（信号与信息处理专业论文）基于arm和虚拟仪器技术的谐波分析方法研究.pdf

j ：r0n 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 第詈护艮 日期： 弘产，6 丐 。 、紫臌：柳 日期矽f d 6 。2 一 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 篙文= 之磐莨b 翔：杪o 6 r 指导教师张搠、 日期7 矽1 0 。6 、弓 r 西华大学硕士学位论文 摘要 随着现代工业的发展和各种电力电子装置的广泛应用，电力系统中的非线性负荷大 量增加，电网中的谐波污染越来越严重，甚至于影响了电力系统的安全运行和用户的正 常工作。因此对电网中的谐波含量进行实时分析、检测、抑制是十分必要的，这也是研 究谐波问题的主要依据和最终目标。 目前谐波分析的方法主要有傅立叶分析法和小波变换分析法。傅立叶分析法是谐波 分析的基本理论依据，但是该方法需要较长的时间延迟来完成信号的采集和处理，同时 在信号处理的时候还存在栅栏效应和频谱泄漏现象，这些都将导致谐波分析的实时性较 差、精确度不高。小波变换分析法是正在研究的新方法，它能够精确地分析信号的局部 特征，提高谐波分析的实时性和精度。 本文介绍了谐波的定义、谐波来源以及谐波产生的危害，简单概述傅立叶变换分析 法、p r o n y 法、以及小波变换分析法在谐波分析中的应用，并对他们的优缺点进行比较， 为进一步的基于小波包变换的谐波分析方法研究做了铺垫。本文研究重点是根据小波包 变换分解算法，推导出由小波包变换分解系数表达的谐波电流、电压有效值，达到电力 系统谐波分析的目的。硬件方面，本文搭建了一个基于m a g i ca r m 2 4 1 0 实验箱的电力 系统谐波分析系统。该实验箱将a r m 核心板作为系统的主控单元模块，与自制的a d 转换电路板一起构成整个系统。软件方面则是移植了w i n c e 嵌入式操作系统。系统启 动后，三相交流电压、电流通过电压、电流互感器，在主芯片a r m 2 4 1 0 的控制下由a d 转换电路对模拟信号进行采集，再用e v c + + 编程对电压、电流信号进行分析，或者通过 串口将数据发送至p c 机，采用虚拟仪器技术进行处理。通过仿真实验，证实了小波包 变换能够更精确地分析信号的局部特性，提高了谐波分析的实时性和精度。 关键词：谐波；傅立叶变换；小波变换；小波包算法；嵌入式系统；虚拟仪器技术 基于a r m 和虚拟仪器技术的谐波分析方法研究 a bs t r a c t w 1 t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y ，a l lk i n d so fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sh a v e b e e nw i d e l yu s e d ，t h ep o w e rs y s t e mi sa l s o h a v i n gas i g n i f i c a n ti n c r e a s ei n n o n - l i n e a r l o a d s ，m a k i n gt h ep o w e rs y s t e mh a r i m o n i cp o l l u t i o nm o r ea n dm o r es e r i o u s i th a ss os e r i o u s d e t e r i o r a t i o no fp o w e rq u a l i t y ，e n d a n g e r i n gt h ep o w e rs y s t e ms e c u r i t y ，a n di m p a c t i n gt h e u s e r sn o r m a lw o r k t h em a i nb a s i sa n df i n a l g o a lo fh a r m o n i cs t u d i e sa r eh a r m o n i c a n a l y s i s , h a r m o n i cd e t e c t i o na n ds u p p r e s s i o n t h j si sn e c e s s a r yt op r o t e c tt h es a f e t yo ft h e p o w e ro p e r a t i o n p r e s e n t l yt h em a i nm e t h o do fh a m o n