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青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 电电电电能能能能质质质质量量量量监测仪设计监测仪设计监测仪设计监测仪设计 中文摘要中文摘要中文摘要中文摘要： 电能质量监测仪是一种用于监测电网运行状态的的工业仪表。 它能实时提供电压、电流、有功功率、无功功率、频率等电能质量的 基本参数， 而且能对电力系统的谐波这一重要的电能质量指标进行分 析，为电力部门对电能质量的监测提供了强有力的支持。 该监测系统硬件包括：ti 公司的 16 位定点 dsp 芯片 tms320lf2812、电压和电流精密互感器、抗混叠滤波电路、高速 a/d 转换器 ad7656、键盘、图形液晶显示器、rs-232 串行通讯接口 等，硬件成本低，简便易用；软件包括： 本电能质量监测仪主要是以数字信号处理技术为核心， 采用灵活、 准确的数字信号处理算法进行数据运算， 本文中重点介绍傅里叶变换 这一信号处理方法，详细分析了实用的快速傅里叶变换（fft） ，并 且用 matlab 对 dsp 采集的数据进行了仿真。 关键词关键词关键词关键词:电电电电能能能能质质质质量量量量;；滤波滤波滤波滤波；fftfftfftfft；matlab 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 abstraabstraabstraabstrac c c ct t t t： the power quality monitor(电能质量监测 仪) is a kind of measuring instrument(仪表) monitoring the operation state of electric power in industry，which can provide the basis parameters of power quality such as voltage，electric current， active power，reactive power and frequeney，(电压、电流、有功功率、无功功率、 频率) and moreover， can analyze power harmonic(谐波) one of the important indexes of power quality,of providing the better support for electric power department(电力 部门) monitoring power quality. in order to calculate and analyze accurately the indexes of power quality(实现对 电能质量各种指标的精确计算和分析)，this power quality monitor is according to the core of digital signal processing technology mostly(以数字信号处理技术为核心)， adopts the more agile and accurate arithmetic of digital signal processing(更灵活、更 准确的数字信号处理算法) and moreover uses the new dada processing methods， which can reduce the hardware cost(硬件成本) and accord with the requirement of digital technology development(监测更符合数字化技术发展的需要). the monitor system is made by the 16-bit fixed-point dsp tms320lf2812， the precise potential transformers and current transformers(电压和电流精密互感器)， anti-alias filter(抗混叠滤波电路)， 6-channel simultaneous sampling analog-to-digital convertor ads7864(六通道同时采样的高速 a/d 转换器 ads7864)，keyboard， graphics lcd(图形液晶显示器)，rs-232 interface(rs-232 串行通讯接口) etc， which is cheap in cost and easy to control. key words : power qua1ity monitor;16-bit fixed-point dsp; digital signal processing(数字信号处理) 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 目录 中文摘要. abstract 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 1.1 电能质量的研究背景 1.2 电能质量的研究现状 1.3 本论文的主要工作 第二章第二章第二章第二章 电能质量电能质量电能质量电能质量指标和指标和指标和指标和测量原理测量原理测量原理测量原理 2.1 谐波的测量分析方法 