基于DSP的智能电力参数测试仪的研究毕业设计论文1.doc

大学大学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题目：基于基于 dspdsp 的智能电力参数测试仪的智能电力参数测试仪 的研究的研究 学 生 姓 名： 学号： 学 部 （系）： 机械与电气工程学部 专 业 年 级： 电气工程及其自动化 指 导 教 师： 职称或学位：高级工程师 年 5 月 31 日 1 目录 摘 要3 abstract.4 1. 绪论绪论.5 1.1 课题的目的与意义 6 1.2 课题发展现状和前景展望 6 1.3 本论文的研究内容 6 2. 电力参数测量原理电力参数测量原理.7 2.1 电压电流有效值的测量 7 2.2 频率的测量 7 2.3 基于傅立叶变换的谐波分析法 8 2.3.1 算法原理8 2.4 功率的测量 10 2.5 本章小结 11 3. 系统硬件设计系统硬件设计.11 3.1 系统总体方案设计 11 3.2 信号采集部分设计 12 3.2.1 电压和电流的检测与调理电路12 3.2.2 频率测量电路13 3.3 模数转换部分设计 14 3.4 处理器部分设计 15 3.4.1 tms320vc5502 的主要外设15 3.4.2 tms320vc5502 的主要特性.16 2 3.5 外部存储器电路的设计 16 3.5.1 sdram 接口电路设计17 3.5.2 flash 接口电路设计 .17 3.6 通信接口部分设计 17 3.7 键盘和显示部分设计 18 3.7.1 键盘电路设计18 3.7.2 显示电路19 3.8 本章小结.20 4. 系统软件设计系统软件设计20 4.1 主程序设计.20 4.2 数据采集程序 22 4.3 数据处理程序 23 4.4 通信模块 24 4.5 键盘和显示模块程序 26 4.6 本章小结 27 5. 系统误差分析系统误差分析.27 5.1 误差分析 27 结论28 参考文献29 致谢31 附录32 3 基于 dsp 的智能电力参数测试仪的研究 摘 要 电力参数的准确、快速测量对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经 济运行具有重要的意义。近年来随着电力电子技术的发展，各种非线性负载在 生产和生活中得到广泛应用，这些负载的非线性、冲击性和不平衡性使电网供 电质量曰趋恶化，电力参数已成为人们掌握供电线路状态和评价供电质量的重 要指标。采用数字信号处理技术进行电力参数的测量，在提高测量精度、实时 性和智能化方面具有独特的优势。 本文首先对电力参数测试仪的发展状况和背景做了综述。对频率、谐波、电 压和电流有效值及其他电力参数测量原理进行了详细的理论阐述。本文频率测 量方法是硬件测量法。对于功率的测量，本文采用间接测量算法。接下来，对 基于 dsp 的电力参数测量仪器的总体设计方案进行了介绍。仪器整体分为两大 部分：数据采集和处理系统、数据显示和存储系统。其中硬件部分主要包括信 号采集和模数转换部分电路、处理器及外围电路、存储器扩展电路、键盘显示 电路。采用 ti 公司的 tms320vc5502 芯片作为主处理器。软件部分主要包括主 程序、数据采集、数据处理等模块。该装置可用来测量单相、三相交流电路的 电压、电流、频率、功率因数、有功和无功功率、视在功率等参量；可对谐波 进行实时测量及分析。 最后，通过对装置进行误差分析，基本达到预期的设计目标。 关键词关键词：电力参数；频率；谐波分析；dsp abstract it is very significant that accurate and quick measurement of the electric power parameter for realizing the automation of power network 4 dispatching and guaranteeing the safe operation of power networkwith the development of modem power electronic technology,nonlinear loads are extensively applied in production and lifetheir nonlinearity,impact and imbalance make power quality wopse and worseelectric power parameters become very important for people to grasp power supply line state and appraise electric qualitymeasuring electric power parameters by digital signal processing technology has superiority in improving measurement precision and real-time performanceat the same time，digitization measurement makes the