基于DSP技术的电力谐波测量仪器的设计

课程结业论文基于DSP技术的电力谐波测量仪器的设计课程名称：任课教师：所在学院：专 业：班级：学生姓名：学号： 年 月目录目录摘要I前言II1 DSP芯片在电力系统中的应用主要有12电力谐波检测装置的硬件设计12.1系统的整体结构12.2 DSP芯片的结构与选择12.2.1 DSP芯片的基本结构12.2.2 DSP芯片的结构及评价指标22.2.3 DSP芯片的选择22.2.4 TMS320LF2407 DSP简介23 A/D转换电路33.1存储器扩展及复位电路43.3.1存储器扩展43.2复位电路43.3锁相环电路53.4 与PCF8583的接口电路53.5 按键输入和液晶显示电路63.6液晶显示电路73.7串行接口电路74 硬件系统调试85结论8参考文献10-I-摘要摘要 为了能够对电网的运行状况进行监测，本文提出采用DSP技术设计一种电力系统谐波监测仪。该谐波监测仪被安装在检测现场，对电网电压和电流采样信号进行FFT等数学运算和处理，而且可以对数据进行存储、查询，并且在液晶上显示操作菜单等。监测仪能够完成包括三相电压、三相电流的频率、功率因数以及7以的谐波、谐波相位、谐波畸变率等的测量。论文重点介绍了以下几部分:(1)电路的总体设计和功能;(2)硬件设计，包括A/D转换、锁相环、液晶显示和按键输入等原理和电路；(3)系统测试。关键词:谐波监测 TMS320LF2407A 数字信号处理前言II前言-II-随着电力电子技术的发展，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响，谐波被认为是电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子技术的发展因此，对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐重视。电力电子装置等非线性负载所产生的谐波会引起负载和输电设备的过载、失控和增加损耗，甚至严重危害电网和用电设备的安全。随着电力电子技术在家庭、工业、交通、国防日益广泛的应用，电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断增大，电网遭受谐波污染也日益严重。在过去的几十年里，单片机的广泛使用实现了简单的智能控制功能，但是随着计算机科学与技术、信号处理理论与方法的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对电测仪表的实时性和精度的要求也越来越高，而电能质量监测装置不同于一般的电力基本参数测量仪器，要进行电能质量指标的计算、分析和监视，并且要运用复杂的数学算法，如果采用比较先进的单片机Intel8OC196进行基本的32点FFT运算，在1ZM主频下采用快速算法仍然需要0.25秒左右，如采用更加先进复杂的算法则需要的时间更长显然，传统的单片机技术已不能满足电力系统实时监控的需要。数字信号处理器DSP是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10一50倍。在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手业内人士预言，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素，它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。DSP发展历程大致分为70年代的理论先行、80年代的产品普及、90年代的突飞猛进三个阶段。自从20世纪70年代末80年代初DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展，DSP芯片己经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用目前，DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。基于DSP设计的论文-1-1 DSP芯片在电力系统中的应用主要有1）信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等; 2）通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、纠错编码等;3）仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环等;随着DSP芯片性能价格比的不断提高，可以预见DSP芯片将会在该领域内得到更为广泛的应用。