2.1.1 谐波分析方法 2.1.2 谐波含量的测量 2.2 电压、电流测量 2.2.1 电压瞬时值 2.2.2 电压有效值 2.2.3 电流瞬时值 2.2.4 电流有效值 2.3 各种功率及功率因数的测量 2.3.1 有功功率 2.3.2 视在功率 2.3.3 功率因数 2.4 频率的测量 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 第三第三第三第三章章章章 电能质量监测仪的硬件设计电能质量监测仪的硬件设计电能质量监测仪的硬件设计电能质量监测仪的硬件设计 3.1 tms320lf2812 的功能简介 3.2 采样电路 3.2.1 模拟输入前端通道 3.2.2 抗混叠滤波器 3.2.3 同步采样和锁相环电路 3.2.4 高速六通道同时采样 a/d 转换器 3.2.5 数值关系 3.3 键盘电路 3.4 液晶显示器 hb128128m1 简介 3.5 串行通讯接口 第四第四第四第四章章章章 电能质量监测仪的软件设计电能质量监测仪的软件设计电能质量监测仪的软件设计电能质量监测仪的软件设计 4.1 软件总体流程 4.2 数据的表示方法和长度的确定 4.3 傅里叶变换 4.3.1 傅里叶变换原理介绍 4.3.2 离散傅里叶变换(dft) 4.3.3 快速傅里叶变换(fft) 第五章第五章第五章第五章 matlabmatlabmatlabmatlab 数值仿真数值仿真数值仿真数值仿真 参考文献参考文献参考文献参考文献 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 1.1 电能质量的研究背景 随着我国电力市场的逐步建立， 对电能质量提出了越来越高的要 求。电力用户也要求高质量的电能来保证其设备、仪器和系统的正常 运行。但是，随着现代科学技术的迅猛发展，一方面，由于电力电子 设备的应用领域越来越广， 特别是各类冲击负荷和非线性负荷容量的 不断扩展，使得电网中电压波形发生畸变，严重地影响了电能质量; 另一方面，由于人们越来越多地使用精密和复杂的电子设备，如计算 机、通信设备以及各种过程控制系统来处理和管理工作过程和事务。 这就要求高质量和高可靠性的配电系统，以提供与之相适应的电能。 而且，随着电力工业的飞速发展以及电网的不断扩大，电力运行对电 力调度自动化水平的要求和安全性的要求越来越高， 电力调度需要各 种功能更为齐全、操作更为简便的各种电力检测仪器仪表。但是，目 前为止用于监测电网用户端电能质量的仪器仪表并没有普及使用， 而 且随着电力工业的发展和电能质量概念的逐步深化， 电能质量监测发 生了新的变化。 以前用单片机组成的电能质量监测仪不仅计算能力不 强、运算速度慢，且不太适合做数字信号处理用。基于此，为了能对 新形势下电力系统的电能质量进行监测与测量， 研制了基于 dsp 的电 能质量监测仪。它的主要应用对象包括变电所、用户变电站、公用变 电站和设备配电线路等终端， 并可以作为电能质量分布式数据采集系 统的测量装置终端，适用于地理比较偏远、环境比较险恶的地方。 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 所谓电能质量，是指将发电厂发出的电能看作一种商品，从而对 它的各种技术指标作出规定，以判断其是否合格。在理想的交流供电 系统中，三相交流电压是平衡的，电压和电流的波形呈正弦波都处于 无畸变状态。然而，在实际情况下，电能在输送过程中会受到各种用 电负荷的影响，到达用户的电可能会偏离正弦波形而发生畸变。由于 高压直流输电系统、变频器、可控整流器、电弧炉和电动机车等的应 用，使得电压及频率的稳定会受到负荷波动的影响，使电网中的谐波 污染、三相电压的不对称性以及电压波动和闪变日趋严重。同时，由 于上述负荷的存在，使得电力系统中的供电电压即便是正弦波形，其 电流波形也将偏离正弦波形而发生畸变。 当非正弦波形的电流在供电 系统中传输时，将迫使沿途电压下降，其电压波形也将受其影响而产 生不同程度的畸变。 这种电能质量的下降会给电力系统和用电设备带 来严重的危害。 电网中谐波含量的增加， 将导致电气设备的寿命缩短， 电网损失加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，严重时会造成危险 的过电压、过电流。同时还可能引起继电保护和自动装置误动作、仪 表指示和电度计量不准、使通信系统受干扰等一系列问题。 1.2 电能质量的研究现状 由于电能质量关系重大，引起世界各国的广泛重视。美国、欧洲 等发达国家己进行了多年的研究，获得了大量的数据，并取得了重要 的理论和应用成果。我国对电能质量的研究正处于起步阶段，但也取 得了较大的进展。 早期的电能质量问题主要局限在频率偏移和电压偏移两个方面。 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 但是，二十世纪八十年代以来，随着新兴负荷的出现对电能质量的要 求更高，还需要设法解决诸如失去电压、电压跌落和开关暂态等多方 面的电能质量问题。目前，美国电气电子工程师协会工业应用协会 (ieeeias)和电力工程协会(ieeepes)、国际电工委会(iec)、国际大 电网会议(cigre)等学术组织都开始对这些问题进行了专门的研究。 在国内，电能质量问题也己引起电力工作者的广泛重视。由于出发点 不同，电能质量存在很多不同的定义:电力公司常将电能质量定义为 供电可靠性并用统计数字来表示， 而设备制造商则将电能质量定义为 能使设备正常运行的供电特征， 因此不同的设备制造商往往采用不同 的电能质量指标。