measurement system more intelligent first,this paper introduces the development status and background of electric power parameters test instrument overallthe paper this frequency measurement method is hardware measuring methodin harmonic analysisthe improvement of fast fourier transform the dual spectrum lines interpolation method.this paper adopts the indirect measurement algorithm for the reactive power measurement through the comparison of simulation resultsthen the overall design scheme for the electric power parameters test instrument based on dsp is introducedthe instrument consists of two main parts：data acquisition and processing system，data display and storage systemthis paper mostly complete the hardware and software design of the data acquisition and processing systemthe hm-dware part signal acquisition circuit 5 、mostly includes adc circuit，processor and peripheral circuit， tms320vc5502which is the product of ti is adopted as the main processor,the software part mostly consists of main program，data acquisition，data processing and communication modules procedure designthis instrument tail measure voltage，current，frequency，power factor,active power and reactive power，apparent power etcit can realize realtime measurement and analysis of harmonic. finally，through the analysis of the whole simulation device, the basic design of the desired goal key words：electric power parameter；frequency；harmonicanalysis；dsp 第第 1 章：绪论章：绪论 1.1 课题的目的与意义 通过本课题的训练，培养学生在电气工程及其自动化专业方向分析问题、 解决问题的能力。掌握基于 dsp 的智能电力参数测试仪的设计方法 1.2 课题发展现状和前景展望 目前国内外电力参数测量的基本情况 6 在工业生产和日常生活中，电能的质量越来越受到重视。电网的电流、 电压过低过高。均可能影响电器设备的正常使用功效及设备寿命，严重的还会 危及人身安全。应用于电力系统的电力参数实时测量功能，在变电站一级一般 都由远动装rtu(remote terminal unit)来实现；而在普通应用环境中由于侧重 于电量的计量功能则多采用电能表来实现，主要是通过将有功功率对时间积分 的方式进行有功电能的计量。 目前，在我国得到广泛使用的电能表有两种：一种是感应式机械电能表， 它是利用三个不同空间和相位的磁通建立起来的交变的移进磁场，在这个磁场 的作用下，转盘上产生了感应电流，根据楞次定律，这个感应电流使得转盘总 是朝一个方向旋转。转盘的转动经蜗杆传递到计数器，累计转盘的转数，从而 达到计量电能的目的。另一种是近几年随着电子工业的发展而出现的电子式电 能表，它是利用电流和电压作用于固态电子器件而产生电能输出量的电能计量 仪表。机械式电能表由于自身的机械特性导致其稳定性和精度都不尽人意，随 着电力市场化改革的不断深入，我国的国电网、省电网在各级电能计量数据采 集系统建设中，大部分已将其更新为电子式电能表。 结合电力市场运作和管理的实际需要，当前电能量计量仪器的测量已经从 简单的有功电度和无功电度测量发展到测量电压(相电压平均值)、电流(相电 流平均值1、功率因数、工频频率、无功功率、视在功率、单相或双向电能量、 预测热需求、谐波、对称分量，以及其它电力参数值的测量，如相序转换、 电压电流非平衡、分时段。