（计算机应用技术专业论文）电力谐波分析设备中数据采集系统的设计与实现.pdf

摘要 近年来，随着各种电力电子设备的迅速普及以及大量非线性负载的广泛使用，使得 电力系统谐波对公用电网造成的污染日趋严重。电力谐波不仅引起了电能质量的下降， 而且严重影响了电网的安全运行，因此对电网谐波的检测与分析具有重要的现实意义。 本文首先简单介绍了谐波的概念以及谐波分析常用的几种方法，然后对数据采集系 统的相关知识进行了阐述。由于对三相交流电压电流信号采集的实时性和准确性将直接 影响到电力系统谐波分析结果的准确性，因此本文在详细分析了目前常用的几种交流采 样方法的基础上，采用了一种实时最佳软件同步采样法，该采样法最大限度地降低了采 样同步偏差。 其次在分析了数字信号处理器在电力系统谐波分析应用的基础上，将其应用于电力 谐波分析数据采集系统中。然后以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器为系统控制核心，以 a d s 8 3 6 4 为模数转换中心，详细设计了针对电力系统谐波分析的数据采集系统的硬件电 路，包括d s p 外围电路、电压和电流测量电路、信号调理电路、系统电源电路以及r s 一2 3 2 接口电路等；并完成了主要软件模块的设计，包括d s p 初始化程序、数据采集程序以及 串口通信程序等。 最后对本文设计的数据采集系统进行了测试，包括硬件电路和软件程序的测试；并 对采集到的数据进行了正确性验证，结果表明该数据采集系统能够安全准确地运行，具 有一定的应用价值。 关键词：非线性负载，电力系统谐波，数据采集，数字信号处理器 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fm o d e mp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t sa n d n o n - l i n e a rl o a d s ，h a r m o n i cp o l l u t i o ni ne l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r e s e r i o u s h a r m o n i c si ne l e c t r i cp o w e rs y s t e mn o to n l ym a d et h eq u a l i t yo fe l e c t r i cp o w e r d e c l i n i n gb u ta l s oa f f e c t e dt h es a f eo fw h o l e e l e c t r i cn e tr u n n i n g s o ，i ti so fg r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et od e t e c ta n da n a l y z et h eh a r m o n i c si ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m f i r s t l y ，t h ec o n c e p to fh a r m o n i ca n ds e v e r a lc o r l l n t o nm e t h o d so f t h eh a r m o n i ca n a l y s i sa r e d e s c r i b e di n t h i sp a p e r , a n dt h ek n o w l e d g ea b o u tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e na l s o i n t r o d u c e d b e c a u s et h et h r e e - p h a s ea cv o l t a g ea n dc u r r e n tr e a l t i m es i g n a la c q u i s i t i o na n d a c c u r a c yw i l ld i r e c t l yi n f l u e n c et h ea c c u r a c yo ft h ep o w e rs y s t e mh a r m o n i ca n a l y s i s ，b a s e do n d e t a i l e da n a l y s i so ft h ec u r r e n te x c h a n g e do fs e v e r a lc o m m o n l yu s e ds a m p l i n gm e t h o d s ， r e a l t i m ea n db e s ts y n c h - s a m p l i n gm e t h o d sw a su s e d ，t h i sm e t h o dm i n i m i z e dt h ed e v i a t i o no f s i m u l t a n e o u ss a m p l i n g s e c