从用户方面考虑，电能质量定义为:导致用户设备 失效或不能正常工作的电压、电流或频率偏移。电能质量是其实质是 电压质量，主要描述供电电压偏离其理想状态的程度。 对于电能质量基本量的测量， 以往的一般感应式电压表、 电流表、 瓦特表、功率因数表以及相位表都不能做出精确的测量，所以对上述 基本量的检测需采用数字式采样原理， 充分利用数字信号运算以及微 处理器的长记忆和运算能力，对多种量值作出较为精确的测量。随着 单片机或 dsp 等微处理器为基础的实时数字信号处理技术的迅速发 展，并得到广泛应用，采用模拟控制量的电能质量控制装置正用数字 量控制代替。这有如下优点:可以程序控制，改变控制方法或算法不 必改变控制电路;提高了系统稳定性、可靠性和灵活性，系统不受温 度影响;可重复性好，易调试和批量生产:易实现并联运行和智能化控 制。单片机和 dsp 的高可靠性、高稳定性以及它们的很强的处理能 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 力，由单片机或 dsp 组成电能监测系统是简便易行的途径，有着广 泛的应用前景。 1.3 本论文的主要工作 本电能质量监测仪主要是以数字信号处理技术为出发点， 对电能 质量各种指标进行计算和监测，采用更灵活、更准确的数字信号处理 算法程序进行数据处理，减少硬件的成本，使电能质量监测符合数字 化技术发展的需要。这些数字信号处理技术包括同步技术、实数快速 傅立叶变换(fft)技术、各种数字滤波技术等。通过这些数字技术的 应用，本电能质量监测仪能比较准确的测出电网中的谐波，计算分析 出电压波动的大小，以及闪变的大小和电网中电压的偏差，频率变化 的大小等各种电能质量指标的数值。 然后分析计算得到各次谐波电压 含有率、 各次谐波电流含有率、 电压总谐波畸变率、 基波电压和电流、 电压和电流有效值、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数等参 数的大小，反映出电能质量的水平。通过这些数据分析电网的状态， 以此了解公用电网电能质量的水平和存在的问题， 找出电网受哪些因 素影响，找出产生电网电能质量下降的部分，为电力部门提供电力系 统运行的基本状态和性能情况， 从而对公用电网的性能做出正确和全 面的评估。 这样我们可以通过对电网产生干扰和影响的地方进行检查 和维修，避免电力部门和用电厂家电力设备的损耗，提高用电效率和 用电质量。同时，向用户汇报和提供报告，以便用户了解电能的性能 情况，正确选择适应于电能的用户系统。总之，此电能质量监测仪必 须比较真实准确的反映出电网和用电部门中电能质量的当前实际状 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 态和电能质量水平， 以此作为标准和依据对电网中的电能进行监测和 维护。 本文在借鉴了很多已有设备的功能和特性的基础上， 利用数字信 号处理技术设计开发了电能质量监测仪。该监测系统采用了 16 位定 点 dsp 芯片，三相电压和电流输入通道、高速六通道同时采样 a/d 转换模块、 键盘、 图形液晶显示、 串行通讯等。 输入电压范围为 0-100v， 输入电流范围为 0-5a。软件部分包括同步采样算法、fft 算法、数 字滤波、键盘控制、图形液晶显示等，通过编程手段尽量降低硬件成 本。 本装置采用 ti 公司的 tms320lf2812 芯片作为硬件设计的基础， 实现电能质量中多个参数的计算任务。为了满足自动化发展的要求， 本系统提供了液晶显示界面、键盘控制等，同时提供了通讯接口，以 实现与其它系统的信息共享。 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 第二章第二章第二章第二章 电能质量电能质量电能质量电能质量指标和指标和指标和指标和测量原理测量原理测量原理测量原理 电能质量的五个主要指标为:电力系统谐波、电压波动和闪变、 电压允许偏差、电力系统频率允许偏差和三相电压允许不平衡度。电 能质量虽然只有五个指标，但是需要计算的量却很多。这些量主要包 括:三相电压、电流的有效值;电网的系统频率;电压、电流的各次谐波 分量及谐波总畸变率;三相有功功率;三相无功功率;三相视在功率;功 率因数;各次谐波含有率;波形及波峰因数;电压、电流中的负序和正序 分量:电压波动值;在出现电压闪变的情况下， 对闪变的性质进行分析， 并记录闪变暂态过程中的电压波形;三相电压不平衡系数等。 由于电能质量的检测信号大都是有一定程度的畸变，在这种情况下， 一般感应式电压表、电流表、瓦特表、功率因数表以及相位表都不能 作出精确的测量。 所以对上述基本量的检测目前常采用数字式采样原 理的仪表， 以充分利用数字信号运算法及微处理器的长记忆和运算能 力，对多种量作出较为精确的测量。 三相 380v 是三根火线之间线电压 380v，每根火线与零线间电压 220v 的电压规格。单相 220v 是火线与零线之间电压 220v 的电压规 格。三相指的是线电压,单相指的是相电压.它们之间是3倍的关系。 由于作者水平有限，本文主要研究单相电的谐波测量。 2.1 谐波的测量分析方法 2.1.1 谐波分析方法 谐波分析的目的就是求出各次谐波的幅值和相角， 针对不同类型 的谐波， 有相应的分析方法。 