而完成的功能也由传统的计量发展到多条记录存 储、可与计算机进行数据交换、可进行远程实时测量(有线或无线)等。 目前市面上的一些智能型的电力参数测试仪，多采用一片普通单片机 cpu(往往是8位机)，同时完成电力参数的计算和整个仪表系统的管理任务，再 加上输入变换、ad转换以及字长等诸多环节的影响，致使仪器的整体精度和 准确度越来越不能满足日益提高的性能要求。还有一些厂家采用模拟数字变 换型电能测量专用芯片(如ad公司的ad7755系列芯片和atmel公司的at73c501芯 片组)开发出来的产品，虽然在电能计量上取得了很好的精确度，但整体应用范 围较窄，无法实现功能的多样性，移植性较差，对于高速实时信号处理也不适 合。 dsp技术的高速发展为电力参数测试技术带来了新的变革，特别是在电力系 统电压和电流的高次谐波的测量和分析，非正弦情况下的有功电能和无功电能 的计量方面，dsp的应用成为了目前电力参数测试仪器开发的最新趋势 我国虽然引进了国外一些多功能电力参数测试仪器，但其在功能、价格、 维护等方面不能完全适合我国现阶段的需要，因此迫切需要一种高质量、高可 靠性、功能齐全、价格低廉的多功能电力参数测试仪。近几年来随着半导体技 术的飞速发展，新技术、新产品不断问世，使开发新式多功能电力参数测试仪 成为可能。 本课题的研究工作就是在此背景下展开的。 1.3 本论文的研究内容 本文主要针对我国电力系统供配电的实际情况，在分析电力参数测试仪器 的现状和传统测试仪器存在的问题的基础上，开发出一个基于dsp的电力参数综 合测试装置，实现多种电力参数的实时测量。该装置可用来测量单相、三相交 7 流电路的电压、电流、频率、功率因数、有功和无功功率、视在功率等参量； 可对谐波进行实时测量及分析。 本文的主要研究内容包括： 1、分析电力参数测试仪器的国内外发展现状，指出开展电力参数综合测试仪器 研究的重要意义。 2、对谐波测量的方法进行深入的分析和讨论，提出用双谱线插值算法进行谐波 分析， 3、研究分析其他各参数的测量方法， 4、进行基于dsp的软、硬件设计。 5、对系统进行误差分析。 第 2 章电力参数测量原理 2.1 电压电流有效值的测量 若以采样周期对瞬时电压、电流在一个采样周期内采样n个点，则离散的 s t 电压电流有效值的计算方法如下 电压有效值： （2.1） 1 0 2 )( 1 n n nu n u 电流有效值： （2.2） 1 0 2 )( 1 n n ni n i 式中：n-一个周期内采样点数 u、i-电压、电流有效值 、-电压、电流瞬时采样值)(nu)(ni 2.2 频率的测量 频率是指单位时间内事物周期性运动的次数。在电力系统稳定运转的状态 下，负荷功率的增减，发电机出力的变动不断发生，系统中不同节点的频率产 生不同程度的波动，这是一种企求系统能量均衡的动态过程，在不破坏系统稳 定的前提下，在各节点同时检测，不易觉察到波动的差异。从概率统计的意义 上，各节点的频率是相等的，并在作同步的变化。在此条件下，任一点测得的 频率，均为系统频率。 电力系统频率一方面作为衡量电能质量的指标，需要加以动态监测，另一 8 方面作为实施安全稳定控制的重要状态反馈量，要求能实旄重构。另外，频率 同步也是实现高精度谐波分析的重要措施之一。 本文采用的测频方法是硬件测频法，它的实质就是周期法。 首先，需要专门测频电路，首先采用前置低通滤波器，滤除电压(电流)信号 中的谐波分量，以避免测量结果受到谐波的影响，增加了硬件投资。它存在一 定的缺陷，但实现电路简单，响应快，计算机计算量小。本设计将三相电压电 流6路信号中的一路电压信号送入到过零比较器得到与电压信号频率相同的方波 信号输出，由dsp的捕获脚捕获信号上升沿，利用系统时钟计算出两个上升沿之 间的时间，从而计算出频率。信号周期，将信号周期n等分，就可得到 1 t f 信号的采样间隔，从而实现采样频率对系统频率的跟踪。 2.3 基于傅立叶变换的谐波分析法 快速傅立叶算法理论比较成熟，是目前谐波测量中最基本的方法。针对fft 算法存在的栅栏效应和频谱泄露现象造成的测量误差，可以通过选择适当的窗 函数抑制泄露现象，也可以根据所选窗函数的形式对幅值和相位进行插值修正， 在一定程度上弥补栅栏效应造成的误差。本文采用在对加窗后进行插值的双谱 线插值算法，该方法能极大地提高fft计算的精度，从而满足谐波测量中对谐波 参数的精度要求。 2.3.1 算法原理 设一个频率为、幅值为a、初相位为的单一频率信号x(t)，在经过了采 0 f 样频率为的模数变换后得到如下的形式的离散信号： s f （2.3） 0 ( )sin(2) s f x na f 如果所加窗函数的时域形式为w(n)，其连续频谱w(f)，则加窗后该信号2 的连续傅立叶变换为： （2.4） 2 00 2 ()2 () ( )( ) ( )()() 2 jfnjj n ss ffffa x fx n w n ee wew jff 如果忽略负频点-处频峰的影响，在正频点处附近的连续频谱函数可 0 f 0 f 以表达为： （2.5） 0 2 () ( )() 2 j s ffa x fe w jf 对上式进行离散抽样，即可得到它的离散傅立叶变换的表达式为： 9 （2.6） 0 2 () ()() 2 j s k ffa x k fe w jf 式中离散频率间隔为，n是数据截断的长度。 