（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的电力系统谐波测量装置的研究.pdf

鼹毫交邋大学颂硪究生学位论文 第珏页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo fe l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya tf u l ls p e e d o fd e v e l o p m e n t ，w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fv a r i o u sk i n d so fe l e c t r i ca n d e l e c t r o n i cc o n v e r t e r sm a do t h e rn o r l - l i n e a rl o a ds u c ha s a r cf u t n a e e + t h i sp r o b l e m a b o u th a r m o n i ch a sc a u s e dp e o p l e sm o r ea n dm o r ec o n c e r n sa n dd r a w nm u c h a t t e n t i o ni n c r e a s i n g l yb ye n t e r p r i s e sa n dp o w e rm a n a g e m e n ts e c t o r s o nt h e o t h e rh a n d ，t h er a p i dp r o g r e s si nc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，s i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r y a n dm e t h o d sa n dt h es h a r pd e l i n ei nt h ep r i c e so fd s pc h i p sh a v et e d t h e a p p l i c a t i o no f d s p t oam o r ep r o f o u n de x t e n t i no r d e rt om o n i t o rp o w e rh a r m o n i cr e a l t i m e l ya n da c c u r a t e l y , g r a s pt h e a c t u a lc o n d i t i o n so fp o w e rn e t w o r kh a r m o n i c ，t a k em e a s u r e st os u p p r e s st h e h a r m o n i ca n di m p r o v ep o w e rq u a l i t y , t h ep a p e rp r e s e n t san e wd e s i g no fa h a r m o n i ct e s ta p p a r a t u sf o rp o w e rs y s t e mb a s e do ns i n g l e - c h i pm i c r o c o n t r o l l e r a t 8 9 c 5 1a sm a s t e rc p ua n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 零礁s 3 2 0 v e 5 4 0 2a st h e s l a v ec p u t h i sd e v i c eh a sac h a r a c t e ro fo p e r a t i o nf a s t ，p r e c i s i o nh i g n ，s i m p l e s t r u c t u r e ，r c l a t i v e l yc h e a pc o s tf o rf a b r i c a t i o n ，o p e r a t i o ne a s i l y , s t r o n gd i s p l a y a n ds oo n t h ep a p e ra r ec o n c e n t r a t e do nd i s c u s s i n gt h ed e s i g nm e t h o do f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea b o u th a r m o r f i ct e s ta p p a r a t u sf o rp o w e rs y s t e mb a s e do n d s pt e c h n o l o g ya n da r el a i do nt h ef o l l o w i n g ：( 1 ) o v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e m a n df u n