对于稳态谐波通常使用 fft 算法， 此外， 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 还有 fht(快速 hartley 变换)算法， 离散变换等等； 对于暂态谐波， 有改进的 fft 分析，小波变换等。 傅氏变换有着明确的物理意义:变换域反映了信号的频率成分， 因此它是最常用的变换。而且经过多年的发展，现在无论从理论上还 是现实上都已很完备，介绍它的文献和书籍也很多。需要注意的是若 使用顺序采样，即采样间隔固定，则采样频率不一定能与输入信号同 步，如要要完全避免谱泄漏造成的误差。如要完全避免这种误差，可 采用数字锁相等技术使采样频率与信号基频同步。 fft 算法只适用于稳态谐波，而对于暂态谐波目前为止是没有明 确的分析方法。 2.1.2 谐波含量的测量 在实际应用中要获得准确的 fft 运算结果， 还必须防止频率混叠的 发生，否则会增加运算误差。解决频率混叠的方法就是使采样频率的 选取满足时域采样定理的要求， 即采样频率必须大于被测信号最高频 率的两倍。如果一个周期内采样 128 点，则需要滤除掉 64 次以上的 谐波才能避免频率混叠的产生。为了避免频谱混叠产生，在本系统中 引入了抗混叠滤波器，在 3.3.2 节详细介绍抗混叠滤波器。 采样值 x(n) （即)(nu、)(ni）， n=0,1,2n-1, n 为采样点数。 dft： x(k)=)( 1 )( 1 1 0 jba n wnx n n n kk nk n = += k=0,1n-1=0,1,2127 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 我们取 k=0,1,251 谐波含量计算： 用 fft 算法（在后面章节中详细介绍）计算出基波和各次谐波 的实部和虚部，进而可以求出其幅值和相位，幅值求出后，就可以求 出各次谐波的含量和谐波总含量。 谐波(电压、电流)的 幅值: , 128 1 22 kk ba + 相角: k k a b arctan 单项电压，电流 k 次谐波有效值: 2 128 1 22 kk ba + 基波: k=1，单项电压，电流基波有效值: 2 128 1 2 1 2 1 ba + 电力系统中， 通常用某次谐波幅值相对于基波幅值的百分数来反 应该次谐波的含量，即: %100% 1 = u u u k k （k=264） 用总谐波畸变 thd(total harmonie distortion)来反应总的谐波含量， 电压畸变率: thd1=%100 1 2 2 = u u m k k = = 51 2 2 %)( k k u 式中 m 为检测谐波的最高次数，对于 128 点 fft 取 64。 电流畸变率: 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 thd2=%100 1 51 2 2 = i i k k = = 51 2 2 %)( k k i 2.2 电压、电流测量 考虑到输入信号中含有谐波分量， 输入电压的瞬时值和电压有效值可 用下式表示: 2.2.1 电压瞬时值 电压瞬时值 u 的定义为： )sin(2u 1 n m n n tnu+= = 式中 n u表示第 n 次谐波电压的有效值; n 为第 n 次谐波电压的初相角; m 为所含谐波的最高次数，对于 128 点 fft 取为 64。 2.2.2 电压有效值 电压有效值（即均方根值）u 的定义为： dtu t ta a + = 2 1 u 由该定义式可以导出有效值的两种计算方法。 = = n n nu n 1 2 )( 1 u 或 = = n n n u 1 2 u 式中 n 为每周的采样点数，在此取为 128 点; )(nu为电压 u 在第 n 个采样点处的采样值。 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 2.2.3 电流瞬时值 电流瞬时值 i 的定义为：)sin(2i 1 n n n n tni+= = 2.2.4 电流有效值 电流有效值（即均方根值）i 的定义： dti t ta a + = 2 1 i = = n n nui n 1 2 )( 1 i或 = = n n n i 1 2 i 2.3 各种功率及功率因数的测量 电能质量标准中虽然不包含各种功率及功率因数的检测指标， 但 有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数作为电力系统的重要参 数，在各种电能质量监测装置中总是要相应求出并加以显示。 2.3.1 有功功率 有功功率 p 的定义为: dttitu t dttp t tt t tt t + = 0 0 0 0 )()( 1 )( 1 p 若每周期采样 n 点，则将上式离散化为： = = n n n n ninuninu n 11 )()( 128 1 )()( 1 p （w） 这要求电流和电压必须同时采样才能保证 p 的正确性。 2.3.2 视在功率 视在功率: = = 127 0 2 127 0 2 )()(i*us nn ninu （va） 2.3.3 功率因数 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 功率因数:cos s p = 2.4 频率的测量 电网频率的测量计算通常都是通过测量周期的方法来实现的。 该 方法是通过硬件检测输入波形的过零点， 控制计数器计数的方法以实 现频率偏差的测量， 这种方法的优点是编程比较方便， 其主要缺点是， 需要较大的硬件开销，并且当输入信号中含有谐波较多时，测量误差 较大。 