o n d l y , b a s e do na n a l y z i n gt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri n t h ea p p l i c a t i o no fp o w e r s y s t e mh a r m o n i ca n a l y s i s ，i tw a sa p p l i e dt ot h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c hi su s e dt o p o w e rh a r m o n i ca n a l y s i s ，t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 12w a st a k e na st h ec o r eo f s y s t e mc o n t r o l ，a n dt h e a d s 8 3 6 4w a su s e dt ot h ec e n t e ro fa n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r s i o n ，t h e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt h a tu s e dt op o w e rs y s t e mh a r m o n i ca n a l y s i sh a r d w a r ec i r c u i tw a s d e s i g n e di nd e t a i lw h i c hi n c l u d i n gd s pp e r i p h e r a lc i r c u i t s ，s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，a d t r a n s f e rc i r c u i t ，t h es y s t e mp o w e rc i r c u i ta n dt h ei n t e r f a c eo fr s 2 3 2c i r c u i t a n dt h em a i n s o f t w a r em o d u l e si n c l u d i n gd s pi n i t i a l i z a t i o np r o g r a m ，d a t aa c q u i s i t i o np r o g r a ma n dr s 一2 3 2 c o m m u n i c a t i o np r o g r a mw e r ea l s od e s i g n e d l a s t l y , t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g n e di n t h i sp a p e rw a st e s t e d ，i n c l u d i n gt h e h a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es o f t w a r et e s t ，a n dt h ec o l l e c t e dd a t aw a sv e r i f i e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc a nr u ns a f e l ya n da c c u r a t e l ya n di td e s e r v e da p p l i c a t i o n m a g n i f i c e n t l y k e yw o r d s ：n o n l i n e a rl o a d s ，h a r m o n i c si ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o n ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 1 l 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学 校有权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。本人 允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另1 i ) j n 以标注和致谢 的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：绞1 冷孝 妒7 年6 月z z ，日 西北大学硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论弟一早三百v 匕 1 1 1 谐波分析相关背景 随着国民经济的发展和科学技术的不断进步，近年来电能已经成为人类社会用途最 为广泛的、不可或缺的重要能源，现代社会中各行各业的发展都己离不开电能。