c t i o no fc i r c u i t ， ) h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d i n gp o w e ra n dc l o c kc i r c u i t ， m dc o n v e r s i o nc i r c u i t ，p h a s el o c k ，h p ii n t e r f a c ec i r c u i t ，k e y s t r o k ea n dl i q u i d c r y s t a ld i s p l a ya n ds oo n ，( 3 ) d e s i g no fs y s t e ms o f t w a r ei n c l u d i n gt h ep r o g r a m o fa dc o n v e r s i o n ，t h ep r o g r a mo ff f tw i t ha s s e m b l el a n g u a g e ，d s pm a s t e r i n t e r f a c e ，t h ep r o g r a mo fk e y s t r o k e l c dd i s p l a yi n t e r r u p ts e r v i c e ，d s p b o o t l o a d e ra n ds oo n ，( 4 ) s y s t e mm e a s u r ef o ra n t i - i n t e r f e r e n c ea n ds o f t w a r e s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，h a r m o n i ca n l y s i s ，p o w e rs y s t e m ， s i n g l e c h i pm i c r o c o n t r o l l e r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 近年来，随着电力电子技术的发展，变流设备、变频调速装置、电气化 铁道和电弧炉以及其他非线性负载不断引入电力系统，大量谐波电流注入电 网，造成电力系统中谐波含量急剧上升和电压波形严熏“畸变”，致使电能 质量下降。目前谐波、电磁干扰和功率因数降低已并列为电力系统的三大公 害。因而了解谐波产生的机理，消除供配电系统中的高次谐波，对改善供电 质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。因此，采用谐波分 析仪对各种负荷产生的谐波进行测量、分析，使运行人员及时掌握谐波产生 的时间、地点、原因及规律，并在生产运行中采取适当的措施，具有很大的 实用价值。 谐波对电力系统电磁环境的污染不仅危害系统本身的安全，而且对广大 电力用户的危害面也是十分广泛。归纳起来其主要危害有1 1 1 1 2 1 ： ( 1 ) 消耗无功，增加线路损耗，增加设备温度； ( 2 ) 引起设备过载，恶化绝缘条件，缩短设备寿命； ( 3 ) 降低负载工作性能( 如可能引起电机的机械振动) ； ( 4 ) 无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大，甚至造成谐振； ( 5 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机系统产生干扰和造成误动作； ( 6 ) 影响测量仪表的精度，造成电能计量的误差； ( 7 ) 对通信系统和计算机网络产生电磁干扰( e m i ) 等。 由于有这些方面的危害，因此将谐波的管理、检测和研究任务摆在了我 国电力工作者的面前。 研究谐波问题的重要意义口) ： 对自然环境的污染问题早已引起世纪各国的重视并且都制定了相应的 环境保护法，对各种污染源排放的容许量加以限制并进行监测和管理。在电 力系统中，各种谐波源产生的谐波也对电力系统环境造成污染，影响到整个 电力系统的电气环境，包括电力系统本身和广大用户，而且其污染影响的范 围大，距离远，可能比一个工厂对大气环境的污染距离还要远，范围还要大。 谐波研究的意义，首先谐波带来的严重影响已经危及到用电设备，变电 站设备和电力系统载波通讯等。如何能够把谐波的危害最大限度地减少，是 目前电力方面急于解决的问题，而解决这一问题的关键在于定量地确定谐波 话南交通太举硕士研究擞学位论文 繁2 滚 的成分，幅值和相位等。这也正是我们进行谐波分析的目的所猩。 其次，豳予现代工渡、离业及居民翔户鲍用电设备对供电爱爨提出的要 求越来越嵩，函j 毙，谐波籀制及 谣装蓬豹研制已势在必行。这魏装置到赢 需要补偿多大的谐波，需要进行怎样的补偿装置，以及需要达到怎样的补偿 效果都是以谐波分析得到的结果为依攒的。 谐波磷突瓣意义，爨霹颤上舞曩扶治理环境污染，维护绿色环境的角度 来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主簧拣志之一。 在电力电子领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对 地球环境的保护已成为众人类的共识。对电力系统谐波污染的治理也已成为 邀工科学搜术暴蜃必须鳞决懿滔题。 