s f f n 峰值频率很难正好位于离散谱线频点上，也就是说一般不是整 00 fkf 0 k 数。设峰值点左右两侧的谱线分别为第和条谱线，这两条谱线也应该是峰 1 k 2 k 值点附近幅值最大和次最大的谱线。显然，在离散频谱中找 1021 1kkkk 到这两条谱线，从而可确定和令这两条谱线幅值分别是和 1 k 2 k 11 ()yx kf 则由式(2.6)可知： 22 ()yx kf （2.7） 10 1 20 2 (2 () ) (2 () wkk y n wkk y n 由于，所以可引入一个辅助参数口。显然， 01 01kk 01 0.5kk 的数值范围是，它是以原点为对称的。这样，将式（2.7）经过变0.5,0.5 量代换和改写后，可以得到： （2.8） 21 21 (2 (0.5)(2 (0.5) _ (2 (0.5)(2 (0.5) ww nnyy wwyy nn 令，并且当n较大时，式（2.8）一般可简化为， 21 21 () () yy yy ( )g 其反函数记为。当窗函数w（n）为实系数时，其幅频响是偶 1( ) g (2)wf 对称的，因而函数及其反函数是奇函数。 g 1 g 计算可以采用多项式逼近方法。多项式逼近是一种近似计算复 1( ) g 杂连续函数值的数值方法。通过控制多项式逼近的次数，可以有效地控制逼近 的精度。而且，随着硬件乘法器在微处理器中的广泛应用，多项式逼近的计算 公式易于采用程序代码实现。当采用切比雪夫多项式逼近奇函数时，所 1 g 求多项式的偶次项系数将为0，这样就进一步减少了乘法计算量。 在对幅值进行修正时，直接对和两根谱线进行加权平均，从而计算出 1 k 2 k 实际的峰值点的幅值。其计算公式为： 10 （2.9） 1020 12 1020 21 (2 ()(2 () (2 ()(2 () 2() (2 (0.5)(2 (0.5) wkkwkk aa nn a wkkwkk nn yy ww nn 式（2.9）中对两根谱线采用的权重与各自的幅值成正比。对于一般的实系 数窗函数，当n较大时，式（2.9）可进一步简化为的形式， 1 12 () ( )anyy v 其中是偶函数。如果采用多项式逼近求出函数的近似计算公式，结果( )v v 中将不含有奇次项。这样修正算法的计算公式可改写为： （2.10） 122 21022 ()(.) l l anyybbb 式中，为多项式的偶次项系数。 0 b 2 b. 2l b 由于在寻找插值点时用到了峰值点附近的两条谱线，因此称该方法为双谱 线插值算法。当采用一些典型的窗函数时，可由上述的多项式逼近和双谱线修 正算法推导出幅值、相位的简单实用的修正公式。由于本装置采用加汉宁窗的 修正算法，现把加汉宁窗的修正公式列出： （2.11 1246 21 1.5 ()(2.35619403 1.155436820.32607830.07891461) arg()( 1) 0.5)(1,2) 2 i i anyy x kfi ） 2.4 功率的测量 对于功率的计算包括有功功率、无功功率、视在功率、功率因数的计算， 功率的测量. 在正弦波情况下，有功功率为: （2.12）cos( )pui 其中： u、i-电压和电流的有效值， -功率因数。cos( ) 而在存在谐波的非正弦情况f，有功功率定义为： （2.13） 0 1 t puidt t 11 经离散化后，以一个周期内有限个采样电压和电流瞬时值来代替一个周期 内连续变化的电压和电流函数值，则单相有功功率离散化后得： （2.14） 1 0 1 ( ) ( ) n n pu n i n n 其中：p-有功功率 n-个周期内采样点数 、-电压、电流瞬时采样值)(nu)(ni 三相总的有功功率为各单相有功功率之和: （2.15） 111 000 1 ( ) ( )( ) ( )( ) ( ) nnn aabbcc nnn pu n i nu n i nu n i n n 单相视在功率的测量： （2.16）ius 其中：u、i-电压、电流有效值 视在功率为各单相视在功率之和： (2.17) aabbcc su iu iu i 无功功率为： （2.18） 22 psq 根据已经所得的有功功率和视在功率，可得功率因数： （2.19）cos( ) p s 2.5 本章小结 本章主要从理论上分析了本装置所需测量的电压电流有效值、功率等的测 量原理，并给出了具体计算公式。 第 3 章系统硬件设计 3.1 系统总体方案设计 电力参数综合测试仪的总体结构如图 3.1 所示： 12 tms320vc5502 处理器 显示和键盘电 路 存储电路 信号采集和转 换电路 通信电路 图 3.1 总体结构图 整个系统分为两大部分：数据采集处理系统和数据显示与存储系统。其中， 数据采集处理系统主要负责从电网中采集各种数据，完成各种数据处理工作。 数据显示与存储系统主要完成测量数据的显示、存储工作。两部分之间通过串 口进行数据传输 数据采集处理系统是整个测试装置设计中最为重要的一部分，仪器的绝大部 分测试功能都依靠这一部分来实现。 数据采集处理系统的硬件平台由一片dsp(tms320vc5502)，结合众多的外围 接口芯片组成的，它主要有以下几个模块组成： 处理器模块：由dsp芯片tms320vc5502及相应的外围电路组成，主要用来控 制数据采集和处理系统，完成数据处理工作。 