另外还有一种测量方法， 该方法提出了一种首先对用交流采样法 得到的采样数据信号进行数字滤波，滤出其中的基波后，通过插值求 波形过零点的时刻，进而求其相应周期的方法。在此基础上，只要求 出周期 t 的倒数就可以得到电网的频率。只要保证采样速率足够高， 即可以使测量和算法具有很高的精度和效率。 两种方法都有一定的优 点，可以根据实际情况结合使用。 在本设计中使用的是第一种方法。 第三章第三章第三章第三章 电能质量监测仪的硬件设计电能质量监测仪的硬件设计电能质量监测仪的硬件设计电能质量监测仪的硬件设计 硬件设计是系统实现的基础，必须要严格设计。本装置采用 ti 公司的 tms320lf2812 芯片作为硬件设计的基础，实现电能质量中多 个参数的计算任务。为了满足自动化发展的要求，本系统提供了液晶 显示界面、键盘控制等，同时提供了通讯接口，以实现与其它系统的 信息共享。 硬件的整体框图如图 3.1 所示: 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 3.1 tms320lf2812 的功能简介 (1).tms320f281x 系列 dsp 采用高性能的静态 cmos 技术：主频达 150mhz(时钟周期 6.67ns )；flash 编程电压为 3.3v。 (2).支持 jtag 边界扫描接口。 (3).高性能 32 位 cpu:哈佛总线结构；4mb 的程序擞据寻址空间。 (4).三个外部中断。 (5).两个事件管理模块，每一个管理器模块包括：两个 16 位的通用 目的定时器；三个捕捉单元，捕捉外部事件； (6).串口通信外设： 串行外设接口(spi )； 两个 uart 接口模块(sci)。 (7).12 位模数转换模块。 3.3 采样电路 为了测取 50 次以内的谐波，采样频率必须要大于 5000hz。为 了增加精度和便于谐波分析，我们采用 640ohz 的采样频率，即每周 波采样 128 点采样。 3.3.1 模拟输入前端通道 为了尽可能使采样到 dsp 的信号逼近于原始信号， 本监测仪应选 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 择精密电压互感器和精密电流互感器进行测量， 同时还要保证它们具 有较高的线性度和较小的相移。 在模拟通道的前端通过精密电压和电流互感器对电网信号进行 采集，具体电路如图 3.2 所示。 -12v +12v c18 0.1uf c19 0.1uf r48 10k 8 5 2 3 4 6 7 1 u2 v- 4 v+ 5 + 3 - 2 m 1 uv vsm025a 8 5 2 3 4 6 7 1 u1 r54 100 r55 10k c33 0.1uf c34 0.1uf +12v -12v r66 5k v- v+ +12v -12v r57 10k ri40.32k 图 3.2 电压传感器部分 霍尔电压传感器 vsm025a 系列，应用霍尔效应闭环原理的电压 传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波 形的电压。 基本参数： 原边额定输入电流 10ma， 原边电流测量范围 0 14ma；匝数比 3000:1200=2.5:1 ；原边线圈内阻 380，副边线圈 内阻 110。测量电压时，ri 电阻串联在传感器原边回路上，为使 传感器达到最佳精度，尽量选择 ri 的大小使输入电流为 10ma 左 右。 此传感器适用于测量 10500v 电压。 为确保测量电阻的稳定性， ri 的功率为额定功率的 4 倍以上（一般在 10w 以上） ，在系统中 ri 采用水泥电阻，阻值选为 40.32k，功率 10w。 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 +12v -12v c29 0.1uf c30 0.1uf r5310k 8 5 2 3 4 6 7 1 u6 + 1 0 2 out 3 uc hfm015npt 8 5 2 3 4 6 7 1 u5 r60 10k r61 10k r62 10k r6310k r64 16k c35 0.1uf c36 0.1uf +12v -12v +5v r58 10k 图 3.2 电压互感器部分 hfm015npt 是应用霍尔效应的闭环电流传感器，初、次级之间是 绝缘的，可用于测量直流、交流，脉冲电流以及各种不规则波形的电 流。原边额定输入电流 15a，原边电流测量范围 048a；取样电阻 500.5%；副边额定输出电压 0.6250.5%；匝数比 1:1200。零点 失调电压 2.51% v。当初级额定输入电流为 15a，额定输出电压 2.5 0.625v。 3.3.2 抗混叠滤波器 为了避免频谱混叠产生， 电压和电流互感器采集进来的信号必须 经过抗混叠滤波器。 抗混叠滤波电路实质就是迫使信号通过一个有限 带宽的低通滤波器，该滤波器的截止频率为奈奎斯特频率(采样频率 的一半)。本谐波测量系统在信号每个周期采样 128 点即采样频率为 12850=6400hz(电力信号的基波频率为 50hz)，所以抗混叠滤波器 的截止频率为采样频的一半即为 3200 hz。而在实际应用中，截至频 率应视具体况而定。 本文的抗混叠滤波器采用四阶巴特沃斯低通滤波 器。它是由三个二阶低通滤波器串联组成。 