2电力谐波检测装置的硬件设计本设计主要的外扩芯片有：MAX125A/D转换器；锁相环；PCF8583时钟芯片；键盘和液晶；串行EPROM存储器。2.1系统的整体结构 本设计的谐波监测仪以TMS320LF2407为核心，数据采集的A/D转换器用的是MAX公司的14位A/D MAX125，保证了测量的精度。系统的总体结构图如图1所示：电 流检 测电压检测数据预处理A/DMAX125DSPTM320LF2407键盘液晶显示PCF8283时钟芯片串行EPROM电网图1 系统的总体结构图上图中，电网电压和电流经互感器和运算放大器调理成适合A/D转换的电压后，输入到A/D转换芯片中，A/D转换芯片将模拟输入信号转换为数字输出信号送入到DSP中进行处理。A/D转换在整个谐波监测系统中占有非常重要的地位。本系统采用PCF8583时钟芯片用来显示当前的时间和日期，并可以通过键盘、液晶相结合对当前时间和日期进行设置；电压信号经过A/D转换，并经过FFT变换，计算出7次以下的谐波，通过液晶显示出来；串行EPROM可以用来存放电压、电流的定值，也可用来存放计算结果。2.2 DSP芯片的结构与选择2.2.1 DSP芯片的基本结构(l)哈佛结构-2-程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，从而提高速度。(2)流水线操作功能DSP芯片采用多组总线结构，允许CPU同时进行指令和数据的访问。因而，可在内部实行流水线操作。-2- (3)硬件乘法/累加器在卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中，都有一类的运算，其中包含大量重复乘法和累加。在通用计算机的乘法用软件实现，需要用若干个机器周期。而DSP有专用的硬件乘法器，使用MAC指令(取数、乘法、累加)，可以在单周期内完成。(4)多种寻址方式循环寻址(Circular addressing),位倒序(bit-reversed)等特殊指令，使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1024点FFT的时间已小于lms。(5)独立的DMA总线和控制器有一组或多组独立的DMA总线，可以与CPU的程序、数据总线并行工作。在不影响CPU工作的条件下，DMA速度己达800Mbyte/s以上。(6)多处理器接口现在的DSP中大多都提供了串和并口，使多个处理器可以很方便的并行或串行工作。如TMS320C40有6个8-bit的接口，VC5420提供MsBSP和16位的并口，ADI的ADSPZll6O也有类似的结构。2.2.2 DSP芯片的结构及评价指标1).为了快速地实现数字信号处理运算，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构，下面为TMS320系列为例介绍DSP芯片的基本结构。TMS32O系列DSP芯片的基本结构包括:(l)哈佛结构;(2)流水线操作:(3)专用的硬件乘法器:(4)特殊的DSP指令;(5)快速的指令周期。2).运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP芯片时需要考虑的一个主要因素DSP芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量：(a)指令周期:即执行一条指令所需的时间，通常以ns(纳秒)为单位。(b)MAC时间:即一次乘法加上一次加法的时间。大部分DSP芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和加法操作。(c)FFT执行时间:即运行一个N点FFT程序所需的时间。(d)MIPS:即每秒执行百万条指令。如TMS320VC5410的处理能力为100MIPS，即每秒可执行一万万条指令。2.2.3 DSP芯片的选择DSP应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的DSP芯片的基础。运算量小则可以选用处理能力不是很强的DSP芯片，从而可以降低系统成本;相反，运算量大的DSP系统则必须选用处理能力强的DSP芯片，如果DSP芯片的处理能力达不到系统要求，则必须用多个DSP芯片并行处理。在这里我选择TMS320LF2407。2.2.4 TMS320LF2407 DSP简介TMS320LF240是本设计的核心芯片。在此，对其进行简要的介绍。TMS320LF2407是美国TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路为一体，在数字控制系统中得以广泛应用。