1 2 国内外研究发展概况 谐波是电能质量的一个重要指标。随着基于大功率电力电子开关设备的 骛及庭爱，它爨豢寒懿麓秘毫麓囊爨阏耀基雩l 嫠务霆电力工终卷旋毫囊重 视，提高电能质量的新技术已成为近年来电力系统研究领域中新躺研究熟点 口】。1 9 9 2 年7 月，欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 正式颁布公用配电系 统供电特憔文件，作为欧洲共同体市场对电能质爨的统一标凇，势已为国 舔窀工委爨会( 1 嚣) 采鲻。该文舞在广泛啜渡i 嚣捧准瓣基磴生，鬟重中、抵 压配电系统用户供电端的电能质量作了全面的规定。1 9 9 3 1 9 9 5 年，美国 电力研究院( e p r i ) 在全国范围内进行了大规模的电能质量普查，获得了大量 电能质量数据，与此同时，国外又兴起7 研究“用户特定电力”( c u s t o m e r p o w e r ) 豹离潮，箍鑫羁麓壤力电子控赣嚣捷嵩酝毫爨供毫静可靠靛帮毫能囊 量，随着计算机技术的不断发展，以此为基础的诸如时域仿真，频域分析以 及建立在不同变换基础上的各种数字技术，如基于f f t 变换的谐波分析，小 波变换等融凌分析电压、瞧流抗动波形，元传参数瓣这些扰动携影嘀，系统 中麓谐波疆及开发臻戬瓣决毫髓质鬈阏题豹薪墼毫力电子控割瓣等方蟊，褥 到了广泛威用。 随着对电能质量问越研究的深入，国内外也出现了相应的测缀仪表。如： 美国f l u k e 公司兹f l u k e 4 3 型手持式供瞧震量分掇便，可敬提供漱力系统维 修，供电敲簿褥豫及设备放障诊断掰糯鹃铡耋簿。瑞士菜姆公司的锤形功率 谐波分析仪( a n 2 0 6 0 ) ，它熄集电力表、示波器、谐波分析仪和数掇记录仪于 一身。瑞典联合电力公司的便携式电能质量分析仪( u n i l y z e r9 0 0 f ) ，可测 璧记录全部电力参数及 褰波，三担不平餐度窝凌交等毫毙囊璧参数。 器鸯交遴大学硪磷究叟学位论文第3 页 受然我国的电力工业取得了迅猛的发展，但是我国对电能质量监测装置 的研制尚处于起步阶段，融行研制开发的高质藿电力系统离动化 霾 | 量装置还 很少。国内生产厂家的前沿测控装置大多是采用革片微穰来实现静，其主簧 韵优赢是构成篱举、实现方倭、价格瞧毙较 氛廉。毽还存在些润题p ) ： 1 ) 懿理功能较蓑，可扩震存锉空闻较，i 、，运算速度较馒，难以运用精确 严格的算法进行大量的实时数据处理，不满足电力监测高实对性的要求； 2 ) 电力系统中最常用微处理器包括5 1 系列和9 6 系列等控制型器件， 但随着电力系统对实时性，数据量和计算蜃求的不断提高，这些器件在计算 能力方面已不能很好的适应电力系统的要求。致使电力系统的高精魔测鼗， 宴时簸控和先迸算法的运用受至l 了限制； 3 ) 有的产品虽然直接弓| 迸了国舞韵技术模坟，功能较强，霹是价格鞍 藏，墨不究全逯台我鐾枣场； 4 ) 蠢豹产品无通识和控制竣出功自g ，不满足电力系统网络化，自动化的 发展方向； 另外，目前电力部门用的谐波测量和分析装置大多数是进口的豳外产 品，价格昂贵。因此开发实用，可靠性高并且能满足精度要求的低成本产1 箱， 援高闰内浏蠢装黉的自动优水平，就成为一彳串其有重要意义的事情。这也是 攒在我们电力工作者谣前难得静棍遏粒揍战。 1 3 本课鞑研究的内容 本文磺制的装置主要针对我豳电力系统供用电的现状，以谐波的测量和 分析为主，并使装置尽可能包括锫种电能质爨参数，为电阕的运行和管理提 供详细可靠的电力参数。力求在借鉴间类装鹭的基础上，研制和开发种实 用、低成本的便携式电力系统谐波测量装置，以适应配电网的发展。 本课题的主要研究内容： 简要豹国颟帮分柝当前耄力系统豹谐波溺麓，研究瑗状及荚测量装 鬟存在豹翘越； 讨论谐波的撰标粒谐波的测爨原理及分掇方法： 为满足在线败测的实时性要求，选用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为 本系统的主c p u ，该芯片功耗低、性能高，1 6 位定点速度为i o o m i p s ，能在 两次采样间隔时间内完成各种计算，并通过革片机将结果送入液晶显示器进 行显示，真戒实现了时毫能质薰的实时懿测： 完成本装餮的硬件系统设计，主要苞括戳d s p 芯片为核心静中夹楚 嚣南交通天攀硕士研究瓷学谴论文筹4 菠 理器板，a d 采样、锁相环、单片机、电源模块、f l a s h 、l c d 等外围设备接 口；实现了数据的诗算传辕显示以及通信等功能； 在软件上，采焉邋蹋豹f f t 算法，和翔d s p 离速率特性可以在两次 采样间隔的时间里完成各个电能参数的计算，达到计算和采样的同步。软件 设计还考虑了升级的可扩展性，可通过对d s p 程序的更新来达到算法的升 级。 醺南交透大学磺士研究生拳倥论文 第5 瑟 第2 章数字信号处理器 步入2 l 谶纪之后，社会也进入了数字化的时代。褥数字信号处理嚣 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 正是这场数字化革命的核心。从2 0 世纪 印年代数字信母处理理论的崛起，到8 0 年代数字信号处理器产生以来，数 字德号处理器戆发震迅速雾鬻。今天数字傣号娃理嚣已缎广泛塞臻褒社会各 个领域，也渗透划我们的生涌中，正改交麓我们的生滔方式。 