i c sa l l a l y s i si s 也ef o u r i e rt r a n s f o r ma n dt h ew a v e l e t t r a n s f o r m f o u r i e r 仃a n s f o n ni st h eb a s i co fm o d e mh a m o r f i c sa n a l y z e h o w e v e l f o u r i e r t r a n s f o r i l ln e e d sl o n g e rt i m et oc o l l e c ta n dp r o c e s st h es ig n a l f u r t h e rm o r e ，t h e r ea r e 咖d e f f e c t a n df r e q u e n c y - l e a ki nt h e p r o c e s s i n g ，w h i c h l e a d st oi n f e r i o rr e a l t i m ea n d p r e c i s i o n w a v e l c tt r a n s f o r mi st h en e wm e t h o dw h i c hh a sb e i n gr e s e a rc _ h e dn o w a d a y s w j 也 t h i sn e wm e t h o d ，t h el o c a lc h a r a c t e r so fs i g n a l sc a nb ea n a l y z e de x a c t l y , a n dt h er e a l t i m ea n d p r e c i s i o no fh a r m o n i c sa n a l y s i sc a nb ei m p r o v e dt o o m sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p to fh a m o n i c ，h a m o n i cs o u r c ea n dh a m o n i c h a z a r d s ，a n dt h e ni ti n v e s t i g a t e st h em e t h o d so fh a r m o n i ca n a l y s i s ，s u c ha st h em e t h o d so ff a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，p r o n y sm e t h o d ，w a y e l e tt r a n s f o r mm e t h o d ，a n dt h ev a r i o u sm e 也o d sa r e c o m p a r e d t h ee m p h a s i so fp a p e ri s t h a t a c c o r d i n gt ow a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o n a l g o r i t h m s ，t h e p o w e rs y s t e mh a r m o n i cc u r r e n t ，v o l t a g e 剐m sd e r i v e df r o mw a v e l e tt r a n s f o r m c o e f f i c i e n t s i tc o n s t r u c t sar e a l t i m eg a t h e r i n go fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mb a s e do nm a g i c a r m 2 410e x p e r i m e n tp l a t f o r m t h ec o r eb o a r do ft h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mi su s e da st h e m a i nc o n t r o lu n i t i ti sc o m p o s e dt h ew h o l es y s t e mw i t ht h eb o a r do fa dw h i c hi sm a d eb y o u r s e l f w et h ew i n