同时由 于近几十年来电力电子技术的快速发展和广泛应用，非线性负荷大量地投入使用( 可以 将这些非线性负载看作是谐波源) ，使得电力系统的谐波污染越来越严重。 电网中常见的谐波源主要有：各种可控整流器、交流调压装置、变频器以及炼钢电 弧炉、电弧焊机、电弧炉以及各种家用电器等。当供电电压施加于这些非线性负荷时， 其伏安特性决定了负荷吸收的电流与施加的电压不成线性关系【l 】，产生了电流畸变，畸 变的电流在供电回路中产生电压畸变，从而使电网波形受到畸变波形的污染。 同时由于各种非线性负荷种类和数量的急剧增加，使得电网中的谐波污染也越来越 严重，对电力系统的安全、稳定造成了极大的影响。随着各种精密、复杂并且对电能质 量敏感的仪器和测控装置的广泛应用，人们对电能质量的要求也越来越耐2 1 ，尤其是使 用了大量微电子器件的设备和仪器仪表，对电网谐波的干扰极其敏感。 电力系统谐波的危害非常严重【3 制。由于谐波使电网中电压、电流的波形发生了畸 变，从而降低了电能的传输和利用效率：电力谐波还使一些电器设备如发电机、电动机 等产生附加功率损耗、产生振动和噪声，加速了绝缘老化、缩短了电机的使用寿命，甚 至会引发机器故障或烧毁电器；谐波还会造成继电保护、自动装置工作紊乱，使其产生 误动作，使电气测量仪表计量不准确；并对邻近的通信系统产生干扰甚至使通信系统无 法正常工作；此外谐波还会引起公用电网中局部的并联谐振或串联谐振从而使谐波放 大，进一步造成电容器等设备因过流而烧毁。 在电力系统中，由于谐波源数量多而且分布广，因此谐波污染影响的范围大、距离 远，由谐波源产生的大量谐波己经严重影响到了整个电力系统本身的运行和广大的电力 用户。电力谐波己成为污染电力系统的公害，因此对电力系统谐波的分析和综合治理已 经到了刻不容缓的地步。 电力系统谐波问题的涉及面比较广泛，主要有：谐波的分析、以及对谐波源的分析 和谐波抑制等。为此，我国的相关电力部门已经制定了电能质量标准和公用电网谐波标 第一章绪论 准。因此，开发操作方便、功能齐全的电力系统谐波分析装置对供电网络进行实时的检 测也迫在眉睫，这对保证电力系统安全可靠的运行具有极其重要的现实意义。 1 1 2 数据采集相关背景 数据采集是指利用传感器对现实世界中的物理信号，如压力、温度、流量等模拟量 进行采集、转换成数字量后，再由计算机进行处理、存储、显示或打印的过程。它是一 种获取信息的重要手段，完成这一功能的系统被称为数据采集系统【7 8 】。 数据采集系统的任务就是采集传感器输出的模拟信号，并将其转换成计算机可以识 别的数字信号，再由计算机根据不同的需要对这些数字信号进行相应的计算和处理，并 将处理后的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视或控制。 实时采集、实时处理和实时控制对精度和速度要求很高，精度和速度体现着数据采 集系统的性能。此外，还要求数据采集系统具有其它特点，如使用安全可靠、方便、成 本低、抗干扰能力强等。目前，数据采集技术已经渗透到通信、遥感、地质勘探、工业 自动控制以及生物医学工程等众多领域。 按照数据采集系统与计算机的通信方式可以将其分为两大类：一类是内置的数据采 集系统，另一类是外置的数据采集系统。 内置的数据采集系统通过计算机的内部总线与计算机通信，该类采集系统在前期通 常采用i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线结构，i s a 总线结构最大缺点是传输速率 比较低，不能对采集到的数据进行实时的高速传输，以往基于i s a 总线结构开发的一些 数据采集卡己经不能适应高速数据采集的要求，因此已被逐渐淘汰，计算机主板的标准 配置上也不再有i s a 插槽。目前比较流行的高速同步总线是p c i 总线( p r o g r a m m a b l e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ) 结构，其发展历史较短。但它却有着不可取代的优点，能够实 现设备间的快速访问，并且p c i 总线是独立于处理器的同步总线，进行数据传输时不需 要处理器的介入，还支持突发性传递、即插即用等功能。 然而，内置式的数据采集系统有其固有的缺点，即采集系统通常被做成板卡的形式 安装在计算机机箱内部的插槽上，因此会不可避免地要受到计算机内部资源的限制，如 插槽的数量、中断资源等，并且由于计算机机箱的大小和主板的面积已经定型，很难实 现对数据采集系统的扩展，通常情况下需要关闭计算机才能进行板卡的插拔，因此内置 式的数据采集系统使用起来很不方便。 外置的数据采集系统利用计算机的外部接口与计算机进行通信，如通过 2 两北大学硕士学位论文 r s 2 3 2 ( r e c o m m e n d e ds t a n d a r d2 3 2 ) 接口、u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接口等。与内置式 数据采集系统形成明显的对比，外置式数据采集系统具有易于扩展、支持热插拔、使用 方便、稳定等诸多优点。此外，外置式数据采集系统的可靠性高、成本也低。 