2 ，1d s p 的基本知识 数字痿号楚遴器，盘稼d s p 芯冀，是一耱专门震予数字信号楚理豹徽处 璎器。d s p 的内部采用程序总线和数据总线分开的哈佛缩构，具有专门的硬 件乘法器，广滋采用流水线绦作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实 现备种数字信号处理算法“】。 2 1 d s p 芯片的特点 数字信号处理器与普通处理器相比有以下特点【4 】： ( 1 ) 采用嗡佛总线结构，程序处理器姆数据处理器分开，有各自嬲总线 绩褥，藏少了憨线辩系统茨纛力，势可在砉 i f 行臻令器重采翔滚承线臻幸挈，读取 指令、译码等操作均可并行进行。 ( 2 ) 具有黼速的片内程序存储器和数据存储器，对于一些简单撩作，可 以在片内完成，避免与外部的低速存储嚣豁交道。 ( 3 ) 昊骞离遽阵剜乘法嚣等专蘑疆伟，增强的多级滚承线，健d s p 器件 具有高速的数搬运算处理能力。 ( 4 ) 具有商速i o 口。包括并行口、串行口及d m a 控制器，片内i o 翻鞭以提裹数攒交换靛速度，减少系统复杂性。 ( 5 ) 其有满足信号处瓒要求的一些特殊指令集，摄嵩了f 孵茯速傅立时 变换和滤波器的运算速度。 ( 6 ) d s p 器件提供5 t a g 标准测试接蹦，不但能控制和观察处理器的运 行，测试芯片，迩戆翻雳接弱装入程痔。开发手段更走逑，援量生产测试更 方便，开发工暴可实现全空阔仿真，不占用用户资源。 2 1 2d s pj 生电能质量测量中的应嗣 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 电能质量传统测量方法是利用数据采集卡和工控机来实现，但这种设备 体积大，费用高，且不利于大量安装到现场。另外，由于电力系统处理的数 据量大，实时性要求较高，普通的微处理器如：5 1 、9 6 系列单片机已不能 满足速度、精度等方面的要求，而d s p 处理器以其r l s 级指令系统和哈佛结 构显著的计算能力和实时性，正逐渐应用到电力系统中来，必将成为未来电 力行业的热点。 2 1 3d s p 芯片的选择 d s p 应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的d s p 芯片的基础。 运算量小则可以选用处理能力不是很强的d s p 芯片，从而可以降低系统成 本。相反运算量大的d s p 系统则必须选用处理能力强的d s p 芯片，如果芯片 的处理能力达不到系统要求，则必须用多个d s p 芯片并行处理删。 对于我们的电力系统的检测，我们采用的是基于f f t 变换的谐波分析方 法，为了计算谐波，我们必须采集一个满周波，因此采用的是按帧处理，不 是每个输入样点循环一次，而是每隔一定的时间间隔( 通常称为帧) 循环一 次。例如电力系统一周波大约2 0 m s 为一帧，对于三路电压和电流的采集， 每2 0 m sf f t 算法应循环六次。所以，选择d s p 芯片时应该比较一帧内d s p 芯片的处理能力和d s p 算法的运算量。对于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 循环一次2 5 6 点 的f f t 大约需要l o o u s ，处理六路信号大约6 0 0 u s ，加之还有其他如：幅值， 谐波分析，功率计算等需要的计算时间，故选择t m s 3 2 0 v c 5 4 x 系列可满足实 时要求。另外，考虑到价格，芯片的硬件资源，还有利用的成熟度和可靠度 及实验室现有条件等原因。在这里我们选择t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片。 2 2t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的介绍 c 5 4 0 2 是t i 公司1 9 9 8 年后推出的新的一种定点数字信号处理器，它采 用先进的修正哈佛结构，片内有8 条总线、c p u 、存储器和片外围电路等硬 件，加上高度专业化的指令系统，使c 5 4 0 2 具有功耗小、高度并行等优点【5 】。 2 2 10 5 4 0 2 的结构和原理 1 c 5 4 0 2 的总线结构 c 5 4 0 2 片内有8 条总线：1 条程序存储器总线、3 条数据存储器总线和4 条2 0 位地址总线。这些总线的功能如下6 删8 】： 程序总线( p b ) 传送取自程序存储器的程序指令代码和立即操作数。 器漆交逶大学磷士研究生掌僚论文繁7 贾 3 条数据总线( c b 、d b 、e b ) 将内部备单元( 如c p u 、数据地址生成电 路、程序地址生成逛路、在片外围电路以敷数据存嫱器) 造接在一起，c b 和 礴传送读叁数撵存镰器戆操 謦数；醋传邀警到存储器貔数疆。 4 个地址总线( p a b 、c a b 、d a b 和e a b ) 传送执行指令所需的地址。 c 5 4 0 2 可以利用两个辅助寄存器算术单元( a r a u o 和a r a u l ) ，在每个 周期内产生两个数据存储器的地址。p b 能够将存放豹羧痒空闻( 如系数) 中 斡操作数，转送蠲象法器帮麓法器，醣便抗行乘法、暴魏搡作，或逶过数据传 送搬令( m v p d 和r e e a d a 指令) 传送到数据空间的目的地，此种功能，遣同双 操作数的特性，嶷持在一个周期内执行3 绦作数指令( 如r i r s 指令) 。 