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 r3 r1 r4 r2 c1c2 +v -v vo vi 二阶低通滤波器 其传递函数： 1)1 ( 1 ) 11 ( 1 2211 22211 2 2211 + + = scrcrk crrrc scrcr k v v i o （式 3-1） 其中 3 4 3 43 1 r r r rr k+= + =，k 为增益 式 3-1 还可以记作 22 2 cc c i o csbs kc v v + = （式 3-1） 2211 2 1 crcr c c =，)1 ( 1 ) 11 ( 1 22211 k crrrc b c += c 为截止角频率，b、c 为巴特沃斯滤波系数，由文献可查得，c 可 取为 1。 2 c近似于f c 10 ，整个系统的传递函数增益为 1 即 3 r很大， 4 r很小。 3.3.3 同步采样和锁相环电路 3.3.3.1 同步采样 对于周期信号的谐波分析，通常采用的是同步采样技术。因为在 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 理论上当满足每周期采样点 n2m(m 为周期信号的最高谐波次数)和 实现了严格的同步采样， 才能够准确的求出各次谐波的幅值和相角并 复现原波形。 当对有限带宽的周期信号采样后的截断长度不准确是信 号周期的整数倍时，就产生了同步误差，即产生了所谓的泄漏效应。 为了减少泄漏误差， 必须尽可能使采样频率与电力信号基波频率同步 的技术。 采用的同步采样技术有着不同的方法， 其中一种方法如下图所示 这种方法的基本原理是:把过零检测器用于检测电压波形的负向过零 点，并向系统中的微处理器申请中断，根据两次中断之间的时间，计 算出电压波形的周期，然后按预置的采样点数，计算出两个采样点之 间的时间间隔，通过软件设置给出启动采样的同步脉冲。这种方法的 特点是硬件简单、速度快，但对于畸变波形的信号过零检测器容易产 生误动作，而且抗干扰能力差。再者，测量周期用波形和实际采样的 波形不一致， 中间要隔过几个周期， 此时若有被测信号的频率的抖动， 将会产生很大的误差，适用于被测波形畸变较小且较稳定的地方。 另一种方法是锁相环路来控制采样的定时和速率， 从而达到同步 采样的目的。如图 所示。这种方法的基本原理是:锁相环路中的压控 振荡器的输出经分频器分频，变成一种接近输入同步基频的参考脉 冲，在相位比较器的输入端直接跟输入同步信号进行比较，相位比较 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 器的输出是比例于参考信号和输入同步信号之间的相位差的直流分 量，用于控制压控振荡器的振荡频率，当达到锁相状态时，即可实现 同步采样。它的优点在于微处理器摆脱了对同步采样的干预，且能实 时地跟踪采样。缺点是，同样存在测量畸变波形时存在较大误差，而 且锁相环对频率的跟踪是动态的跟踪，其误差不稳定。再者，由于延 迟、漂移等可引入新的误差，且硬件较复杂。 为了抑制同步误差， 人们提出了许多改进的方法， 有准同步采样、 加窗、插值技术等。这些方法显著特点就是其采样周期不要求与被测 信号周期严格同步。但要把同步误差限制在一个比较小的范围内，需 要较长的运算时间和较大的存储容量， 这影响了测量的实时性。 另外， 还有一种简便、高精度、误差稳定的同步采样方法一定频采样方法。 它包括三个主要部分: (1)数据的采集；(2)周期的测量；(3)线性插值及 fft 算法。 (1)数据的采集 其基本原理为:微处理器以工频 5ohz 为基础，根据设定的采样 点数预先计算好时间间隔，不考虑采样与被测信号的同步关系，通过 由低通滤波器、采样保持、模数转换等组成的数据采集系统，连续等 间隔采样大约两个周期的数据， 这是以保证所收集到的数据中至少包 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 含一个整周期的数据。 (2)周期的测量 周期测量软件包括两部分:(1)过零点寻找;(2)周期开始与结束 的判断。 过零点的寻找:软件通过扫描数据，找到过零点所在的区域，即在正 负数据转换的采样间隔内，具体的过零点的位置如图所示，其中 t 为 周期，t0 为采样间隔。 )21/(21xxxt+=，)43/(32xxxt+= 依次方法可以找到所采集的数据断中的所有过零点。 周期开始与结束的判断:对于一个理想的正弦波，在三个过零点 之间就是一个整周期， 但对畸变严重的波形有可能在一个周期内出现 三个以上的过零点，通过判断相邻过零点之间数据的累加和，可以准 确的找到周期开始与结束， 因为周期开始处的两个相邻的过零点之间 的波形和周期结束处的两个相邻过零点的波形是重复的。 具体方法是: 将第一个过零点作为周期的开始， 并计算第一和第二个过零点之间的 数据的累加和，记作 suml；从第二个过零点开始，依次计算相邻的 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 过零点之间的数据的累加和， 例如第二和第三， 记作 sum2， 比较 suml 和 sum2 的差值，若差值在一个很小的范围内，说明波形重复开始， 则认为累加和 sum2 的起始点过零点就是周期的结束位置。经计算 机仿真，给出判别公式: 05. 