目前，数据采集系统的硬件设计中通常采用单片机或数字信号处理器( d i 百t a ls i g n a l p r o c e s s o r ，d s p ) 作为系统的c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 来控制a d 采样电路、存储电 路以及各种传输接口电路。其中，单片机的硬件成本较低，然而它的时钟频率不高，运 算速度较慢，难以满足数据采集系统对速度的要求。而采用d s p 的系统可以实现高速 的数据传输和运算，但d s p 的价格相对比较昂贵。 1 1 3 数据采集对电力谐波分析的意义 电力谐波在对电力设备的安全使用造成危害的同时，对电网电能的计量也造成了很 大的影响，电力谐波的流动方向对电能的计量影响也很大。在非线性系统中，线性负载 除了要消耗有用的基波功率外，还要被迫吸收一部分的谐波功率，目前大部分的电能表 的示数都是基波电能与谐波电能之和；而对于非线性负载在吸收基波功率的同时，并将 其中的一部分基波功率转化为谐波功率，并注入到了电网中，电能表的示数是基波电能 与谐波电能之差【9 】。对于线性用户而言，谐波功率的存在不但没有用处，而且还要多付 电费。谐波甚至还会干扰线性负载的正常工作，它也是谐波的“受害者”；与之相反， 对于非线性用户来说，它是谐波的“制造者”，反而会而少付电费，这显然是不合理的。 在进行电力系统谐波测量与分析时，对各次谐波功率的计算，必须用与谐波次数相 对应的谐波电压和谐波电流进行计算，得到的物理量才有意义。并且对于谐波含有率的 计算是建立在对三相电压和电流信号同步采样的基础之上，因此对电压、电流信号的准 确采集将直接决定着谐波分析结果的准确性。 1 2 国内外发展现状 电力系统的谐波问题并不是一个新的问题。早在二十世纪二十年代初，德国就己经 提出了静态整流器引起波形畸变的问题，当时就发表了大量的关于谐波研究的文章，由 于当时电网谐波对电力系统的影响并不是很大，各国电力专家们对谐波的认识也不是很 重视。二十世纪六、七十年代以来，随着电力系统的迅速发展，以及大量的非线性负载 的广泛使用，使得电力谐波造成的危害逐渐增大并且日益明显，甚至严重的危及了电力 系统的安全运行，许多工业发达的国家、国际电工组织以及电力公司开始对电力谐波的 3 第一章绪论 研究倍受关注，各国相继制定、颁发了控制和限制电力系统谐波的标准【1 0 】。 我国对电力系统谐波的研究起步比较晚，发展也比较缓慢，但也已经取得了一定的 成绩。在1 9 8 4 年由我国电力部颁布了s d l 2 6 4 8 4 电力系统谐波管理暂行规定，之后 又在1 9 9 3 年由国家技术监督局发布了中华人民共和国国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质 量公用电网谐波，规定了公用电网谐波量的允许范围，以保证供电电能的质量，防止 谐波对电网以及用户的用电设备造成损害，保证电网安全经济的运行【1 1 1 。 电力谐波的分析测量具有很长久的历史，起初的谐波测量以记录的谐波波形数据为 基础，完全进行手工计算，不仅计算精度低，而且非常耗时。随着大规模集成电路和计 算机技术的迅速发展，出现了以计算机为分析处理工具的谐波分析检测装置，这些装置 大多是配备了数据采集卡的工业计算机，即在工业计算机上配置了内置式的数据采集系 统，由该数据采集系统对电流、电压信号进行采集，再由计算机进行现场检测分析，这 类设备的通用性、灵活性不够好，而且成本也过高。由于采样数据量非常庞大，因此对 现场设备的存储量要求也大【1 2 】。由于要用专门的谐波分析软件对采集数据进行分析，其 实时性也比较差。因此，设计和开发具有实时性的嵌入式电力系统谐波分析设备已经成 为一种必然的趋势。 8 0 年代末，国外市场上陆续出现了一些技术相对成熟的用于电力系统谐波分析的 设备以及用于用户端的谐波分析设备。如瑞士莱姆公司生产的便携式电能质量分析仪 l e m3 p q i i ，美国福禄克公司的f l u k e4 3 b 型手持式电能质量分析仪，还有日本日置 公司开发的h i o k i3 1 9 3 系列电能质量分析仪、谐波测试分析仪，这些设备不仅能够对 电力系统谐波进行分析，并且能够对电力系统的其他相关参数如：电压电流的有效值、 有功功率、无功功率以及功率因数等进行测量。 国产的谐波测量仪器通常以单片机作为处理器，比较典型的是国产g x f 9 0 8 a 多功 能电力谐波分析仪，该仪器采用了较先进的m c s 8 0 9 8 单片计算机，运算速度较快，实 时性较强；实现了三相电压电流共六路信号的同步采样；可以输出或显示三相2 - 3 9 次 谐波含有率、电压畸变率、相位关系以及谐波功率和阻抗等，达到了国家标准的要求。 然而国内产品的测量精度相对较低，并且国内外电力谐波分析检测装置与要求的程度还 有一定的差距。 1 3 本文主要工作 目前常用的电力谐波分析、计量装置都是集数据采集系统和谐波分析系统于体。 4 西北大学硕上学位论文 电力系统电网谐波分析对数据采集系统有特殊的要求，如要对三相电压和电流信号进行 实时、同步采集，采集精度要求比较高，抗干扰能力要强等。因此，数据采集系统的性 能将直接影响电力谐波分析的精度和速度，从而为电网谐波的治理、谐波源的追踪以及 电力系统谐波的规范管理提供了充分有力的科学依据。 