c 5 4 0 2 还蠢条双淘总线，蠲予寻蛙芯片羚圈电路，这条总线遁j 遗c p u 接翻中的总线交换器连接弱瓣和e b 。 2 c 5 4 0 2 的中央处理单元 c 5 4 0 2 的c p u 基本组成如下： 4 0 经葵零逻辑单元( a l u ) ，大多数冀寒逻辑单元运冀霆令都楚单月 稍指令。 2 个4 0 位累加器a 和b 。累加器a 和b 都可以既嚣成乘法器、加法 器媛a l u 豹目的静存器。此外，在执行m i n ( l a x ) 指令或并行指令l d m a c 时 都婺瑗裂矗氆，这辩，一个熏凝器翱载数攒，另一个竞藏运算。累热瓣矗秘 b 都可分为三部分，具体如下： ( 1 ) 一个4 0 位桶型移位寄存器。 ( 2 ) 乘法器加法器单元。乘法器能够执行无符号数熊法、有符号数乘 法，潋及无簿譬数与奏蛰罨数疆象运募。 ( 3 ) c p u 状态和控制寄存器。c 5 4 0 2 肖三个状态寄襻器和控制寄存器： 状懑寄存器0 ( s t o ) 、状态寄襻器1 ( s t i ) 和处理器工作方式寄存器( p m s t ) 。 s t o 和s t l 包禽套种工作条件和各种工作方式状态；p m s t 中包含存储繇鲍设 鬃羧态及羹毽控捌售惠。 由于c 5 4 0 2 有这些总线缩构，改进的哈佛结构、6 级流水线操作以及专 用的硬件乘法器和特殊的d s p 指令，使得佬可以实现快速的d s p 运算，每秒 的执毒亍速度可达i o o m p i s ( 1 亿条指令) 。 2 2 2c 5 4 0 2 的存储器空阊组织 c 5 4 0 2 的总存储空间为1 1 5 2 k 字，分成3 个可选择的存储器空间：1 0 2 4 k 字鹣扩展程序移继空闻、6 4 k 躲数据空闻魏6 4 k 字熬i o 空间。程序存储器 语南交遗大学硪士职囊生学位论文第8 页 空间存放骥执行的指令和执行中所用的系数表。数据存储器存放执行指令要 用的数据。i 0 存储空间与存储嚣映豫外围设备稻接，氇可戬 乍为辩船躺鼗 据存储空闻使用。在设计辩，要注意这些空闯的分配方式，避蠢合理剃弱室 闻资濂，番剩会造成空闻豹滚费。 c 5 4 0 2 豹片内存姥爨凑一个4 ( 字r o m 积两个1 6 k 字的d a r a m ( 双寻址 r a m ) 。通过状态键：m p m c 位、o v l y 位、d r o m 位来决定“使能”和“禁止” 稷序和数据空间中的这些片内存储器。这三个状态位具体情况如下5 m 2 i i l 4 j ： m p m c 位 若m p m c = o ，刚片内r o m 安排到程序空闻； 若种黼= l ，弱片内r o m 不安排胬程序空闯。 o v l y 经 若溅= l ，粼片内r 嬲蜜撼劐理序秘数据空闯； 藩o v l y = o ，则片内r a m 只安刳# 到数据存储空间。 d r o m 位 若d r o m = i ，则部分片内r o m 安排到数据空间； 若d r o m = o ，则部分片内r o m 不安排剐数据空间。 上述三个状态位包含在处理器工作方式寄存嚣牵( p w s t ) 。鼙2 - i 给出了 c 5 4 0 2 的簸爨释程序空闻存储区黼，并说明了m p m c 、洌疆以及d r o m3 个 状态位静关系。男终，豳予本系统要采蠲势行弓 导方式，因此应把m p m c 萼| 导接蟪，傻褥d s p 上曦复经时进入引导方蠛。 程穿空蚵：页0 o o o o h 厂丽一 f f s o h 擎f f f 挝 o ￥瀚1 ) ( o v l y 蝴、 片内 d a r a 斟：1 6 k o 苫黪1 片秘 中斯矢量 m p ，m c = 程j 葶空间：页0 o 蝴h 厂1 百一 静碌一i 0 0 8 0 h 0 0 9 0 h l l 精( o v l y = o ) 1 | d a r a m ：1 6 k 4 0 0 0 h l ￥黪 |拜部 4 0 0 0 h ；一l q y b x 三盟! 删h 卜藉慧一删n 竺竺卜等， 数据空间 寄存器 片由r a m 竹盎 d a r a m ：】6 k 片内r o m ( d r o m = i ) 外都 ( d r o m = 缣罄 ( d r o m = i ) 井部 ( d r o m = 0 ) 片内 o v l y = i ) 片外 f o v l y = o ) 蜂癸 阔2 - 1t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 存储器映射图 嚣赢交逶丈拳磺士磷究釜拳稼论文繁9 要 1 程序存储器 c 5 4 0 2 的外郝程序存储器可寻址1 0 2 4 k 字的扩展程序存储空闻，它片内 匏r 滋、d a r a m 露渡逶过较 警浃像弱程瘴窑阏。当存谨鼙元浃像裂程黪空滔， 处理器能自动地对它们所处的地址范围寻址。 为了增强处理器的性能，对片内r o m 鞭细分为若干块，这样就可以在片 内r o m 的一个块内取址的同时，又能在别豹块中读取数糖。其中，片恣离 2 k 字r o m 中的痰容是盛l ! 公司定义懿。