c ee m b e d d e ds y s t e m 弭力e nt h es y s t e mi si n i t i a l e d t h ev o l t a g ea n d c u r r e n ts i g n a lf l o wi n t ot h em u t u a li n d u c t o r s u n d e rt h ec o n t r 0 1o ft h em a i ns 3 c 2 4 10c h i p t h ed a ma c q u i s i t i o nc i r c u i tw a f e rg a t h e ri t t h e nw ec a l la n a l y s et h es i g n a lb ye v c 抖 p r o g r a m m i n g a l s o ，w ec a l ls e n dt h ed a t at op ct h r o u g ht h es e r i a lp o r t ，t h e nw ec a l ld oa f u r t h e rp r o c e s sb yu s i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ， w ec o n f i r r m e dt h a tw a y e l e tp a c k e tt r a n s f c l r l r lc a l lb r i n gam o r ee x a c ta n a l y s i so ft h e1 0 c a l c h a r i c t e r i s t i c so fs i g n a l s ，s oa s t h er e a l t i m ea n dp r e c i s i o no fh a r m o n i ca n a l y s i sc a nb e i m p r o v e dt o o k e yw o r d s ：h a r m o n i c ；f o u r i e rt r a n s f o r m ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；w a v e l e tp a c k e ta r i t h m e t i c ； e m b e d d e ds y s t e m ；v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t 1 绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 谐波分析技术的研究现状2 1 3 论文完成的主要工作及创新之处4 2 谐波理论6 2 1 谐波的基本概念6 2 2 谐波的产生与危害8 3电力系统谐波分析方法1o 3 1 基于傅立叶变换法的谐波分析1 0 3 2 基于p r o n y 法谐波分析1o 3 3 基于小波变换法谐波分析1 1 3 4 本章总结1 1 4 基于小波包变换的谐波分析方法1 3 4 1 小波变换理论1 3 4 1 1 连续小波变换的定义与性质1 4 4 1 2 离散小波变换的定义1 5 4 2 小波包变换理论1 6 4 2 1小波包定义与性质1 6 4 2 2 最优小波包基的选取18 4 2 3 分解层数的确定1 9 4 3 基于小波包变换的谐波分析算法1 9 4 3 1电流与电压的小波包系数表示算法。1 9 4 3 2h a a r 小波2 2 4 3 3d a u b e c h i e s ( d b n ) 小波2 3 4 4 本章总结2 4 5 硬件电路设计2 5 5 1 方案比较2 5 5 2 方案的论证、选择2 6 于a r m 和虚拟仪器技术的谐波分析方法研究 5 3 硬件电路设计2 8 5 3 1a r m 概述2 8 5 3 2a r m 实验箱开发平台的核心板模块3 0 5 3 3a r m 实验箱开发平台的存储器模块3 3 5 3 4 总线驱动电路3 5 5 3 5 模拟信号输入电路3 5 5 3 6 模拟抗混叠低通滤波电路3 7 5 3 7采样和a d 转换电路3 7 5 3 8数字锁相环电路3 9 5 3 9电平转换电路3 9 5 4 本章总结4 0 6w i l l c e 平台上的谐波分析方法4 1 6 1 数据采集4 1 6 2h a a r 小波包变换4 4 6 3d b 小波包变换一4 5 6 4 本章总结4 6 7 基于虚拟仪器技术的谐波分析仿真实验4 7 7 1串口数据传输4 7 7 1 1 串口接收并存储数据4 7 7 