本文以电力系统的谐波分析和检测为背景，以数据采集系统为主要研究对象，主要 做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 研究和分析了数据采集相关的内容和几种常用有的交流采样方法，以及谐波检 测的几种方法，主要是进行资料的收集与整理； ( 2 ) 在分析现有软件同步采样方法的基础上，采用了一种改进的软件同步采样方法 实时最佳同步采样法，即以测量到的前一个工频周期值作为将要采样的工频周期， 该采样方法是实际所能达到的误差最小的软件近似同步采样法。 ( 3 ) 设计并实现了针对电力系统谐波分析的前端数据采集系统，该系统以t i 公司 c 2 0 0 0 系列的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制器，以a d s 8 3 6 4 为a d 核心转换模块， 能够对三相电压电流共六路信号实现同步采集。 ( 4 ) 设计并实现了基于该数据采集系统的软件，并给出了详细的程序流程图。 ( 5 ) 对本文设计的针对电力系统谐波分析的数据采集系统的硬件以及软件进行了测 试。 1 4 论文组织结构 本论文主要包括以下章节的内容： 第一章主要介绍了电力系统谐波分析和数据采集的相关背景、研究意义以及本文所 要研究的主要内容；第二章简单地介绍了电力系统谐波的概念以及几种谐波分析的理论 方法，并对数据采集系统的相关知识进行了阐述，最后对几种交流采样的方法进行了分 析比较，并提出了本文所采用的最佳实时软件同步采样法；第三章详细介绍了基于 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的谐波分析数据采集模块的硬件电路设计，包括：前置电流电压信号的 调理、a d 与d s p 芯片接口的设计、电源模块的设计、以及t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片外围电 路的设计等；第四章介绍了谐波分析数据采集模块的软件开发，包括数据采集子程序设 计和串口通信子程序的设计，并给出了程序流程图；第五章对本文所设计实现的数据采 集系统进行了实验上的验证，并对系统所采用的抗干扰技术进行了阐述，最后对该数据 采集系统进行了简单的误差分析。 5 第二章电力谐波分析与数据采集概述 第二章电力谐波分析与数据采集概述 2 1 谐波分析概述 2 1 1 谐波的定义 国际上对电力谐波公认的定义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍【13 1 。 在供电系统中，理想的交流电压和电流的频率应该是固定不变的( 我国标准为 5 0 h z ) ，其波形应该呈标准的正弦波形。在进行电力系统谐波分析时，电网稳态的供电 电压波形的数学表达式为： “( f ) = x 2 u s i n ( a z + a ) ( 2 1 ) 其中，国= 2 万f = 等； ( 卜电压的有效值，其幅值为2 u ； c o 、厂和卜分别为工频的角频率、频率和周期； a 初相角； 由式( 2 1 ) 可以看出，理想的电力系统的频率应该是单一并且固定的，其幅值也是固 定不变的。 而在实际的电力系统中，由于非线性负荷的存在，电网中电压的波形往往偏离正弦 波形而发生了畸变。畸变的波形是由不同频率的正弦波形叠加而成的，即在一个基本频 率的基波波形上叠加了一系列频率为基本频率整数倍的波形分量，即叠加了各次谐波的 波形。 由于谐波的频率是基波频率的整数倍，因此将谐波频率与基波频率的比值称之为谐 波的次数，电力谐波一般情况下指的都是高次谐波，通常将奇数次的谐波称之为奇次谐 波，而将偶数次的谐波称为偶次谐波。 在实际电网中有时也存在一些频率不是基波频率整数倍的正弦分量，称为分数次谐 波( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s ) 或间谐波( i n t e r - h a r m o n i c s ) ：而低于工频的间谐波称为次谐波 ( s u b h a r m o n i c s ) 。 近代的交一交变频器中还存在“旁频”，即在整数次谐波附近的非整数次谐波。而在 电网上主要存在的是整数次的谐波。通常情况下，根据周期性波形，用傅里叶级数分解 6 西北大学硕： 学位论文 得到各次谐波。所谓的谐波分析，就是计算周期性波形中的基波与高次谐波的幅值和相 位。 本文所设计的数据采集系统主要的功能就是分析电力系统中所存在高次谐波( 2 次 一5 0 次) 。 2 。1 。2 电力系统谐波分析方法概述 1 采用模拟带通或带阻滤波器对谐波进行分析 最早采用模拟滤波器对谐波进行分析【1 4 , 1 5 】。图1 为模拟并行滤波式谐波分析测量装 置图，图中，经放大器放大后的输入信号被送入一组并行连接的带通滤波器，滤波器的 中心频率力、五、石是工频的不同整数倍而且固定，并且石铂 2 z ，+ am ( m 为最高谐波次数) 时，通过适当地增 加采样数据量和迭代次数来提高测量准确度。 准同步采样法的不足在于：需要通过增加采样周期和周期内的采样点数，并利用迭 代运算的方法来消除同步误差，因此计算起来比较耗时，该方法不适合多回路、实时性 要求高的在线交流测量系统。 2 3 3 非整周期采样法 理论上，当被测信号的最高频率满足n y q u i s t 采样定理并且实现了严格的同步采样 时，就能复现原始信号的波形并求出各次谐波的幅值和初相。