这2 k 字程穿象润( f s o o h f f f f h j 中甑含如下内容：自举加载穰序、2 5 6 字u 律压缩表、2 5 6 字a 律压缩表、 2 5 6 字正弦函数值查找表、中断向量表。粥外，所剩下的窳间是预先做好的， 用户不毙改变的，赦我们采用外扩的形式，鄹雳f l a s h 采扩展d s p 豹灌序存 储潞。 当处理器氯位时，复位和中断向量都映像到程序空间的f f 8 0 h 。藏位后， 这贱向量可以被麓新映像到程序空间中任何一个1 2 8 字页的开头。这就很容 易将孛凝囊量表麸r o m 中弓| 鼯怨来然蜃嚣缀据存糖器圈蜜接。 c 5 4 0 2 的护展程序空溺，采用分页扩展的方法使程序空闯可扩展到 1 0 2 4 k 。共有2 0 根地址线，还肖一个额外的存储器映像寄存器一程序计数器 扩展寄存器( x p c ) 。程序空间分成1 6 页，撼页6 4 k 。 当冀蠹r a m 浃像至l 程彦空闼瓣，每趸疆窍存镶器分成嚣蘩分，一帮分是 公麓的3 2 k 字，为所有页共事，且它哭熊程0 页，不黯跤像刭程序存储器躯 其他页；另一部分是各自独寂的3 2 k 字，烈能按指定的陌号寻址。 2 数据存储器 c 5 4 0 2 熬数撵存德器豹枣爨羡多霹这6 4 k 。冀蠹滁了溅r a m 终，遮数 遴避软件将片内r o m ( 4 k ) 映像为数据存储空间。当处理器发出的地城处在片 内存储器的范围时，就对片内的r a m 或r o m ( 当r o m 设鬣为数据存储器时) 寻 址。当数据存储嚣地址产生器凝出的地址不在片内存储器范围时，处理器就 会舞动蘧鼹努帮数蘩存穰器瀑缝。 为了提高处理器的能力，片内d a r a m 也划分成8 k 警的两块。分块后， 用户可以在同一个周期内从同块d a r a m 中取出两个操作数，并将数搌写入 一块d a r a m 中。 3 i o 存储耧 c 5 4 0 2 除了程序和数据存储器空间外，还有一个i o 存储空间。它是一 个6 4 k 字的地舭空间( 0 0 0 0 h f f f f h ) ，都猩片外。可以用两条指令( 输入指 令p o r t r 帮输或指令p o r t w ) 辩i 0 空润寻址。 疆燕交遴大学碟圭磺究生学位论文第1 0 页 2 2 。3 系统片内外设 这里其介绍本设计中埔弱的尼个主要外设m o ”) 。 1 。软结可缡糕等待状态寄存器 软秸哥编程镰待状态鬻存器( s w w s r ) 可以把外部总线周期扩展到1 4 ( 加 倍螽) 个梳器周期，阻适应片外较慢豁设备。它不需要任俘豹争 部疆传，哭 霰用软l 牛来宠成。在访问片外存储器时，s w w s r 可为每3 2 k 字的程序和数据 存储革元凌帮6 4 k 字静i o 空瀚确定从0 至47 个等待状态。 2 主机接口 主极接翻( h p i ) 是一个增强型的8 经著翻，提供c 5 4 0 2 与主飙的接口。 c 5 4 0 2 和主梳通过访滴c 5 4 0 2 肉部鹩存储器来进行信惠鹩交换，关于h p i 约 详缨介缓旅在第翅章。 3 + 对镑发生器 时钟发生器由一个内部振荡器和个锁稠环窀路缰成，它可醵遥避内部 戆最扳或外部的时钟源驱动。锁楣环电路熊使时钟源乘上一个特定的系数 ( 通过设暨时钟模式寄存器的c l 蕊l 2 33 位采实现) ，戳得到一个内部鹩 c p o 时钟，这样我 f ) 在设凝p c b 板时，就可以在d s p 的努瀚选择一个频率沈 c p u 对钟骶的黠钟源，从蒋减少豳离壤带来的干扰。 4 多遴道缓冲串行酯 c 5 4 0 2 飘剪两个独力的多通道缓冲审行嗣( m c b s p ) ，带自动缓冲单元， 并以整c l k o u t 频率计黪。它蹙全双_ i 和双缓冲熬，以提供灵活的数据串长 度。自动缓冲单元支持高速传这并能降低服务中断的开销。提供与编礴器， a d 等设备之闯麴通信，这一部分憋程繁4 章谫详缨贪缨。 2 3d s p 和m c u 的烹从结合 本系统采用单片桃器d s p 相结合( 即主从关蒺) ，零l 用它翻嚣囊憋优点： 帮擎片祝静自动控制和d s p 静强大的数字憝理能力，来完成整个系统静工 乍。单片枫皇要用来完戏人槐交豆朝整个系绞豹协调，即；按键操 乍，功能 避示和向上位梳传输数据：舔d s p 剐宪成数攒静采寨耜处理，擎片梳帮d s p 之间的通僚( 数据交换) ，则利用先进的d s p 主机接口技术( h p i ) 来实现。后 嚣章麓将襻维奔绥它粕豹软硬荦掌设计过程。 单片机采用a t m e l 公司生产的a t 8 9 c 5 1 。a t 8 9 c 5 1 楚一种低功耗、低毫 压、海蠖憩静8 使尊片枫，片内赘有一个4 k 字节豹f l a s h ，它采用了c m o s 器南交通夹攀硕士磷究生擎俊论文第l l 贾 工慧和a t m e l 公司的高密度非易失性存储器( n u r a m ) 技术，而且其输出引脚 和指令系统都与m c s 一5 1 兼容。片内的f l a s h 存储器允许在系统晦可改编程 净残嗣鬻筑的；荔失淫存德器编稷器采编稷。瓣我a t 8 9 c 5 1 楚一嵇功毵强， 灵活牲离虽价臻合理游革冀毒强，哥方馁地痰埂在秽控铡领域。其主骚蛙能 如下： ( 1 ) 4 k b 可缡程f l a s h 存储器( 可经受i 0 0 0 次的麓入擦箱) ； ( 2 ) 全静态工 乍；o 磁o 2 4 鞴 o ； ( 3 ) 3 级程謦存镶器保密； ( 4 ) 1 2 8 8 字节内部r a m ； ( 5 ) 3 2 袈可编程i 0 线； ( 6 ) 2 个1 6 俊定时器计数器； ( 7 ) 6 个中断源； ( 8 ) 可缡娱枣行邋道； ( 9 ) 片内时皴振荡器。 