信号调理模块：由电压电流互感器、滤波电路、换档电路等组成，主要完 成信号的变换和调理。 模数转换模块：由a/d转换芯片ads8364组成，该模块主要用于实时采集电 网参数。 存储器模块：由sdram芯片hy57v6432200ct和flash芯片39vf400a组成。该 模块主要用于扩展外部存储器，存放程序代码和数据。 rs-232通讯模块：由电平转换芯片以及相应的外围电路组成。该模块主要 用于数据采集处理系统和数据显示系统的通讯。 键盘和显示电路:是人工干预系统的主要手段，与显示器同属人机通信部分。 13 3.2 信号采集部分设计 3.2.1 电压和电流的检测与调理电路 电压和电流的检测与调理电路的主要功能是把互感器输出的 ma 级弱电流 信号转化成适合 dsp 采样的电压信号。互感器构成了信号检测部分，电压单元 为电压互感器 pt，电流单元为电流互感器 ct，具体电路如图 3.2 和图 3.3 所示。 下面说明电流采样电路，电压采样电路和电流采样电路类似，在这里就不多做 说明了。 由电流互感器副边输出的是交流信号，存在正负特性。此电流信号经过电 阻采样后转化为-3.3v+3.3v 之间的电压信号，由于所用的 ad 转换器是单 极性的，而电流检测信号是双极性的，故交流模拟量信号在经过电流、电压转 换后，还要进行电平转换， ad 转换器的参考电压为+3.3v，因此偏移电压取 1.65v，使得偏移后的信号范围在 0 至+3.3v 之间。再把信号送入到 ad 转换 口。 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 rp1 + - + - lm324 +5v -5v lm324 +5v -5v -1.65v 图 3.2 电流采样电路 r30 r31 r32 r33 r34 r35 r36 + - + - lm324 +5v -5v lm324 +5v -5v -1.65v pt 1:1 rp4 14 图 3.3 电压采样电路 3.2.2 频率测量电路 由于系统的测量是通过对信号进行周期采样的方法来实现的，因此其准确 性不仅来源于采样的准确性还来源于系统频率测量的准确性，因此加入测频电 路是必不可少的。测频电路设计如图 3.4 所示： 选择三相电压电流 6 路信号的其中一路作为基准进行跟踪，这里选择 1 路 电压信号，该电压信号首先经过前端由 lm324 构成的射极跟随器，射极跟随器 起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，然后通过由 lm339 构成的过零比较电路 将其转换成与电压信号频率相同的方波信号以采集频率信息。 r60 r61 r63 + - + - lm324 +5v -5v lm339 +5v -5v r62 r64 r65 cap4 d13 图 3.4 频率测量电路 3.3 模数转换部分设计 数字测量系统的测量精度与ad转换器的性能参数有很大关系，ad转换 器是整个数字电路的核心器件，在整个电气测量系统中占有重要地位，因此必 须首先合理地选择ad转换器。 众所周知，ad转换器的种类繁多，性能各异，主要包括以下几种：双斜 积分型、逐次逼近型和闪电式ad转换器。其中闪电式ad转换器速度最快， 价格也最昂贵，但闪电式ad转换器通常准确度、分辨率不高，不宜用在高准确 度采样系统；双斜积分型准确度高、价格低廉，但速度最慢；逐次逼近型居中， 速度较快、价格适中、准确度较高，它的优点是能保证高分辨率、高速转换。 这得益于其结构设计。根据上述分析，在此选用逐次逼近型a/d转换器。 而选择ad转换器需要先确定ad转换器位数及信号的采样频率，所以在设计 硬件电路之前需要确定这两个参数的理论值。由于要研制的测试仪器电压电流 的测试精度预计达到0.05rg(量程)，所以ad转换器位数至少要达到12位。 同时，本装置在设计中，需要在5个周波中采样1024个点，采样频率需要大于 10500hz。 我们要检测的信号包括三相电压、三相电流共6路，在监测中，除了要知道 15 每路信号值的大小之外。还要知道信号彼此之间的相位关系，这就要求采用同 步采样技术来获得准确的信息。同步采样也是信号频谱分析的前提条件。同步 采样模块一般采用多个采样保持器、多路转换开关和高速分辨率的模拟数字转 换嚣来构成，这样构成硬件开销很大，实现复杂，且同步效果不一定理想，如 果能找到合适的ad转换芯片，具有6通道，且6通道能够同时采样，则可以省 去多个采样保持器、多路转换开关，使设计工作大为简化，且使准确度得到保 证。 综合以上因素考虑，我们选择了非常适合本系统设计要求的ads8364数据采 集芯片。ads8364为250khz、6通道同步采样的16位逐次逼近adc，是ti公司专为 同步数据采集系统设计的高速、低功耗ad转换芯片。 ads8364有6个模拟输入通道，分为a、b、c三组，每组包括2个通道，分别 由holda、holdb和holdc启动ad转换。当三个保持信号同时被选通时，六通道 同步采样。模拟电源为单+5v供电，将ads8364的refin和refout引脚接到一起可 以输出+25v的参考电压提供给差分电路。