实际中，信号基波的微小 同步偏差将对高次谐波的计算带来很大误差。哈尔滨工业大学的张剑秋等提出了一种 “非整周期采样理论【4 0 j 。非整周期采样就是以采样时间间隔正对连续的周期信号进行 采样，见式( 2 5 ) 。 e = 掣t ( 2 5 ) 在式( 2 5 ) 中，卜为采样周期数； 1 i 取操作数 堕：三 l堕：! l 型 ；型! i _ l 卜 _ - 卜- - l 叫 执行指令 | ：型：! 一 型兰 一 型：! 一 型 一 卜。一，卜，f 一 图8 四级流水线操作过程 此外d s p 芯片大都配有专用的硬件乘法累加器，具有硬件配置强、支持多处理器 结构和支持特殊的d s p 指令、指令周期速度快以及功耗低等诸多特点。 3d s p 芯片的分类 d s p 的芯片可以按照以下3 种方式进行分类m 1 1 。 1 按基础特性分类 1 8 西北大学硕士学位论文 即按照d s p 芯片的工作时钟和指令类型分类，可将d s p 分为静态d s p 芯片和一致 性d s p 芯片。 2 按数据格式分类 即根据d s p 芯片工作的数据格式分类，按精度或动态范围将通用d s p 划分为定点 d s p 和浮点d s p 。 3 按用途分类 按照d s p 芯片的用途来分，可分为通用型d s p 芯片和专用型d s p 芯片两大类。 4d s p 芯片的选择 选择合适的d s p 芯片对于设计d s p 应用系统来讲是至关重要的。通常情况下依据 系统的运算速度、运算精度以及存储器的需求等方面来选择d s p 芯片。d s p 芯片选定 之后才能进一步设计其外围电路以及系统的其它电路。一般来说，d s p 芯片在选择时应 考虑如下几个因素【4 1 ，4 3 1 。 1 芯片的运算速度 芯片最重要一个的性能指标是运算速度，也是选择芯片时需要考虑的一个主要因 素。通常对d s p 芯片的运算速度衡量的指标包括：指令周期、完成一次乘法累加运算 所需要的时间、执行一个n 点快速傅里叶变换程序所需的时间；此外还有每秒执行百 万条指令数、每秒执行百万次操作数等。 2 芯片的运算精度 尽管合理地设计系统算法可以有效地保证和提高运算精度，但需要增加程序的复杂 性和运算量，因此选择合适精度的d s p 也很重要。通常定点d s p 芯片的字长有1 6 位、 2 4 位，浮点芯片的字长一般为3 2 位，累加器为4 0 位。 3 芯片的硬件资源 d s p 芯片不同，其所提供的硬件资源也不尽相同，这种不同体现在多个方面，如片 内r a m 和r o m 的数量、外部可扩展的程序和数据的空间、总线接口以及i o 接口等。 4 芯片价格 芯片的价格也是芯片选择时需要考虑的个重要因素。通常情况下，主流芯片价格 都比较便宜。 5 芯片的开发工具 开发工具对于d s p 系统的开发来说是必不可少的，如果有功能强大的开发工具的 1 9 第三章系统硬件设计 支持就会使开发的时间大大缩短。 6 其他因素 此外，在选择d s p 芯片时还应考虑到芯片的功耗、封装的形式、供货情况、质量 标准等因素。 综上所述，d s p 芯片的选择应根据实际所要开发的应用系统的需求而定。 5d s p 在电力系统谐波分析中的应用 传统的电力谐波分析是利用数据采集卡以及工控机来进行的，其缺点是体积过大、 费用昂贵，而且也不便于在现场安装。为实现电力谐波分析装置的小型化和实时处理的 能力，近年来，d s p 因其特殊的性能从一般处理器中脱颖而出，在电力谐波分析中得到 了越来越广泛的应用。 电力谐波分析的特点是：处理的数据量很大、速度要快并且精度要求高，而一般的 单片机( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 和通用微处理器( g e n e r a l p u r p o s ep r o c e s s o r ，g p p ) 由于其运算速度较慢、精度也不够高等原因，很难满足实际电力谐波分析的要求。而 d s p 由于其较高的运算速度和计算精度，正好满足了电力谐波分析和控制过程中对高速 采样数据的实时计算、分析以及成本相对较低的要求。因此在电力系统谐波分析中得到 了十分广泛的应用。 首先，由于本系统包括对三相交流电的电压电流共六路信号的同步采集以及对采样 数据的传输等操作，因此对处理器的速度要求较高，而一般的单片机由于其处理速度较 慢，不能满足系统实时性的要求：其次从开发工具、内部硬件资源以及价格等各方面综 合考虑，本文选择t i 公司的定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为本系统的处理器。该d s p 芯片具有丰富的片内资源：定时器、存储器、快速的a d 转换器以及异同步串行通信 口等外设，在设计过程中可以起到简化外围电路的作用，减少错误的出现；并在运算过 程中可以减少对外围总线的操作，能够提高系统的运行效率。 6t m s 3 2 0 f 2 8 12 芯片简介 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 芯片集微控制器和高性能数字信号处理于一身，能实现复 杂的控制算法。其中，最新推出的c 2 8 x 系列高精度数字信号处理器其性能是目前任何 现有的可编程数字信号处理器无可比拟的【4 4 1 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器是t i 公司近年新推出的高性f l 皂3 2 位定点d s p 控制器， 是目前控制领域最先进的处理器之一。