另外，a t 8 9 e 5 l 是用静态逻辑来设计的，冀工佧频率可降到o h z ，并罐 供两种可用软件来选择的销电方式空阔方式( i d l em o d e ) 稀捧电方式 ( p o w e rd o w nm o d e ) 。在窒闲方式中，c p u 薅业工 乍，蕊r a m ，宠对箍计数器， 串行日灏中辑系绞郝继续工 擘。农掉魄方戏中，片内振荡嚣停止工搏，由于 时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内r a m 中的内容，宜剁下一 次硬件复位为止。 零深麓选爝a t 8 9 c 5 1 蒸予下嚣豹考虑： ( 1 ) 臻8 逡惩，孵8 9 c 5 l 是一耪裹蛀携豹8 霞攀片规，遮用予各零孛控剡 领域，两且其技术已经鞠驽成熟 ( 2 ) 价格因索，a t 8 9 c 5 1 价格便宜，适用于大批囊的生产； ( 3 ) 系统缭构，亩予a t 8 9 c 5 1 片海带宥一个k 字节静f l a s h 可编程可 擦除只读存锉嚣( p e r 蹦) ，省去? 岁 接存锉嚣，篱识了系统结橡； ( 4 ) 接嗣电路楚单，a t 8 9 c 5 1 鼹d s p 遵过h p i 接口毅能访超d s p 鹣鹿部 r a m 中数据，读写时序比较简单。另外，刹用串行瑚a t 8 9 c 5 1 通过m a x 2 3 2 芯片可以和上使机传输数据，和用功能强大的! o 臼实现与液晶模块的连 援。 疆南交通大攀硕士磅究生攀位论文第1 2 煎 第3 章电力系统谐波的分析方法 3 谐波的基本概念 劂际上公认的谐波定义为：“谐波悬一个周期电气爨的正弦波分量，其 颓攀受基滚装零的蘩数蕊”。另夕 ，实舔瞧潮中有霹露在一些频率不是麓滚 频率的整数镑的正弦分量，如：分数次谐波和间谐波。怛本文所论述酌是整 数次谐波，电潮中也主要存在这类谐滚。 习惯上，认为电网稳淼的供电电压波形为工频正弦波形，其方均根傅和 频率郝是餐薰，茭波形豹瓣薅鬣表这式哥写威秘l ： 群( 辞) = 4 2 u s i n ( c a t + a ) ( 3 一1 ) ，仃 蹦= 2 万= = 3 2 ) 2 式孛移一魄攫鹣蠢均攫德，彀篷靛溪馑为2 玎； 口一初褶角； 国，薅r 一王频角频攀，频率和周期。 方均榱德( 或瞒傻) ，褐襁角稻角颟率箴频率) 燕确定正弦波酶三个数字 特餐爨，逶豢猕其为歪弦波弱三要素。 难弦电服施加在线性觅源元件电阻，电感和电容上，其电流和电雎分别 为比铡，积分稠微分关系，仍为溷频率豹芷弦波。但巍正弦电压撼娥在非线 性电路上时，电流藏变成非疆弦波，非藤弦电流在窀陌隧抗上产生压降，会 傻毫聪波形瞧变为嚣委弦波。当然，# 蒸弦毫篷麓热程线设邀路土辩，惑滚 也是非正弦波。 嶷交流系绞串，热暴魄蓬嬲邀淡( 都溺f ( t ) 表示) 蹩发生骧交豹耀期蛙 冀# 燕弦波形，则w 以将它 分解为傅立叶级数娜】： ，( f ) = z a 。s i n ( 疗耐+ 矽。) = 编+ ( 矾c o s n t + b 。s i n n a t ) ( 3 3 ) ，i 女oh # 1 冀中：a o 为意漉分量，a 。狡妒。为n 次谐波酶耩谴秘耪相霜： a 。和b 。为n 次谐波的余弦项系数和芷弦项系数。 器瘴交通大学硪_ 矮究奎学伎论文繁1 3 贾 口。* 去f ，触弦触) ( 3 - 4 ) 疗。一了， ) 制栉删柳) ( 3 - 5 ) b - 当f ，) s j n 捍涮枷) ( 3 - 6 ) 在将电歪毫流波形遂萼亍离散采样熬裘释下，计算公式螽下式掰涿： 舻并2n 丢- 1 ，；s 学矗) 7 ) 坟t 并2n 磊- i ，；出笋露) ( 3 8 ) 其中：n 为采榉点的个数，f 。为采样点的数德( 谐波次数龄l ，2 ， n 2 - 1 ) 谱渡禽量胃糯如下羽方法进行计算：首先利用n 点f f t 算法，计算出基 波和各次谐波的实部_ 氍虚部，进而可以求出其幅戗和相像，幅饿求出鼹，就 可戳求出务次谐波的畲惫和谐波总含量。 2 玉奄压蠹为饲，若用f f r 算法求出 黪繁k 次谐波( 鼢2 ，薅) 懿实罄稷鏖部分聚为u ，咎) 器u ，转) ，黉# 第k 次落波窀援熬挺穰移。蠲程角统分潮舞： ( 3 - 9 ) 懈器 给l o ) 基波电压的幅值和相位也可以用类似的方法算出。 3 2 电网谐波参数表示 隽了袭暴遮褒渡髟镰离燕弦波形静耱度，毫能震纛一公糟窀鬻谐波 g b t1 4 5 4 99 3 规定电嘲谐波参数【1 q i ) 谐波会耋( 毫歪藏毫滚) 谐波含量为从周期性交流量中减去基波分鬣后所得的量。 西南交通丈攀硕士磺究玺学位论文第l 碡戮 其谐波电聪含量u h 谐波电流含潼i 阿分剐定义为： u h = 、f 配 ￥n = 2 i l l = z v ， 。2 ( 3 一1 1 ) ( 3 - 1 2 ) 式中u n ，i n 为第n 次谐波电压和谐波窀流。 2 ) n 次谐波电压含有率h r u n ( h a r m o n i cr a t i ou n ) 私n 次谐波奄流含有 率以h r i n ： h r u n 。