ads8364的时钟信号由外部提供，转 换时间为20个时钟周期，最高频率为5mhz，在5mhz的时钟频率下ads8364转换时 间为3.2us，相应的数据采集时间为0.8us，每个通道的总的转换时间为 4us，a/d转换完成后产生转换结束信号eoc。数字电源供电电压为3v5v，既可 以与3.3v供电的微控制器接口，也可以与5v供电的微控制器接口。ad转换结 果为16位，数据输出方式很灵活，分别由byte、add与地址线a2a1a0的组合控制。 ad转换结果的读取方式有三种：直接读取、循环读取和fifo方式。根据byte 为0或者为1可确定每次读取时得到的数据位数，根据add为o或者为1可确定第一 次读取的是通道地址信息还是通道ad转换结果。 在本系统中，模拟信号采用差分输入方式，要满足双极性输入就需要进 行电平转换，由于采样时已经进行了电平转换。所以可以直接输入到ad转换器 转换。 由于ads8364与tms320vc5502都是，ti公司提供的高速芯片，两者在速度上 能够完全匹配，实现芯片间的无缝连接。 ads8364的byte和add引脚都接地，因此选择16位数据输出方式，并且对每 个通道转换结果的读取通过地址线a2、a1、a0来选择。ads8364的refin和 refout引脚接到一起输出+25v的参考电压。ads8364采用+5v模拟电源(avdd) 和数字电源(dvdd)。为了实现ads8364六个通道的同步采样，ads8364的a、b、c 三组启动控制信号holda、holdb和holdc接在一起，由tms320vc5502的定时器o 的输出信号统一控制，只要定时时间到就可以同时启动ads8364的六个通道，从 而实现六通道的同步采样。转换结束信号eoc通过fpga引入tms320vc5502的中断 引脚int0上，每一次转换完后就引发tms320vc5502中断，vc5502在中断服务程 序中读取16位转换结果。 3.43.4 处理器部分设计 由于本装置在测量中，大量使用乘法累加运算，如有效值运算、功率计算、 fft变换等，选用一般的51系列单片机是无法胜任的，又因为本系统中没有复杂 的控制功能，因而选用了适合于高速数据运算的ti公司的55xx系列dsp中的 tms320vc5502作为主处理器。 tms320vc55x是ti公司推出的新一代定点dsp芯片，tms320vc5502就是基于 16 这一代cpu处理核的定点dsp芯片。它通过提高并行性及降低片内资源的功耗达 到高性能低功耗的目的。cpu的内部总线结构由一条程序总线，三条数据读总线， 两条数据写总线及用于外设和dma控制器的总线构成。这些总线使得c55x能在一 个时钟内完成三次数据读操作和两次数据写操作。 3.4.1tms320vc5502 的主要外设 tms320vc5502内部集成了许多外围设备，以便于控制与片外的存储器、协 处理器、主机及串行设备的通信。其主要外设包括： (1)外部存储器接口(emif) (2)通用异步接受发送器(uart) (3) c控制接口 2 i (4)主机接口(hpi) (5)直接存储器访问(dma)控制器 (6)三个全双工的多通道缓冲串口(mcbsp) (7)四个定时器 (8)片内可编程锁相环（pll）时钟发生电路 (9)多个通用fo引脚和一个输出引脚xf 其中emif支持对异步存储器，如ezprom，sram，及高速同步存储器sdram的 无缝连接。mcbsp支持对一系列工业标准的串行设备的无缝连接。dma控制器独 立于cpu工作，为数据移动提供六个独立的通道。hpi是一个816位的并行接口， 可访问c5502内部存储器的32k字，hpi支持对一系列主处理器的无缝连接。 3.4.2 tms320vc5502 的主要特性 tms320vc5502芯片的主要特性如下 (1)200300m hz的时钟周期，每个周期可以执行一条或两条指令。 (2)两个mac单元，一个时钟周期可执行两次乘累加运算。 (3)一个40bit的alu，执行高精度的算术逻辑运算。 (4)一个16bit的alu，与40比特的alu并行运算。 (5)一个40bit的桶状移位器，可以将结果左移31bit或右移32bit。 (6)四个40bit的累加器，保留计算的结果。 (7)16k字节的指令缓冲区。 (8)32kxl6bit的片内ram，分为8块4k16bit的双访问ram (9)16kxl6bit的片内rom，支持多种自举装载模式。 (10)8m16bit的最大可访问外部存储空间。 (11)32 bit的外部并行总线存储器，支持外部存储器接口。 (12)可编程的省电模式，各个模块可独立编程。 (13)3.3v的i0电压，1.26v的内核电压。 17 3.5 外部存储器电路的设计 在进行dsp系统设计时外部存储器接口的设计很重要，它关系到整个系统 资源的空间分配。本系统扩展的外部存储器包括sdrom和flash。 emif(external memory interface)是外部存储器和tms320vc5502片内其 他单元间的接口，cpu访问片外存储器的时候必须通过emif。tms320vc5502内外 空间都统一编址，整个emif空间分为四个部分 ce0-ce3，每个ce空间彼此独立， 可以进行不同的访问控制，每个空间的大小为4m字节片内的存储器自动跳过。 