01/21sumsumsum 整个周期的计算公式为: 0) 1(21tmttt+= 线性插值及 fft 算法:fft 算法要求一个周期内的采样点数是 n 2， 但定频采样所得到的一个周期内的采样点数 m 可能不是 n 2， 为了满足 fft 算法的需要，软件通过测得的周期重新计算采样间隔:t0=t/n， 然后对一个周期内的 m 个数据等间隔线性插值成 n n2=等效数据。 本监测器考虑到为了使仪器具有更好的灵活性， 特采用了锁相环 路法和定频采样算法结合使用，以保证同步采样的准确性和实时性。 3.3.3.2 锁相环电路 为了能够在信号的一个周波内采样 128 点，就必须设计一个锁 相环电路，同时为了能够对对信号进行倍频，还必须把输入的信号变 成方波信号，这就需要方波转换电路。 2 3 4 1 8 u5a lm393ad +5v r21 5.1k r22 5.1k r23 100k r24 100kr25 5.1k r26 20m r27 10k d1 in4148 in +5v c39 0.1uf 图 3.4 方波转换电路 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 因为要保证每个工频周波中对信号进行 64 次采样，而且要保证 所采样的点都在同一周期内， 即要保证采样的的第一个点是一个周期 的开始，而最后一个点是周期的结束，所以我们设计了锁相环电路， 如图 3.5。 clk 10 rst 11 q12 1 q11 15 q10 14 q9 12 q8 13 q7 4 q6 2 q5 3 q4 5 q3 6 q2 7 q1 9 vdd 16 gnd 8 u3 cd4040bcn vco in 9 comp in 3 sig in 14 vco out 4 ph comp1 out 2 ph comp2 out 13 zen 15 dmd out 10 c1a 6 c1b 7 inh 5 ph pulse 1 r1 11 r2 12 vcc 16 gnd 8 u4 cd4046bcn +5v c34 0.1uf c35 0.1uf +5v r31 1m c36 2.2uf r30 10k r28 220k c38 vcc 14 gnd 7 a 1 b 2 y 3 u7a out sig in vco out vco out comp in c1a c1b dmd vco in r32100k +5v 图 3.5 锁相环电路 由图 3.5 可知，这个锁相环电路由锁相环集成芯片 cd4046 及分 频器 cd4040 组成。经图 3.4 电路调理的方波信号 sig in 作为频率跟 踪的输入信号，通过内部位比较器与加法计数器 cd452o 的分频信号 作相位比较，加控制电压于内部压控振荡器 vco 的输入端，使得压控 振荡器的输出频率不断调整，最后使得输出信号 vco out 频率为输入 信号 sig in 频率的 128 倍。最后 vco out 和 ph pulse 经过一个与门， 这样获得的输出信号 out 就可以用来实现每周期 128 点的采样控制。 在方波转换电路和锁相环电路之间要加一个电压跟随器，将方波 转换电路和锁相环电路隔离开，要不然整个电路不能正常工作。 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 3.3.4 高速六通道同时采样 a/d 转换器 ad7656 是高集成度、6 通道、16bit 逐次逼近(sar)型 adc，它具 有最大 4 lsbs inl 和每通道达 250ksps 的采样率，并且在片内包含 一个 2.5v 内部基准电压源和基准缓冲器。该器件仅有典型值 160mw 的功耗，比最接近的同类双极性输入 adc 的功耗降低了 60。 ad7656 包含一个低噪声、宽带采样保持放大器(th)，以便处 理输入频率高达8mhz的信号。 该ad7656还具有高速并行和串行接口， 可以与微处理器(mcu)或数字信号处理器(dsp)连接。 ad7656 是具有独立的六通道逐次逼近型(sar)的模数转换器， 转换处理和数据的精度是通过 convst 信号和一个内部晶振控制的。 3 个 convst 管脚允许 3 路 adc 对独立同步采样。 当 3 个 convst 管脚连 接到一起时，就可以进行 6 个通道的同步采样。 ad7656 可以支持输入10v 双极信号，按照经典的设计理论，需 要对前端信号进行抗混叠滤波。为了满足 16bit 精度的要求，前端要 选用高精度并且可以处理10v双极信号的运算放大器作信号处理和 滤波。 在 ad7656 的设计中，vdd和 vss主要作为采样保持开关工作的电 源， 。一般设计时，需要保证大于 vinx 模拟输入端的输入电压范围， 才能保证 ad 可靠工作由于 ad7656 对于 vdd 的纹波比较敏感， 会直接 影响采样得到的精度，所以要考虑较好的滤波系统。 3.3.5 数值关系： 电压互感器： 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 adv in v v = 518. 21005 . 2 1032.40 3 电流互感器： adi in v i = +52. 26 . 1 1200 50 5 . 2）（ a/d 测量范围:（-10，+10）v a/d 转换后范围: 10000，01111=8000，7fff )65535( 12 20)( 16 = = （数字） 模拟 d vad 所以 dvad= 65535 20 所测量值 v du = 5 . 2100518. 265535 1032.4020 3 24)5 . 