1 2m a t l 气b 读取数据5 0 7 2h a a r 小波包分析5 2 7 3d b 小波包分析5 3 7 4 小波包算法的实现5 5 7 4 1 编写动态链接库5 5 7 4 2 调用动态链接库5 8 7 5 基于小波包分解系数重构算法谐波分析的误差分析5 9 7 5 本章总结6 0 8 嵌入式开发环境6 1 8 1 w i n c e 嵌入式操作系统的简介6 1 8 2p l a f f o mb u i l d e r4 2 开发环境6 2 8 3w i i l d o w s c e n e t 系统移植6 2 西华大学硕士学位论文 8 3 1 基于新的b s p 创建一个p l a t f o r m 6 3 8 3 2烧录系统引导程序6 3 8 3 3配置e b o o t 并且运行：“。6 3 8 3 4 连接t l 到目标板进行调试6 3 8 3 5 使用u s b 和目标板同步：6 4 8 3 6 通过p l a t f o n t lb u i l d e r 建立当前平台的s d k 6 4 8 4 在e m b e d d e dv c + + 4 0 中建立应用程序：6 4 8 5 本章总结6 4 9 总结与展望j 6 5 参考文献6 7 附录1系统总体接口电路图_ 7 0 附录2 信号调理电路图7 1 附录3a d 数据采集电路图：7 2 附录4m a t l a b 实现小波包变换程序7 3 攻读硕士学位期间发表学术论文情况7 6 致谢7 7 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 随着工业的发展和现代经济建设的不断前进，电力系统中的大功率负荷越来越多， 冲击性负荷也急剧增加，谐波对电网系统造成了严重的“污染”。因此对电网中的谐波 进行有效的抑制，是改善电网环境必须解决的问题。谐波问题的核心内容主要包括谐波 分析、检测与抑制。我们要维护电网的安全运行，防止谐波危害，就需要确切掌握电网 中谐波的实际状况，进而才能对电网中的谐波含量进行实时分析和检测。这是谐波问题 研究的主要依据和最终目标。 本章主要介绍谐波的基本概念、谐波源及电力谐波的危害与影响，说明基于小波包 变换的电力系统谐波分析方法的研究背景及意义，指出本文的研究思路和工作重点。 1 1课题研究背景和意义 电力系统谐波威胁电网的电能质量和用户设备的安全运行一直是一项富有挑战性 的研究课题。由于谐波固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性 等特征，使得用常规的方法难以准确分析谐波。因此研究新的谐波分析方法，具有重要 的理论和实际意义，这将关系到整个电力系统以及社会的经济发展陋1 。 近年来，电力系统中法谐波问题已经在世界范围内得到了十分广泛的关注，国际电 工委员会( i e c ，i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 、国际大电网会议( c i g r e ) 、 国际供电会议( c i r e d ) 、美国电气电子工程师学会( i e e e ) 以及欧洲电工标准委员会 ( c e n e l e c ) 等国际性学术组织，都先后成立了专门的谐波工作组，致力于研究和制定 相关的谐波限制标准。1 9 9 8 年国际电工委员会( i e c ) 已经开始对谐波限定提出了明确的 要求。美国“i e e e 电子电气工程师协会 也于1 9 9 2 年制定了谐波限定标准i e e e 1 0 0 0 。 在i e e e s t d 5 1 9 1 9 9 2 标准中明确规定了工厂的谐波电压畸变率( t h d ，t o t a lh a r m o n i c d i s t o r t i o n ) 应低于1 0 ；计算机或类似设备的谐波t h d 应在5 以下；而对于医院、飞 机场等关键场所则要求t h d 应低于3 ，如表1 1 所示。 为了有效地对电网谐波进行限制，我国也于1 9 9 3 年颁布了电能质量公共电网谐 波标准( g b t1 4 5 4 9 - 9 3 ) 。国标对谐波电压和谐波电流做出了规定，其中谐波电压规 定见表1 2 。 究 m e e5 1 9 廛旦堑压 ! 望堂亟堕銮奎21 婴 敏感类场所：机场、医院 3 一般应用：办公大楼、学校 5 专用系统：工厂 0 ) 为电压信号v ( t ) 的小波包函数的系数， 也称为小波包变换系数。 在电力系统中，电压信号淞的值在某一尺度_ ，上可以用小波包变换系数表示为： ：出：2 羔1d ? j a ( t ) + 窆2 j r ) 卜 ：2 v - j _ k 】2 肌以) 】2 出+ 2 1 - 12 芝1 跏) 】2 ，陬 ( 4 3 0 ) + 2 d ；( 惫y ；( 七) j ( f ) 甲j ，。