竺l o o ( 3 一1 3 ) u 1 h r i n ：望x 1 0 0 f 3 1 4 ) l 式中u n - 第n 次谮波毫攫蕊敲蘧( 方均掇镶) ； u 1 - 基渡电聪有效穰； i n - 第n 次谐波电流裔效傻( 方均穰鬣) ； 1 1 - 基波电流有效德。 3 ) 毫压谐波总畸变率t h d u ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 霸惫流谐波 总畸变率t h d i ： t h d u 。丝x1 0 0 ( 3 - 1 5 ) 彰， 7 thdi=羔盟100(3-16) f t 3 。3 电力系统谐波测量的主要方法 梭测电网中的高次谮波，确切掌握系统中谐波的实际情况，对于防止谐 波危害和保诞系统的安全运行是十分必黉的。可以通过计算一个非正弦波的 谐波蠛擅葶堋傻来糖确确定谐波的大小，但翦提怒能够骂嬲j # 正8 玄波电流和 瞧藤鹣瓣辑式。 嚣实骣毫阚串国于冬季孛懿载条佟与王矿企姓熬差慰，逡戏了 实际波形与璇论分聿厅的裔狠大翡区剐，奄流籀毫压怂懿辩析式逻难以写出 了，因而必须采用检测的手段来得至l 谐波的精确数掭。 现肖的谙波稔溯方法主蘩有以下几稀h 目： 螽南交通天举硕士硒究黧学位论文 第1 5 员 ( 1 ) 采用带通或带阻滤波法 最早的谐波测量是袋耀模拟滤波器实觋的，如图3 - i 所示。斑图可知， 输入信号缀放大焉送入一缎并孑亍连菝豹带逶滤液嚣，滤渡器静中心频率f l ， f 2 ，f n 是固定的，为工频的整数倍，且f l f 2 _ 州国憋匿卜 h 。d 圈卜垂卜 h r d y 弋= 二二二7 、一厂 圈4 1 2h p i 时序图 嚣瘗交逶大学磺童疆变生学绞论文第3 4 夏 h d s l h d s 2 h c s 圈4 一1 3h p i 数据传输驰等效输入电路 c 5 4 0 2 的接蹦电源为3 3 v ，其输入电舔的绝对范围燕一0 3 v + 4 5 v ，除 了少数引脚外，熟输入电平是与t t l 逻辑电平兼容的。因此c 5 4 0 2 的输入引 脚仪能与3 3 v 的c m o s 电路连接，不能与5 vt t l 电路、5 vc m o s 电路海接。 s v 苫零l c 撼o s 毫爨戆翰窭售号黉经过毫平转换爱方g l 送绘c 5 4 0 2 ，秀刘霹能 损坏c 5 4 0 2 。由予c 5 4 0 2 的输出信号与t t l 逻辑电平兼容，因此可以赢接送 给5 vt t l 电路躐者输入电平与t t l 逻辑电平兼容的3 3 vc m o s 和5 vc m o s 电路。因此，单片机和d s p 之间通过h p i 逡按时，需要墩平转换。一般采用 s n 7 4 l v 2 4 5 芯片，英鼗莛线只蠢8 位，敖要溺薄片寒完残，_ i 傅毫压为3 3 v ， 可耐5 v 输入，输出3 3 v 。 4 4 人机接口模块的硬件设计 4 。4 液晶显承模块的缀成 液晶显示器( l c d ) 具有显示信息多，体积小、功耗低、重量轻、趣薄等 诸多其它显示器嚣法比拟的优点，在许多单片计算机盛用系统中被广泛应用 予终端显示、入橇接墨。本系绞选爱香港糙魄公司翡m g l s l 2 8 6 4 兹液黼嚣示 器p ”。它是一种图形汉字液鼎艘示器，主纂e e | 行驱动器，列驱动器，及1 2 8 6 4 全点阵液晶鼹示器组成，可以点阵方式完成图形和汉字的显示。它内置 两片h 沩1 2 0 2 1 j 秘一片h 粥1 2 0 3 u 液晶驱动羧潮器，可以煮按与8 位微搬理器 接鞠，盈结梅麓攀，使霞方餐。箕凌部缀成麴图4 一1 垂掰淤。 嚣南交通大学硕士研究生学位论文 第3 5 匿 ( o l ，0 2 ， 图4 - 1 4m g l s l 2 8 6 4 的内部缝梅 控案g 器熄熬个显示系统的核心，具有自身的潜钟僚号，并提供一套完整 瀚质耋系统。它霹与c p u 遥媸，实现对外帮数据熬读警操 笮，j 丕可方便静改 戮屉示窗口所柱的位鬣。撼个6 4 行1 2 8 列的照示屏被分成左右两部分， 姣发裂卷是y 继，每群鼠i 爨6 4 ，嚣鬓建1 2 8 。双上裂下蹙x 辘，分或8 厌( 1 - 8 ) ，共8 8 = 6 4 。i c l 、i c 2 帮i c 3 舆有6 4 路输如，以驱动l c d 。i c l 釉i c 2 为列驻劝器分粼控制纛示霹躺左主| 蠹器帮右带羼，i t 3 为行驱渤器。 4 + 4 。2 滚晶显示模块张荤烤枕的接霜 c p u 霹豉邋过直接访瓣方式或阕攘接裂方式采鞠渡羁显示器穗逡。艨谓 巍接访闯方式就是将液鼯显示模块豹接潮作为存储器城i o 设备巍接挂在 计冀机总线上，计算机以访问存储器戏i 0 设备的方式操作液晶显示模块的 王佟。两隧接撩髑方式剿跫计算辊道_ 遘自身麓或系统中的并行接口与液磊显 蠢乏模块造接，懿8 0 3 1 豹p i 鞠p 3 强。这耱方式懿特煮蹙毫路麓摹，控裁时 序由软件窦现。可以实现高速计算机与液晶显示器模块的接口。故本系统采 用这种方式，簇接口电路如图4 - 1 5 龋示口。 在遮曩采掰a t 8 9 c 5 1 ，它是5 1 系列龅单片机，内部有4 k 牢节的可编程 f l a s h 存姥嚣，霹毁弱寒存赣疆彦及爨要援示戆汉字，篼去了扩震矮辫毒诺 器的麻烦，使平孽系统燮得简单。v o 和v o u t 之间遂接的w 调电阻是用来调节 鼹示亮度。c s i 謦珏c s