階巴特沃斯低通濾波器，完全可以達(dá)到較好的濾波效果。同時(shí)為了提高測量精度，采用了自適應(yīng)調(diào)整采樣間隔技術(shù)，即根據(jù)捕獲單元測量的頻率自動(dòng)調(diào)整。本系統(tǒng)采用同步方波變換電路部分實(shí)現(xiàn)頻率的測量，同時(shí)為提高共模抑制比，同步方波變換電路采用開環(huán)方式實(shí)現(xiàn)電壓比較并將其輸入到同相端，同時(shí)在反相端輸入? +1.5V的比較電平，這樣在輸出端即引腳6處可得到占空比為50%的方波，其中電容C5起抑制高頻噪聲的作用。同步方波變換電路圖如圖3所示。

圖3 同步方波變換電路圖

3 雙TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理模塊
雙28335-DSP模塊主要由兩片TI公司的C2000系列DSP-TMS320F28335和一片IDT公司IDT70V28(64K×16bit)雙口RAM組成，兩片DSP分別為DSP-L? 機(jī)和DSP-R機(jī)，通過雙口RAM采用雙機(jī)中斷交互式協(xié)調(diào)工作的模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與傳輸。雙TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理模塊工作時(shí)序如圖4所示。

圖4 雙TMS320F28335??中藕糯 理模塊工作?斃蟯

雙機(jī)中斷交互式協(xié)調(diào)工作的具體步驟如下：

①DSP-L機(jī)工作周期由定時(shí)器1中斷產(chǎn)生，工作周期為T4。在每個(gè)周期開始時(shí)進(jìn)行電壓、電流采集，并把采集數(shù)據(jù)按照乒乓緩存結(jié)構(gòu)不斷寫到雙口RAM中，當(dāng)采集完一個(gè)周期時(shí)，向DSP-R機(jī)發(fā)中斷，該中斷執(zhí)行時(shí)間為T1。

②DSP-R機(jī)響應(yīng)中斷后，完成軟件濾波算法和FFT算法，從而進(jìn)行諧波分析，并將諧波數(shù)據(jù)顯示到LCD上，該中斷執(zhí)行時(shí)間為T2。

③DSP-L機(jī)從雙口命令區(qū)讀取R機(jī)鍵盤發(fā)出的命令并根據(jù)捕獲測頻結(jié)果自適應(yīng)的調(diào)整采樣間隔，完成對(duì)AD采集的采樣控制和通過SPI接口完成對(duì)數(shù)字電位器AD5290的程控信號(hào)調(diào)理模塊的控制，該中斷執(zhí)行時(shí)間為T3。

4 單色液晶屏模塊
CM320240是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理，由行驅(qū)動(dòng)控制器和列驅(qū)動(dòng)控制器兩部分組成了320(列)×240(行)的全點(diǎn)陣液晶顯示，此顯示器內(nèi)含了硬件字庫，編程模式簡介方便。

該液晶模塊的讀寫周期周期最小為800ns。如果采用總線方式控制液晶模塊，TMS320F2812讀、寫周期最大值為200ns，不能滿足該液晶模塊的要求，故采用間接的控制方式。為節(jié)約硬件成本，本系統(tǒng)選用通用GPIO來控制液晶屏的讀寫信號(hào)。

5 鍵盤模塊
為滿足實(shí)時(shí)性要求，本系統(tǒng)采用按鍵中斷方式完成人機(jī)交互功能。鍵盤有六個(gè)獨(dú)立的按鍵組成，當(dāng)任一按鍵按下時(shí)，INT13引腳的輸入出現(xiàn)低電平跳變（INT13設(shè)置為下降延觸發(fā)）觸發(fā)DSP外部中斷，CPU響應(yīng)中斷后在中斷服務(wù)子程序中讀取鍵盤狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。6個(gè)按鍵分別為A相電壓、B相電壓、C相電壓、A相電流、B相電流、C相電流。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上電后按照選定的模式自舉加載程序，跳轉(zhuǎn)到主程序入口，進(jìn)行相關(guān)變量、數(shù)據(jù)乒乓緩沖區(qū)、命令區(qū)、控制寄存器初始化，并使能XINTF和A/D定時(shí)采樣中斷。定時(shí)中斷產(chǎn)生后，DSP-L機(jī)內(nèi)部A/D開始對(duì)6組傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存到乒乓緩沖區(qū)，然后通過中斷交互式協(xié)調(diào)工作模式將結(jié)果傳送至DSP-R機(jī)，DSP-R機(jī)調(diào)用FFT程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理將結(jié)果實(shí)時(shí)傳到LCD顯示。主要包括3部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)處理算法、鍵盤中斷子程序，顯示處理子程序。系統(tǒng)雙機(jī)工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)雙機(jī)工作流程圖

1 數(shù)據(jù)處理算法
本系統(tǒng)主要用到以下算法：①低通濾波處理算法;②捕獲單元高精度測頻算法;③自適應(yīng)調(diào)整采樣間隔技術(shù);④FFT算法的諧波分析。具體算法及代碼請(qǐng)參閱《今日電子》網(wǎng)站本文章完整版。

2 鍵盤中斷子程序
為滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，完成鍵盤操作的實(shí)時(shí)響應(yīng)，本系統(tǒng)采用外部中斷方式對(duì)鍵盤掃描，完成命令形成與標(biāo)志位設(shè)置功能。鍵盤中斷子程序流程圖如圖6所示。

3 LCD顯示子程序
LCD的顯示分為信息區(qū)與顯示區(qū)兩部分。其中信息區(qū)包括固定信息（顯示煙臺(tái)大學(xué)DSP實(shí)驗(yàn)室等），顯示區(qū)包括各相頻率值與諧波波形的顯示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本系統(tǒng)采樣頻率為fs＝6400Hz，捕獲單元測頻結(jié)果和FFT算法得到各次諧波的幅值分別如表1和表2所示。

誤差分析
經(jīng)過分析以上各參數(shù)可看出：當(dāng)頻率是50Hz左右時(shí)，最大誤差不超過0.01Hz，諧波分析的19次諧波呈波次越高幅度越小的趨勢,并且所得各次諧波幅度比較符合實(shí)際情況。由于本系統(tǒng)采用了自適應(yīng)調(diào)整采樣間隔技術(shù)來實(shí)現(xiàn)同步采樣，所以保證了參數(shù)的測量精度。

結(jié)束語
本文介紹了一種電力系統(tǒng)諧波分析儀，采用了DSP+DRAM+DSP的雙處理器協(xié)同工作結(jié)構(gòu)，通過雙機(jī)中斷交互式協(xié)調(diào)工作的模式快速的進(jìn)行雙機(jī)通信，可滿足高速數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)囊蟆Ｓ捎诓捎昧送讲蓸蛹夹g(shù)、自適應(yīng)調(diào)整采樣間隔技術(shù)和補(bǔ)零防頻譜泄露技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的諧波分析，便于工程應(yīng)用，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。