( o a t 由( 4 2 6 ) 式，根据小波包变换性质，方程可以近似为： 西华大学硕士学位论文 m 2 出= 萼2 施) 】2 那么，电压y ( f ) 的r m s 可以表示为： 其中：巧= = 丽鬲阿1 2 ”- 1 跨霭丽= 踞 ( 4 3 1 ) ( 4 3 2 ) ，形是信号电压在分解尺度为j f 时第i 个节点频带的电 压的r s m 。 同理可以推出电流f ( f ) 的r m s 值： 其中：e = i 一瓤丽阿 雳骊= 痧 ( 4 3 3 ) ，d 0 ( 七) 是电流f ( 玎) 的w t c s ，髟i 是电流在第_ ，层第f 个 节点频带的电压的r m s 。 功率是电流和电压的乘积，只要对电流和电压信号用相同的尺度分解，用相同的母 小波包函数就可以实现在相同频带内的谐波电流和电压的测量，从而实现在该频带内的 功率测量。 如果v ( f ) 和f ( f ) 的小波包变换系数用相同的小波包函数w ( t ) 表示，则能量可以表示 为： f ( f ) a t ：f 2 艺id 渺0 耽“f ) + 2 - n 乏- j - - d i ；哪r ) 2 ”i2 j i2 ”，一1 1 l d o 凇) ( f ) + d ；( 七) v 从f ) i d t ：2 昏d 柏肌( ，) 】2 出+ 2 1 - l2 警1 d d 相m 州2 出 4 3 4 ) + d ；( 后) d j ( 露) ( f ) 甲j ，。( t ) d t 2j l2 “，一l + d j ( | j ) d ；( 后) j ( f ) 甲j 。( t ) d t 基于a r m 和虚拟仪器技术的谐波分析方法研究 根据( 4 2 5 ) ， ( 4 2 6 ) ， ( 4 2 7 ) 小波包的性质，则上面等式变为： ，v ( t ) i ( t ) d t = d j ( 足) d 购 ( 4 3 5 ) 根据i e e e es t d 1 0 0 - 8 8 规定，电源功率为： 尸= ；r 砸y ( t ) d t - - 歹12 缶j - 1 v ( 砂( 功兰专莩2 言衫( 约一= 莩弓 c 4 3 6 ， 这里巧= 寿d j ( j ) d 0 ( j i ) ，巧是在分解尺度为j 时第f 个节点频带上的功率值。 由于小波包分解后的系数可以通过小波包重构滤波器重构出在各频带内的时域信 号，基于小波包分解系数重构的谐波含量的计算方法，可以部分消除频带重叠带来的误 差。计算过程和计算公式的推导都与小波包分解系数下的计算方法一致，只是系数不同 而已。 根据公式( 4 2 1 ) ，信号可以通过小波包分解系数重构出各个子频带内的时域信号。 重构后的时域信号可以表示为 x ( t ) = 并o ( f ) + x 1 0 ) + + 工2 ，一l ( f ) 其中，工( f ) 表示原始信号；x 0 ( f ) ，为( f ) ，x ：山( t ) 表示经过小波包分解系数重构后 在各个子频带内的时域信号。可见，小波包分解系数重构后的各个子频带时域信号的叠 加和就是原始信号，分解的频带个数由分解尺度决定。这个性质刚好满足电力系统谐波 的特点，通过小波包分解系数的重构就可以把电力系统中的各个频带内的谐波参数进行 分析，还可以同时跟踪观测各个频带内包含的谐波的变化情况。 4 3 2h a a r 小波 h a a r 小波是小波分析中最早用到的一个具有紧支撑的正交小波函数，也是最简单的 一个小波函数，它是支撑域在t o ，1 】范围内的单个矩形波。h a a r 函数定义如下： 甲( f ) = 一1 ( o f i 1 ) 二 ( 丢f 1 ) 二 0 ( 其它) ( 4 3 7 ) h a a r 函数降矧的小波波形图如图( 4 2 ) 所示。 由h a a r 小波函数定义式和波形图，都可以看出h a a r 小波函数在时域上不是连续， 所以作为基本小波性能不是很好，但是它也有自己的优点： 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 计算简单，h a a r 小波函数值只有1 和一l 。 ( 2 ) h a a r 小波属于正交小波，在时域是紧支撑的，其非零区域为( 0 ，1 ) 。 ( 3 ) h a a r 小波函数是对称的，对于去除相位失真是非常有利的。 