在TMS320系列DSP的基础上，TMS320LF2407 DSP有以下一些特点：采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns(30MHz),从而提高了控制器的实时控制能力。基于TMS320C2xxDSP的CPU内核，保证了TMS320LF240x系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。片内高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM（DARAM）和2K字的单口RAM（SRAM）两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽（PWM）通道。可扩展的外部存储器（LF2407）总共192K字空间：64K字程序存储器空间；64K字数据存储器空间；64K字I/O寻址空间；看门狗定时器模块（WDT）；控制器局域网络（CAN）2.0B模块；串行通信接口模块（SCI）模块；16位的串行外设（SPI）接口模块；基于锁相环的时钟发生器。高达40个可单独编程或复用输入/输出引脚（GPIO）。5个外部中断（两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）。电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。3 A/D转换电路A/D转换是控制系统中的必备重要环节，其转换精度决定了整个控制系统性能的优劣。虽然TMS320LF2407A内置10位高速A心模块，但该模块存在以下缺点;只能接收0一3.3V的单极性信号输入，对于交流信号需要另外设计限幅抬压电路;同一排序器内各通道串扰严重;10位的转换精度难以满足高性能系统的要求。所以本文选用Maxim公司的14位高速A心芯片MAXI25作为外部模数转换器。其输入信号范围士5V，通道最大承受过压可达士17V，简化了信号调理电路;单路转换时间。图2便是MX125的连接图，由于TMS320LF240X系列DSP的供电电压3.3V，而MAX125的供电电压为5V，因此其线路接口处都要有电平转换。经过预处理后的信号经过锁相环倍频后作为A/D转换的启动信号，而且同时作为XINT2的外部中断的中断源。采样的频率取决于锁相环输出脉冲信号的频率，本设计是一周期采集128个点，即锁相环是进行128倍频。CONVST端的负脉冲启动一次A/D转换，转换时间取决于工作模式中的通道数，本设计是4个通道采样。芯片工作模式中的所有通道转换结束后，采样/保持器重新处于采样状态，跟踪模拟输入的变化，此后，锁相环的输出脉冲的跳变将启动XINT2中断，软件执行中断子程序，CS和RD将配合依次读取转换结果。在写入模式控制字和读取各通道数字输出数据时，片选端CS必须为低电平，其中CS片选信号是由DSP的IS和选择的地址线A7信号来控制的，DSP访问I/O空间时，引脚IS有效。为防止模拟信号的干扰，在电路板设计时，应将模拟地和数字地隔离。-3-图2 TMS320LF2407与MAX125的接口电路3.1存储器扩展及复位电路3.3.1存储器扩展TMS320LF2407A有两种引导启动方式:一种是MC(Microcontrol)控制器模式，与单片机的工作方式一样。DSP上电时，从片内的闪存(程序存储器)中开始执行程序，执行速度慢。另一种是MP(Microprocessor)微处理器模式，与PC机的装载引导相类似。DSP上电时，先执行一段引导程序，把程序从闪存中写入数据存储器(RAM)的程序空间，然后从程序空间的起始地址开始执行程序，由于对RAM的访问速度很快，所以可以大大提高DSP的执行速度。TMS320LF2407A为增强型哈佛(HARVA邓)总线结构，具有独立的程序、数据和I/0三个独立的存储空间，每个存储空间为64Kx16位，每个存储器独立编址，通过不同的指令访问不同的地址空间。TMS320LF2407A可扩展的外部程序存储器总共192K字:64K字程序存储器:64K字数据存储器;64K字FO寻址空间。对于TMS320LF2407A在设计中要使用的几个重要的控制信号包括:l、DS信号:此信号为片外数据空间选通信号，它总保持为高电平，在DSP要访问外部数据空间时，该信号变为低电平。在外扩数据存储器时，可以利用DS信号来产生片选信号。2、PS信号:此信号为片外程序空间选通信号，它总保持为高电平，在DSP要访问外部程序空间时，该信号变为低电平。在外扩程序存储器，可以利用PS信号来产生片选信号。3、RD信号:读使能选通信号读选择表示一个有效的外部读周期此信号对所有外部程序、数据、FO空间有效。