其频率高达1 5 0 m h z ，大大提高了控制系统的控 2 0 西北人学硕上学位论文 制精度和芯片处理能力。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片基于c c + + 高效3 2 位t m s 3 2 0 c 2 8 xd s p 内核， 并提供浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上方便地实现浮点运算【4 5 加】。主要特点 如下： 采用高性能的静态c m o s 技术： 主频可达1 5 0 m h z ； 低功耗设计； f l a s h 编程电压为3 3 v 。 高性能的3 2 位c p u ： 1 6 1 6 的双乘法累加器： 支持1 6 1 6 以及3 2 3 2 的乘法一累加操作； 寻址模式统一； 能够快速响应中断并处理； 程序数据寻址空间可达4 m b 。 时钟和系统控制： 支持动态改变锁相环的倍频系数； 片上振荡器； 看门狗定时器模块。 片上存储器： 片内有高达1 2 8 k x1 6 位的f l a s h 存储器； l k x1 6 位的o t pr o m ； 1 块8 k 1 6 位的单周期访问r a m ( s i n g l e a c c e s sr a m ) ：h 0 ； 两块4 k 1 6 位的单周期访问r a m ：l o 和l 1 ； 两块1 k i 6 位的单周期访问r a m ：m o 和m 1 。 三个外部中断。 外设中断扩展( p e r i p h e r a li n t e r r u p te x p a n s i o n ，p i e ) 模块支持4 5 个外设中断。 三个3 2 位的c p u 定时器。 1 2 位模数转换模块： 2 8 通道复用输入接口； 两个采样保持电路； 可以使用两个事件管理器顺序触发8 对模数转换。 2 1 第三章系统硬件设计 串口通信外设： 两个u a r t 接口模块( s e r i a lc o m m u n i c a ti o ni n t e r f a c e ，s c i ) ； 1 6 位串行外部设备接口( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，s p i ) 模块； 增强的e c a n2 0 b 接口模块； 多通道缓冲串口。 高达5 6 个独立的可编程、多用途通用输入输出( g e n e r a l - p u r p o s ei n p u t o u t p u t ，g p i o ) 引脚。 两个事件管理器模块e v a 和e v b 。 支持j t a g 边界扫描接口。 先进的仿真调试功能： 分析和断点功能； 硬件支持实时仿真功能。 电源管理： 采用1 8 v 内核电压和3 3 v ) b 围接口电压； 并具有3 种低功耗模式和省电模式( i d l e 、s t a n d b y 、h a l t ) ，能独立的将外围器 件转入低功耗工作模式。 3 1 2a d 芯片选择 1a d 转换器技术指标 数据采集系统的主要任务是将模拟信号量转换为数字量。模数转换器是数据采集系 统的核心，模数转换器的精度与速度，将直接影响数据采集系统的性能。在选择模数转 换器时，应主要考虑以下几个指标【7 1 。 1 分辨率 分辨率是指a d 转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量，其定义为： 分辨率：导 ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中f s r ( f u l ls c a l er a n g e ) 是a d 转换器的满量程电压，力为a d 转换器的 位数。另外也可以用百分数来表示分辨率，此时的分辨率称为相对分辨率。其定义为： 相对分辨率：坌f 竖s r 1 0 0 ：丢l o o ( 3 2 ) 一 2 “ 由式子( 3 2 ) 可以看出，a d 转换器分辨率的高低取决于位数的多少，因此，目前 2 2 西北大学硕十学位论文 一般都简单地用a d 转换器的位数n 来间接的代表分辨率，n 越大其分辨率越高。 2 精度 a d 转换器的精度分为绝对精度和相对精度两种。 绝对精度定义为对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。在 a d 转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生同一输出数码，绝对精度则限定为 量化带中点对应的模拟输入电压值。 相对精度定义为绝对精度与满量程电压值之比的百分数。即： 相对精度= 丝塾f s 堕r 鏖x 1 0 0 ( 3 3 ) 3 量程 即a d 转换器所能转换模拟信号的输入电压范围。 4 转换时间和转换速率 转换时间是指按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间。一 般用微秒或毫秒表示。 