2 52. 265535 6 . 120 ( = i d i 3.4 键盘电路 考虑到 dsp 计算的任务繁重，为了节约能源，而且照顾到抗干扰 和扩展问题，键盘接口采用独立式按键，共有六个键进行控制。 3.4 液晶显示器 hb128128m1 简介 主要特色： 电源操作范围：2.73.6v；提供 8 位并行及串行 mpu 界面； 自动电源启动复置 （reset） 功能； 提供外部复置触发接脚 （xreset） ； 绘图及文字画面混合显示功能；软件控制背光开启及闭合；低 功耗省电设计（微安级） 。 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 由于模块本身已自带智能程式，上电后，即可自动复位并进行初 始化设置。同时在接口提供一复位引脚，可提供用户进行软件复位控 制或硬件复位控制。 硬件接口： 用户硬件接口有两种模式可供用户选择： 采用 req/busy 握手通讯协议，简单可靠。 采用标准 rs232 接口，缺省速率为 9600bps，可以调节。 引脚定义： 3.6 串行通讯接口 为了更好的对测量数据进行处理和保存测量结果， 我们为该监测 仪设计了串行通信接口，以便对测量数据作进一步后续处理。 tms320lf2812 dsp 上的串行通信接口模块(sci)为我们设计通信提 供了方便。sci 模块支持 cpu 与其它使用标准格式的异步外设之间 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 的数字通信。sci 接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有它自己单 独的使能和中断标志位。两者可以独立工作，或者在全双工的方式下 同时工作。 在本监测仪中，我们采用全双工异步通信格式操作，数据格式是 一个启动位， 八位数据位， 一个奇偶校验位， 一个停止位， 采用 9600bps 的通讯波特率，接口电平采用 rs232 形式。由于 max232 芯片+5v 供电，而 tms320lf2812 采用+3.3v 供电，所以在 max232 与 tms320lf2812 之间需要加入电平匹配电路。具体连线图如图 3.10 所示。 1 6 2 7 3 8 4 9 5 j1 db9f c1+ 1 v+ 2 c1- 3 c2+ 4 c2- 5 v- 6 2cout 7 2cin 8 251out 9 25 1in 10 151 in 11 151out 12 1c in 13 1cout 14 gnd 15 vcc 16 max232 u4 max232 vcc e4 10f e3 10f e6 10f e5 10f scirxd scitxd 10k 10k 20k d1 +5v dsp上 位 上 图中 max232 芯片是将 ttl 电平信号转换成 rs232 规定的电 平信号，scitxd 是 dsp 串行通信口的数据发送口，接 max232 的 发送输入，scirxd 是 dsp 串行通信接口的接收数据引脚，它接 max232 的接收数据。信号经电平转换后将可以与计算机的串口 (db9 口)直接相连，进行数据传输和通信。 为了实现分布式数据采集系统的数据传输问题，我们将寻求一种 传输方式既容易安装又有较好的信号传输质量， 这种方式就是全球移 动通信系统(gsm)，不需要建立有限网络，直接利用 gsm 网络来进 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 行远距离的数据传输，这样不仅安装简单而且还大大节省了资源;同 时这种系统传输数据的可靠性高，信号的覆盖范围大，具有较好的通 信质量。 图 3.11 与上位机通信框图 在图 3.11 中，gsm 调制解调器通过 rs-232 串行接口分别与电 能质量监测仪和上位计算机相连， 上位计算机要对传输过来的数据进 行计算、分析和存储。 第四章第四章第四章第四章 电能质量监测仪的软件设计电能质量监测仪的软件设计电能质量监测仪的软件设计电能质量监测仪的软件设计 软件设计是电能质量监测仪设计的灵魂。 软件的优劣不仅关系到 仪表的监测功能的实现，而且涉及到监测仪的可靠性和使用的方便 性。在这一部分，我们将重点介绍傅里叶变换，使读者能对傅里叶变 换的原理及最终实现方法都有一个清晰的认识。 4.1 软件总体流程 程序的流程可以表述如下:开始对程序初始化， 包括系统初始化、 1/0 口设置初始化、外围设备控制初始化和各种标志寄存器初始化: 然后显示开机界面，等待几秒钟，显示操作界面；查询是否选择了操 作功能，如果没有选择，则继续查询。如果选择了操作功能，则查询 确认键是否按下，如果确认键按下则记录下操作代码，并进入下一单 元，否则返回到查询状态；当确认键按下后，读取操作代码，根据操 作代码值调用子程序(这其中包括 a/d 转换子程序， 捕获中断子程序， 傅里叶变换子程序等)；当子程序处理完毕后调用显示界面；最后返 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 回操作界面。 开始 初始化 显示开机界面 显示操作界面 选择操作功能 确认键按下 显示操作界面 显示操作界面 显示操作界面 返回操作界面 图 主程序流程图 n y y n 青岛理工大学毕业设计（论文） 第 页 4.2 数据的表示方法和长度的确定 数据的表示方法主要有两种:定点制数和浮点制数。定点制数优点是 快速简单，只有乘法才出现舍入或截