4、WE信号:写使能选通信号，该信号下降沿表示该控制器驱动外部数据线DO一D15，它对所有外部程序、数据、1/0空间有效。对照以上信号的使用方法，为了便于程序仿真调试，本系统扩展了两片IS6lLV6416，一片用作数据存储器，另一片用作程序存储器。该芯片是一种64Kxl6的高速CMOS静态RAM，芯片供电电压为3.3V，满足系统要求。-4-图3 外扩RAM接口电路3.2复位电路 TMS320LF2407A有两种复位源:外部复位引脚复位和程序监视定时器(看门狗)复位。复位引脚是一个I/O脚，正常状态下通过上拉电阻接电源。当有内部复位事件发生时，该引脚被驱动为低电平输出-6-方式，给系统中其他芯片提供复位信号;当有外部复位事件发生(手动复位、上电复位、欠电压复位等)时，该引脚为输入方式，同时将复位中断向量0O00H加载到程序计数器PC中，使程序重新开始执行。TL7705A具有处理上电复位、欠电压检测复位、手动复位的功能。本文用它来实现外部复位信号管理功能，其复位信号输出引脚与DSP的复位引脚相连，电路如图4所示。图4 复位电路3.3锁相环电路锁相环电路功能是对A/D芯片提供CONVST信号。所谓锁相，就是实现相位同步，能使两个电信号的相位保持同步的闭环系统叫锁相环（PLL）。锁相环主要包括三部分：相位比较器PD、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO。其结构如图5所示：鉴相器低通滤波器压控振荡器分频器图5 锁相环原理I为交流电压，其振荡频率为fi; o为输出电压，其振荡频率为fo；经N分频后与相位进行比较。当环路锁定后，鉴相器输入的两个信号的频率相等，即=所以输出信号的频率为：f。=N3.4 与PCF8583的接口电路 PCF8583为带I2C总线接口的日历时钟芯片，其中还有256字节的静态RAM，PCF8583也可作为一个6个BCD码事件计数器，故在系统中应用较为广泛。由于作为日历时钟器件配置有电池供电，可作为RAM的保护电源，故256字节的RAM可视为非易失性RAM。-5-PCF8583有三个主要功能，即日历时钟可使用32.768KHz或50Hz时基，可自动计时、编程设定、编程起闹；事件计数器可进行事件计数器编程起闹；256字节的静态RAM，地址自动增量，其工作原理与一般带I2C接口的EEPROM相同。本设计用PCF8583，结合键盘、液晶来实现时间和日期的显示和设置。本设计用软件来模拟I2C总线时序，实现了I2串行日历时钟与2407的接口电路。设计中的另一个要点是电池充放电问题，由于DSP用3.3V供电，电池为3.6V，所以需要解决在掉电情况下电池只对PCF8583供电，而在不掉电情况下PCF8583由3.3V供电，且电池处于浮充状态的问题。本设计用二极管较好的解决了以上问题。DSP与PCF8583的连接图如下：图6 DSP与PCF8583的接口电路 其中PCF8583的SCL、SDA分别接TMS320LF2407的IOPC3与IOPC5引脚，SCL为I2C总线的时钟线，SDA为I2C总线的数据线。当日历时钟收到数据后，通过数据线SDA拉为低电平来应答接受，因此IOPC3与IOPC5引脚应配置为I/O方式，并要求接上拉电阻。通过软件编程便可以实现时间、日期的正确读出、设置等。3.5 按键输入和液晶显示电路 本设计采用常规的44键盘来实现液晶显示的菜单查询、翻屏等各种功能。键盘输入信息的主要过程为：1、CPU判断是否有键按下2、确定按下的是哪一个键3、把此键代表的信息翻译成计算机所能识别的代码。以上第2、3步主要由软件完成的，称为非编码键盘，本设计采用的便是行列式键盘。行列式键盘与DSP的接口如下图所示：-6-7-图7 DSP与44键盘的接口如图PB口作键盘接口，PB0PB3作键盘的行扫描输出线，PB4PB7作列检测输入线。键的识别功能，就是判断键盘中是否有键按下，若有键按下则确定其所在的行列位置。程序扫描法是一种常用的键识别方法，在这种方法中，只要CPU空闲，就调用键盘扫描程序，查询键盘并进行处理。3.6液晶显示电路 本设计采用带国标中文字库图形点阵液晶显示模块LCMxxZK系列。LCMxxZK的字型ROM内含8192个16*16点中文字型和128个16*8半宽的字母符号字型。而且内含CGRAM提供4组软件可编程16*16点阵造字功能。电源操作范围宽（2.7V到5.5V）；低功耗设计可满足产品的省电要求。同时，与单片机等微控制器的接口界面灵活使用（三种模式：并行8位/4位，串行3线/2线）。本设计采用LCM12864ZK中文液晶显示模块，其液晶屏幕为128*64，可显示四行，每行可显示8个汉字。采用的是串行2线模式。采用C语言编程，程序的可移植性强。