转换速率是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒钟转换的次数。 5 对基准电源的要求 基准电源的精度将对整个系统的精度产生影响，在选用时应考虑是否要外加精密参 考电源。 此外还需要考虑到模数转换器的通道个数、输出电平、偏移误差、增益误差以及工 作温度等参数。 2 本系统对a d 的要求 在本文设计的系统中，尽管t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内置了2 个8 通道1 2 位高速a d 模块， 但其模拟输入电压范围是0 v 3 v ，分辨率较低，转换的结果会影响谐波分析的精度； 同时其内置采样保持器只有两个，而本系统需同时采集三相交流电的电压电流共六路信 号。因此，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内置模数转换模块不能满足本系统设计的要求。 在电力谐波分析中，对于周期为l 频率为厂的连续信号作等间隔点采样时，采 样周期为t = 万t ，对应的采样频率z = i 1 = 了n = n f ，即为周期信号频率的倍，此时 能够分析得到最同川i n 1 次的谐波【4 7 】。 第三章系统硬件设计 对于工频5 0 h z 的交流电，本系统中，每个周期采样1 2 8 点时，就能分析出高达6 3 次的谐波，而一般测量谐波的最高次数为5 0 次，则最高次谐波的频率为： 厶= 5 0 x5 0 h z = 2 5 0 0 h z = 2 5 k h z 此时的采样频率为： f = 1 2 8 x 5 0 h z = 6 4 0 0 h z = 6 4 k h z 考虑到n y q u i s t 采样定理：采样频率要大于最高信号频率的两倍或两倍以上，而 6 4 k h z 2 2 5 k h z ，所以只要选择采样频率在6 4 k h z 以上的a d 转换器就可以满足 本系统的需求；并且为了尽可能的减小量化误差，一般情况下a d 转换器件应在1 2 位 以上【7 1 ；又由于本系统中要求对输入的六路模拟信号进行同时采集，因此还需要考虑 a d 转换器的通道个数。 为此本文选用t i 公司的a d s 8 3 6 4 芯片作为本数据采集系统的a d 转换器。 3a d s 8 3 6 4 芯片简介 a d s 8 3 6 4 是t i 推出的专门为高速同步数据采集系统设计的高速、低功耗、六通道 同步采样、高速并行1 6 位模数转换芯片，共有6 4 个引脚。a d s 8 3 6 4 的内部结构框 图见图9 。 2 4 两北大学硕士学位论文 图9r d s 8 3 6 4 内部结构框图 由图9 可以看出，a d s 8 3 6 4 内部有六个差分采样与保持放大器用以同步保存输入的 模拟信号量，六个逐次逼近式模数转换器，以及8 0 d b 共模抑制的全差分输入通道。 a d s 8 3 6 4 工作电压为+ 5 v ，在r e f i n 和r e f o u t 引脚内部有+ 2 5 v 内部参考电压，并且 带有1 6 位的高速并行数据接口。 a d s 8 3 6 4 的六个模拟输入分为三组( a 组、b 组和c 组) ，每个输入端都有一个电容 数字模拟转换- 器( c a p a e i t i v ed i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r t e r s ，c d a c s ) 保持信号，以保证六 个通道能同时进行采样与转换。a d s 8 3 6 4 的差分输入可以在v r e f 到+ v f u e f 之间变化。 a d s 8 3 6 4 模数转换器中的六个16 位模数转换器可以成对的同步工作。三个保持信 号( h o l d a ，h o l d b 和h o l d c ) 用以启动指定通道的转换。当这三个保持信号 同时为低电平( 被选通) 时，输入的六路信号将同时被采样保持，并进行转换，转换完成 后，其转换结果将保存在六个寄存器中。 a d s 8 3 6 4 的数据输出方式也很灵活，分别由b y t e 、a d d 及地址模式信号a 2 a l 来组合控制。转换结果的读取方式一般有三种：直接读取、循环读取和f i f o 模式。 2 5 赢 肌肌 卧弘 礴 叭睢 咖弘 蔽 翻翻 饥翻 赢 甜饼 倒饼 第三章系统硬件设计 由b y t e 为0 或为l 来确定每次读取时的数据位数，当b y t e 为0 时，十六位转 换结果将从d 0 _ - d 1 5 并行输出：当b y t e 为1 时，转换结果将分为两个字节，依次 从d 0 _ d 7 输出。本系统中采用并行读取1 6 位数据的方式，故选择b y t e = 0 ，将该 引脚直接接地【4 9 1 。 由a d d 为0 或为l 来确定第一次读取的是通道地址信息还是通道a d 转换的结果。 本系统中直接将a d d 引脚接地，即第一次读操作就直接读取了1 6 位的转换结果。本 文所采用的转换结果读取方式，如表1 所示。 表1 本文采用的数据读取方式 b y t e = 0 a 2 a l a o读取通道 第一个r d第二个r d 0 0 0c h a 0d b l 5 d b 0 无第二个r d 0 0 1c h a l d b l 5 d