设计中将sdram配置在ce2和ce3空间，将cel空间分配给flash用。 3.5.1 sdram 接口电路设计 sdram是synchronous dynamic ram的缩写，即同步动态存储器。动态存 储器中同步技术的出现，使得读写速度从以往的60ns70ns提升到了目前的 6ns7ns，提高了将近10倍，而且价格便宜，在需要选用大容量存储器时，它 的性价比非常高。本系统中采用sdram作为外接存储器之一，它是dsp单元存储 ad转换后的采样数据、数据运算输出的中间及最终结果的场所。在dsp上电后 需要对sdram进行自检，以避免sdram单元出错造成以后监测仪工作不正常或数 据出错。 本系统中选用的sdram为hynix公司的hy57v643220ct，芯片容量是2mx32位， 覆盖tms320vc5502的ce2和ce3子空间。它具有以下特点： 1）最高工作频率高达166mhz； 2)标准3.3v供电； 3)32位数据总线： 4)管脚可与1阻器件兼容； 由于同步动态ram是通过emif接口与dsp进行连接的，工作时的时钟脉冲由 dsp提供，tms320vc5502的最高时钟频率为200mhz，emif接口提供的最高频率是 1oomhz，从这一点来看，hy57v643220的166mhz是完全达到要求的。 3.5.2 flash 接口电路设计 本系统是一个需要脱机运行的 dsp 系统，用户代码需要在加电后自动装载运 行。dsp 系统的引导装载(bootload)是指在系统加电时，dsp 将一段存储在外部 的非易失性存储器的代码移植到内部的高速存储器单元中去执行。这样既利用 了外部的存储单元扩展 dsp 本身有限的 rom 资源，又充分发挥了 dsp 内部资源 的效能。尽管用户代码在一段时间相对是固定的，但是如果直接将其掩膜到内 部 rom 中去的话，一方面受容量以及价格的限制，另一方面在系统软件升级上 显得不是很灵活方便。flash 是一种高密度、非易失性的电可擦写存储器，而 且单位存储比特的价格比传统的 eprom 要低，十分适合于低功耗、小尺寸和高 性能的便携式系统。除了可以采用专用的硬件编程器把代码灌入 flash 中之外， 也可以利用现成的 dsp 通过软件编程来实现同样的功能。 系统中选用的 flash 存储器是 sst39vf400a，该芯片的容量是 256kx16bit， 它是一种低电源电压芯片，工作电压为 3.3v，速度是 70ns，数据保存时间超过 18 100 年，它具有容量大、掉电后数据不丢失、可在线快速读写、可整片或者分 页擦除等特点。 3.6 通信接口部分设计 为了实现数据采集处理系统与外部进行数据通信，本文设计rs-232通信接口， 主要完成数据采集处理系统与数据显示存储系统之间的通信。 本仪器选用的dsp芯片tms320vc5502中带有通用异步串行通信。由于数据显 示和存储系统的控制器是工控机，采用的是232电平，而数据采集和处理系统采 用的是ttl电平，两者之间不能直接进行通讯，这里我们采用max232芯片来完成 电平转换。 max232芯片是常用的rs-232c与ttl电平转换芯片，它的内部有电压倍增电 路和转换电路，只需+5v电源便可实现rs-232c与ttl电平转换，使用起来十分方 便，一个芯片可连接两对收，发信号线，接口电路如下图3.5所示： t1int1out v+ r2out vcc 8 t2outt2in r1inr1out r2in c2-c2+ v- c1+ c1- 1 2 3 4 5 6 7 gnd 9 10 11 1213 14 1516 c274 c271 gnd tx 3.3v tx 232 0.1uf rx rx_232 0.1uf max232a 图3.5 通信接口电路 19 3.7 键盘和显示部分设计 3.7.1 键盘电路设计 键盘在人机交互系统中是一个很重要的部分。输入数据、查询和控制系 统的工作状态，都要用到键盘。键盘是最简单的输入设备，是人工干预计算机 的主要手段，与显示器同属人机通信部分。 键盘的工作方式一般有程序控制扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方 式 3 种。在本文的设计中，根据具体应用情况，选择了矩阵式键盘，键盘的工 作方式选择了程序控制扫描方式。 程序控制扫描方式是利用处理器在完成其它工作的空余，调用键盘扫描 子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，处理器不再响应键输入要 求。 程序控制扫描程序一般应具备下述几个功能：判断键盘上有无键按下； 去除键的抖动影响；扫描键盘，得到按下键的键号。 在选用了矩阵式键盘系统中的程序控制扫描方式之后，所设计的矩阵键盘 电路如图 3.6 所示。 tms320vc5502 iope1 iope2 iope3 iope4 iope5 iope6 vcc 图 3.6 3x3 矩阵键盘接口电路 图中行线 iope4iope6 通过 3 个上拉电阻接电源端 vcc，处于输入状态, 称为输入口；iopeiiope3 控制键盘的列线电位作为键扫描口，处于输出状态。 