TMS320LF2407与液晶模块的接口电路如图8所示：图8 DSP与液晶显示模块接口电路与DSP的连接采用的是串行两线的模式，液晶模块的E（SLCK）脚与RW（SID）脚分别连接DSP的IOPC6（CANTX）和IOPC7（CANRX）引脚，此时DSP的这两个引脚要设计成通用的输入输出端口的形式。其中SLCK为输入串行脉冲引脚，而SID为输入串行数据引脚。主控系统即DSP将配合传输同步时钟与接收串行数据线，来完成串行传输的动作。3.7串行接口电路 本设计中，TMS320LF2407A与PC机通过串行口进行通信，PC机从串行口向DSP按照一定的数据格式发送命令帧，TMS320LF2407A接收到命令帧后按要求回复相应的数据帧。TMS32OLF2407A器件包括串行通信接口SCI模块。该SCI模块带有与RS232标准一致的异步串口(DART)，使得TMS320LF2407可以方便地与其它使用标准格式的异步外设之间进行数据通信。MAX3232为电平转换器，简单易用，MAX3232具有一个专有的低压降发送器输出级，在其以双电荷泵3.0V一5.5V供电时，可获得真正的RS232性能。该器件只需4个0.luF小型外接电容，可在维持RS232输出电平的情况下确保运行于120kb/s数据率，因此十分适合高速串行数据通信的场合。其接口电路如图9所示:-8-图9串行电路4 硬件系统调试 系统设计好后，下面就要对系统进行调试了，这是设计中很重要的一步。在DSP硬件系统的印制电路板设计阶段，关键是使布线正确合理。布线正确一般都能做到，但要做到合理，则并不容易。DSP硬件系统中最易出现的问题是高频干扰，因此在布线时应尽量使高频线短而粗，且远离易受干扰的信号线，如模拟信号线。此外，电源滤波、模拟线与数字线分离等也是不容忽视的。在电路加电前，对其做了一次全面彻底的检查。仔细检查了原件是否可靠的焊上，管脚间、电源与地间没有短接，表贴元件焊接时相邻管脚没有撘锡、短路，元器件、有极性电容的安装方向也都正确。加电后，应检查晶体是否振荡，复位是否正确可靠，并且示波器检查DSP的CLKOUT引脚是否有信号输出，并测试一下该信号的频率。对照一下CLKMD1，CLKMD2，CLKMD3，检查频率是否正确，如果CLKOUT的输出正确，一般来说，DSP部分的硬件工作基本正常。在做完这些基本检查之后，就可以进行系统硬件调试了。 接下来可以调试DSP的外围器件。MAX125转换接口的调试涉及一些软件，只要将串口接收打开，同时打开中断进行接收数据，并通过实时显示菜单观察缓冲区数据即可。 对存储模块进行调试时，首先对SRAM的两单元初始化为两个不同的值，然后调试的主程序不断交替这两个单元的数值。具体方法是从一个单元读出数据写入另一个单元，由累加器作为传递单元。使用Debugger软件，查看相应的SRAM单元，是在按照设定交替变化，表明这部分没有问题。 对于FLASH的连接需编写相应的程序来调试，如FLASH的擦除，编程及读取，如果能将写入的数据正确地读出，则表明FLASH的接口是正确的，对键盘显示的调试可直接观察程序的运行结果即可。5结论 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重，对电力系统的电气环境造成了巨大的影响，对电力设备产生了严重的危害。为了保证电力系统的正常运作和电力电子设备的正常工作，必须采用一定的手段对电力系统的谐波进行检测。本论文以TMS320LF24O7为核心设计和组建了一个实时谐波测量系统。DSP选用的是TMS32公LF2407芯片，它具有丰富的片上外设，多达40个可单独编程或复用的通用物入输出引脚，因此可以大大的简化硬件结构和体积，提高系统的稳定性和可靠性。应用工业数字信号处理器、集成电路和计算机等领域最先进技术，本文设计实现了基于DSP的电力谐波监测仪的研制，该监测仪样机已-9-完成了谐波监测仪的硬件设计工作。本文对该监测仪的软件和硬件电路进行了设计，解决了一系列技术问题。根据本文的阐述可得到以下结论：（1）谐波监测是谐波研究和治理的前提条件，随着电力系统中发展，各种谐波源将会对电力系统安全和稳定造成越来越大影响。谐波研究和治理的迫切性越来越大，符合电力系统要求的各种谐波监测设备将会得到大力发展。（2）本课题使用的以DSP模块（TMS320LF2407）为核心的硬件电路，结合数据采集、键盘和显示等模块电路。均能满足各项设计要求，测量精度可得到充分保证。并且设备体积小，功能齐全。（3）软件中采用电力系统谐波检测中常用的FFT变换算法，是谐波检测精度的可靠保证。结合采用硬件跟踪输入信号频率的办法，使用FFT变换测量谐波具有精度高、功能多、使用方便的特点，能够实现整数次谐波的精确分析和检测。（4）采