甲( f ) - l ： 1 ： 一 ： 2 ： 图4 2h a a r 小波函数波形图 f i g4 2 w a v e f o r mo f h a r rw a v e l e t 4 3 3d a u b e c h i e s ( d b n ) 小波 d a u b e c h i e s h 小波是有世界著名的小波分析学者i n r i dd a u b e c h i e s 构造的小波函 数，一般写作d b n ，n 是小波的阶数。小波、王，( f ) 是尺度函数矽( f ) 中支撑区为2 n 一1 ，、王，( f ) 的消失矩为。除= 1 外，d b n 不具有对称性( 即非线性相位) 。除= l 外，d b n 没 有明确的表达式，但转换函数h 的平方模是很明确的。 一l 令p ( y ) = 碟- l + k y ，其中，c - 1 “为二次项系数，则有： k = o | m o ( ) 1 2 = ( c o s 2 詈) 2 尸( s i n 2 詈) ( 4 3 8 ) 1 2 - 1 式中朋。( ) = 去心口。 二k = 0 d a u b e c h i e s 小波具有以下几个特点。 ( 1 ) 在时域上是有限支撑的，即、王，( f ) 长度有限。而且其高阶原点矩it v 、 f ( t ) d t = 0 ， p = o ，n 值越大，、王，( f ) 的长度就越大。 ( 2 ) 在频域上v ( c o ) 在国= 0 处有阶零点。 基于a r m 和虚拟仪器技术的谐波分析方法研究 ( 3 ) w ( t ) 和它的整数位移正交归一，即i 甲( f ) 、壬， 一k ) d t = 瓯。 ， ( 4 ) 小波函数v ( t ) 可以由所谓“尺度函数”( f ) 求出来，尺度函数( f ) 为低通函 数，长度有限，支撑域在t = 0 ( 2 n 一1 ) 范围内。 4 4 本章总结 本章从信号分析的角度，分析了小波包变换理论，介绍了小波包变换的定义与性质 以及最优小波包基的选取。同时还介绍了两种小波包基函数的性质，重点分析了小波包 分解系数重构算法，并由该算法推导出谐波电流，电压的有效值通由小波包分解的节点 系数表示的方法，说明了小波包变换在时频分析上的特性。为基于小波包变换的电力系 统谐波分析打下了理论基础。 2 4 西华大学硕士学位论文 5 硬件电路设计 由前面第四章可知，小波包变换是一种有效的时频分析工具，它采用的是尺度分析 方法，在信号的不同部位得到最佳的时域分辨率和频域分辨率，为信号分析提供了一条 新途径。小波包空间的分解应用于信号处理领域可实现信号在各频带上的分离。因此， 将小波包变换技术应用于电网信号分析，可以实现基波与谐波分量的有效分离池1 。 基于小波包变换谐波电压分析系统结构如图5 1 所示。总的来说，它是完成类似数 字滤波器的功能，电网信号中含有基波和多次谐波，经过a d 采样，将模拟信号离散化， 将基波与各次谐波分量分解到不同频带的子频带信号中，从中检测出基波分量体现的子 频带区域，则其余子频带区域均为谐波分量所体现。将基波分量的子频带区域进行重构， 得到基波分量，总的来说就是通过小波包分解与重构的性质，达到不同频率的信号的分 离。 图5 1 基于小波包变换谐波分析系统图 f i g5 1s y s t e mo f h a r m o n i ca n a l y s i sb a s e d0 1 1w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m 根据整个系统功能对软硬件以及实时性的要求，在设计中可有两种方案进行选择， 一种是基于传统的双c p u 模式的分析方法，另一种就是基于嵌入式系统的分析方法。 5 1方案比较 方案一：基于传统的双c p u 模式的分析方法 如图5 2 所示提出的方案。此方案采用传统的主从式系统硬件设计，采用 m c u + d s p 的双c p u 并行处理技术，配以适当的外围接口电路来完成各项功能。主要 包括数据采集单元、数据处理单元( d s p 单元) 、主机控制单元( m c u 单元) 和人机 接口单元。三相交流电压、电流共六路模拟量通过电压、。电流互感器后，在经过低通滤 波、采样保持后，分别送入两路a d 转换芯片，d s p 单元对a d 芯片输入的信号进行 运算处理，并通过双口r a m 与单片机单元进行通讯，实现快速数据交换，m c u 单元 作为控制主电路完成数据的再处理和对人机接口单元的管理功能。 基于a r m 和虚拟仪器技术的谐波分析方法研究 方案二：基于新型嵌入式系统的分析方法 此方案采用比较新型的嵌入式系统。本文使用a r m 9 系列的s 3 c 2 4 1 0 a 作为主控芯 片，外接f l a s h 和s d r a m 配以适当的外围接口电路组成a r m 的最小系统。三相交 流电压、电流六路模拟信号通过电压、电流互感器后变成小信号，为了消除干扰，还要 经过低通滤波，最后将真分别送入两个a d 转换芯片。