按键设置在行列线交叉点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。 3.7.2 显示电路 本系统采用 sharp 公司的 lm32019t 型 12864 图形液晶显示屏，其驱 动模块是北京精电蓬远显示技术有限公司制作的内嵌 sedl335 控制器的图形液 晶显示驱动模块，液晶显示屏由 12864 点阵构成，具有高分辨率、接口方便 20 (5v 或 3.3v)、设计简便(内嵌控制器)、功耗低、价格便宜等优点，常常用于各 种便携式设备显示前端。 此设计中的液晶显示模块接口控制时序采用了 8080 时序，读写信号独 立，与 vc5502a 之间的接口电路如图 3.7 所示。其中，vc5502 的 iopb0iopb7 用作数据接口，与液晶显示模块的数据线 db0db7 相连，完成与 sedl335 问的 数据传送；iopa4 与wr 相连，写 sedl335 时，置 iopa4 为低；iopa5 与瓜 d 相连，读 sedl335 时，置 iopa5 为低；iopa6 与cs 相连作为片选，访问 sedl335 时，置 iopa6 为低；iopa7 与 a0 相连，通过对 iopa7 写 o 或 1，与 iopa4 和 iopa5 配合来控制实现对 sedl335 接口部指令输入缓冲器、数据输入缓冲器、 数据输出缓冲器和标志寄存器的访问。vout 为液晶控制板上的 dc-dc 模块输出 电压(+26v)，v0 为液晶显示对比度调整电压，通过调节可变电位器，可以调节 液晶屏的显示对比度。 tms320vc5502 iopb0 iopb2 iopb3 iopa4 iopa6 iopa7 液晶显示模块（sed1335） iopb1 /wr /rd /cs a0 db0 db1 db2 db3 db4 db5 db7 gnd v0 vout vcc gnd 20k +15v iopa5 iopb5 iopb6 iopb7 iopb4 iopb5db6 图 3.7 液晶显示接口电路 3.8 本章小结 本文设计的电力参数测试仪采用模块化设计，本章首先对整个电力参数测 试仪硬件体系设计进行了介绍。然后在分析电力参数对硬件的要求下，对数据 采集和处理系统，数据显示和通信系统等相关电路设计进行了比较详细的说明。 通过各模块的设计，实现整个电力参数测试仪的硬件电路。 21 第第 4 章系统软件设计章系统软件设计 4.1 主程序设计 主程序流程如图4.1所示。程序首先完成一系列的初始化工作，然后启动定 时器0，由定时器0启动ad转换，每次转换完成后由转换结束信号触发dsp中断， 在中断服务程序中读取采样数据；当达到预定的采样次数后，调用相应的数据 处理子程序，进行计算得出测量结果。当上位计算机(数据显示和存储系统)发 出通讯命令时，系统通过串行口中断进行接收，根据不同的命令，向上位计算 机发送不同参数的计算结果。 对于采样数据读取中断和串口接收中断，中断的优先级设置为采样数据读 取中断的优先级高于串口接收中断。按照中断的概念，低优先级中断不能打断 高优先级中断，而高优先级中断可以随时打断低优先级中断。在安排上述两个 中断的优先级时，主要考虑到数据处理过程中用到的采样数据必须是在一定的 时间内连续采样得到的，采样数据读取过程不能被其他事件中断：而串口接收 中断是用来接收上位机发送来的命令的，数据处理完成后系统根据接收到的命 令向上位机传送不同的计算结果。因此，把读采样数据中断设为较高的优先级。 22 引导程序入口 采集次数到？ 向上位机发送数据？ 调用数据处理子程 序 采集数据 程序初始化 调用串行发送数据子 程序 n y n y 启动定时器0 图4.1 主程序流程图 4.2 数据采集程序 进行数据采集时，由tms320vc5502片上定时器0输出触发信号，作为ad转换 的启动信号。转换完成后，ads8364的eoc引脚变为低电平，触发tms320vc5502 的int0中断，进入中断服务程序，在服务程序中读取ad转换结果。将读回的转 换结果存放在两个缓冲区中，在中断服务程序中，设置一个标志flag，当标志 为o时存放在缓冲区1中，为1时存放在缓冲区2中。中断服务程序执行完毕后， 程序回到主循环。程序如图4.2和4.3所示。 23 开始 返回 启动ad转换 初始化定时器0 发送转换完成信号 在1nt0中断程序中 读取转换结果 图4.2 数据采样流程图 24 flag=0? j=1024？ j=0 flag=!flag 中断入口 读取转换结果并存 到缓冲区1中j=j+1 读取转换结果 并存到缓冲区2 中j=j+1 返回 n n y y 图4.3 a/d中断服务程序流程图 4.3 数据处理程序 数据处理部分主要是对数据采集部分得到的离散信号进行处理，运用各种 算法实现各电量参数的计算和分析。采样数据处理流程图如图4.4所示。时域的 离散值计算主要实现电压、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数等的 计算。频域的计算中，先计算频率，然后对信号进行加窗处理，接下来完成谐 波的计算。 25 入口 对信号进行加 窗处理 计算频率 计算谐波 计算u、i、p、 q等电量参数 结束 图4.4 数据处理模块流程图 4.4 通信模块 tms320vc5