a r m 主控单元控制a d 芯片进 行数据采集，然后把转换的数据读进来存储，并进行运算处理。同时还可以把采集的数 据传至p c 机上进行实时处理。 = = r一诵信 l l “旧 i 封黼换j hd s p 双口m c u 处理器 卜_ r a m + 8 0 5 1 i h 佃转换卜 i l 显示 图5 2 方案一框图 f i 9 5 2t h ed i a g r a mo f t h ef i r s tp r o g r a m 三路电 叫仰转换卜 s 3 c 2 4 1 0 a一液艋示 压信号 ( w i n c e ) 三路电 一柚转换卜 一k 机 流信号 图5 3 方案二框图 f i 9 5 3 t h ed i a g r a mo f t h es e c o n dp r o g r a m 5 2 方案的论证、选择 从上面两个框图可以看出，这两个方案中最大的区别是主控单元不一样。在方案一 中使用选用了d s p 和8 0 5 1 系列的微控制器，采用这样的结构，可以充分发挥d s p 芯片 的运算优势和m c u 的控制功能。系统中的复杂软件算法特别是数字信号处理算法就可 以很容易的得到实现，运算速度也得到了很大程度的提高，最大限度地提高了整个系统 的效率和性能。但是由框图可见电路比较复杂，对硬件要求比较高，软件的实现困难很 大。而在方案二中使用基于周立功的m a g i ca r m 2 4 1 0 的实验箱作为主控单元，它提供 话华大学硕士学位论文 了多种接口，可以方便的实现数据输出到计算机去进行分析，只需外接自制的a d 数据 采集电路板即可。软件则采用了嵌入式的w i n c e 系统，应用程序的编写使用e v c + + 语 言来实现。另外根据a r m 9 芯片的运行速度，再加上软件算法的改进，完全可以实现对 电力参数的实时采集和处理。所以本文选择方案二。 在方案论证中我们选择了基于a r m 9 系列芯片的系统方案。在硬件设计方面我们采 用广州周立功的m a g i ca r m 2 4 1 0 实验箱作为系统的主控单元，负责a d 的启动、数据 的读取以及运算处理。实验箱上的d e v i c ea r m 2 4 1 0 核心板使用的就是a r m 9 系列的 $ 3 c 2 4 1 0 a 芯片，而数据的采集模块则作为该主控单元的外围器件挂载到实验箱的系统 总线上。其硬件的总体框图如图5 4 所示。 图5 4 系统硬件的总体框图 f i 9 5 4 t h et o t a ld i a g r a mo ft h ea n a l y s es y s t e m sh a r d w a r ep a r t 该系统的硬件主要由以下几个部分构成：数据信号采集及处理模块、通信模块、a r m 实验箱模块等。 系统硬件部分主要完成的功能是： ( 1 ) 信号检测及处理，利用电流互感器( c t ) 、电压互感器( v t ) 经高速转换模块， 把c t ，v t 输出的模拟信号转换为数字信号。 ( 2 ) 电压和电流基波频率的检测，无论是从电网监控角度还是从基波和各次谐波 的分析来说，都是一个非常重要的参数。其分析的准确性也直接影响系统的分析性能和 精度。为了提高基波频率的检测的精度，在这里可采用结合锁相环技术的周期法来实现。 2 7 基于a r m 和虚拟仪器技术的谐波分析方法研究 ( 3 ) 基波和各次谐波的分量的分解，本设计中在w i n c e 操作系统中使用c v c + + 编程实现小波包变换，从而完成电网的三相电压、电流参数的计算。 5 3 硬件电路设计 在实际电网中，谐波分析一般取2 - 5 0 次谐波，实际分析系统中的采样频率至少为 每周波1 2 8 次。如果每个周波采样1 2 8 次，那么每个采样点之间的时间间隔仅有1 5 6 z s ， 传统的m c s 5 1 、m c s 9 6 单片机的指令周期最快能够达到1 6 0 n s ，在多个通道同时采样 的情况下，很难满足实时分析的要求。而且本系统需要进行高速的数学运算，需要提供 良好的人机接口和操作界面，需要大容量的存储设备，还要满足小巧轻便的要求。从这 些角度出发，本文选用了三星公司的a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 作为系统主控制c p u 。 5 3 1 a r m 概述 1 a r m 处理器1 a r m 内核是全球领先的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 微处理器内核，其内核技术广泛应用 于各个领域，已成为r i s c 标准。当前a r m 有5 个产品系列：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ， a r m l 0 和s t r o n ga r m 。a r m 处理器具有几大特点：小体积、低功耗、低成本、高性 能。a r m 7 处理器共有7 种运行模式，如表5 1 所示h 钔。处理器模式可以通过软件控制 进行切换，也可通过外部中断或异常处理过程进行切换。 2 a r m 芯片的选型： 在嵌入式项目开发中，a r m 芯片选型的一般原则刚是： ( 1 ) 对芯核的选择 有许多操作系统需要m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 的硬件支持，如l i n u x 或 w i n c e 等，这是选择的芯片必须基于带m m u 功能的a r m 芯核，如a r m 7 2 0 t ， s t r o n g h n m ，a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t ，a r m 9 4 6 t ，而a r m 7 t d m i 则没有m m u 。 ( 2 ) 对内存容量要求 系统的运行速度不仅仅受限于c p u 主频，还和内存的大小有很大的关系。此外， 不同的操作系统对内存要求也很不一样，因此应该结合应用条件，根据将要使用的操作 系统和可能运行的程序要求，选择具有适合内存的芯片。 ( 3 ) 对时钟的要求 系统时钟决定了a r m 芯片的处理速度。a r m 7 的处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见 的a r m 7 芯片系统主时钟为2 0 m h z 一1 3 3m h z ，a r m 7 的处理速度为1 1m i p s m h z ， 常见的a r m 9 的系统主时钟为1 0 0m h z - 2 3 3m h z ，a r m l 0 最高可以达到7 0 0 m h z 。此 外，不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只有一个主时钟频率，这样的芯片可能不能 西华大学硕士学位论文 表5 1a r m 处理器的7 种工作模式 t a b 5 1t h e7m o d e so ft _ h ea r m p r o c e s s o r 处理器模式描述 用户模式( u s e r , u s r ) 快速中断模式( f i q ，i r q ) 外部中断模式( f 1 q ，蛔) 特权模式( s u p e r v i s o r , s v e ) 数据访问中止模式( a b o r t ，a b t ) 未定义指令中止模式( u n d e f i n e d ，u n d ) 正常程序执行模式 用于高速数据传输和通道处理 用于通常的中断处理 供操作系统使用的一种被保护模式 用于虚拟存储及存储保护 用于支持通过软件仿真硬件协处理器 同时估计u a r t 和音频时钟的准确性，如c i r r u sl o g i c 的e p 7 3 1 2 等；有的芯片内部时 钟控制器可以分别为c p u 核和u s b ，d a r t ，d s p 、音频等功能部件提供不同频率的时 钟，如p h i l i p s 公司的s a a 7 5 5 0 等。 ( 4 ) 接口和外围设备的要求 在不同应用场合，需要使用不同的接口和外围设备，而选用的芯片必须带有或便于 扩展这些接口。例如，若要开发p d a 产品，就要考虑l c d 接口，键盘接口等；如果涉 及音频应用，就可能使用i i s 或s p i 等接口；而一般的芯片都要带有g p i o ( 通用输入输 出) 、d a r t ，a d ，d a 接口。通常还要考虑的接口有u s b ，i i c ，r d a ，p w m 等。 此外，l c d 控制器、r t c ( r e a l t i m ec l o c k ) 、中断控制器也是选择芯片时常常要考虑 的因素。 3 s c 体系结构 传统的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构存在固有 的缺点，即在c i s c 指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有2 0 的指令 会被反复使用，占整个程序代码的8 0 ，而余下的8 0 的指令却不经常使用，在程序设 计中只占2 0 ，显然，这种结构是不太合理的。 基于以上的不合理，1 9 7 9 年美国