（电路与系统专业论文）基于嵌入式系统的网络化电能质量分析仪研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着社会的进步和经济的快速发展，电力线上的非线性负载越来越多，电能 质量问题进一步恶化，对供电可靠性的要求也越来越高，这使得电能质量监测变 得愈加重要。传统的电力监测仪器往往功能单一、缺少网络功能，不能满足实时 在线监测的要求，本文提出了一种采用高速高精度a d c 进行模拟数据采集，基 于嵌入式a r m 处理器和t i 高速浮点d s p 双核来构架网络化电能质量分析仪的 方法，d s p 完成实时信号的采集和分析，a r m 处理器提供人机接口和网络功 能，论文重点讨论了硬件系统各功能模块的设计和实现以及嵌入式l i n u x 系统的 构建过程，编写了l i n u x 操作系统下的h p i 接口驱动程序，经过对样机的实际运 行效果的测试，证明该分析仪具有高性能、低成本、人机界面友好、接口丰富等 特点，完全能够长时间进行电力信号的在线采集和分析，本系统中还加入了一个 可选的p t 二次回路压降分析模块，采用本模块可以去除传统压降分析仪中几百 米的长线，给测量带来了方便。 关键字：电能质量，嵌入式系统，高速浮点d s p ，高速采集，双核心 浙江大学磺士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i ds o c i e t ya n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，m o r ea n dm o r en o n l i n e a r l o a d 惴a d d e do nt h ep o w e rl i n e s op o w e rq u a l i t yp r o b l e m sa r eg e t t i n gw o 岱e ) h o w e v e r , u s e f se q u i p m e n t sa l eb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e n s i t i v et op o w e rq u a l i t y , w h i c hm a k e sp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t r a d i t i o n a l p o w e rm o n i t o r i n ge q u i p m e n t su s u a l l yh a v et h ec u s t o m i z e df u n c t i o n a l i t y , a n dh a v en o n e t w o r ki n t e r f a c es ot h e yc a nn o tm e e tt h er e a l - t i m eo n - l i n em o n i t o r i n gr e q u i r e m e n t s t l l i sp a p e rp r o p o s e st h eu s eo f h i g h - s p e e dh i g h - p r e c i s i o na d ct op e r f o r ma n a l o gd a t a a c q u i s i t i o n , a r mp r o c e s s o ra n d1 1 i g h - s p o e x tf l o a t i n g - p o i n td s p t od os i g n a la n a l y s i s a n dn e t w o r kc o n n e c t i o n s ，b yt h et e s to f t h ep r o t o t y p e ，i tp r o v e st h a tt h ea n a l y z e ri sa h i g h - p e r f o r m a n c e ，l o w - c o s ti n s t r u m e n t ，w h i c hh a saf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ea n dt h e a b i l i t yt oc o n d u c tl o n g - t i m ep o w e rs i g n a la c q u i s i t i o na n da n a l y s i s t h es y s t e ma l s o c o n t a i n sa no p t i o n a lw i r e l e s sp ts e c o n d a r yl o o pv o l t a g ed r o pa n a l y s i sm o d u l e ，w h i c h c a l lb e u s e dt or 印l a c et h et r a d i t i o n a la n a l y z e r , t ob r i n gt h ec o n v e r f i e n o eo f m e 衄u r e m e n t k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , e m b e d d e ds y s t e m ，d s p , h i g hs p e e ds a m p l e ，d u a lc o 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得滥姿盘堂或其他教育机 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 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权堑鎏盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：杭州士兰微电子股份有限公司 通讯地址：杭州市黄姑山路4 号 e - m a i l 地址：l i a n g p i n g z j u g m a i l c 锄 电话：1 3 8 6 8 1 5 8 2 8 4 邮编：3 1 0 0 1 2 浙江大学硕士学位论文 引言 1 1 电能质量概念 电能质量是指在给定的时间和地点电力线中的电压和电流所呈现出的特定 的电磁状况，人们对电能质量的技术含义还存在着不同的认识，从供电角度看， 电力部门把电能质量定义为电压与频率的合格率；从用电角度看，电力用户则将 其简单定义为是否可以正常供电；从用电设备角度看，设备制造商将其定义为电 源特性是否可以完全满足电气设备的正常工作需要，下图所示为正常供电时三相 电压应该具有的状态，此时a 、b 、c 三相电压有效值应该等于2 2 0 伏，频率应 该等于5 0 h z ，相位应该依次相差1 2 0 。，只有正序分量。 负序分量 零月r - j a 4 t 圆日日 圆 电压向量 图1 - 1 正常供电时三相电压波形和向量图 国际电气电子工程师协会( e e ) 给出电能质量问题的一般解释为：在供 电过程中导致电器设备出现误动作或者故障损坏的任何异常现象。从普遍意义上 讲，电能质量是指优质供电i l 】o 浙江大学硕士学位论文 引言 1 2 常见的电能质量问题 ( 1 ) 瞬时电压跌落( v o l t a g ed i p ) ：在单相或多相线路中完全失去或者电压低 于额定值的2 0 ，持续时间o 5 个周期至3 s 。波形如下图所示： 图l - 2 瞬时电压跌落示意图 ( 2 ) 频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n s ) ：电力系统在正常运行条件下，系统频率 的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差。波形如下图所示： 图1 3 频率偏差示意图 ( 3 ) 电压跌落( s a g s ) ：电压或电流有效值降至额定值的1 0 0 一9 0 ，持续时闯 为0 5 个周期至一分钟。波形如下图所示： 图1 4 电压跌落示意图 ( 4 ) 电压上升( s w e l l s ) ：电压或电流有效值升至额定值的1 1 0 以上，典型值 为额定值的1 1 0 0 一1 8 0 ，持续时间为0 5 个周期至一分钟。波形如下图 所示： 图1 - 5 电压上升示意图 ( 5 ) 电压瞬变( t r a n s i e n t s ) ：指在一定时间间隔内，两个稳态量之间的变化。 电压瞬交可以是任意极性的，单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的 衰减振荡波。波形如下图所示： 2 浙江大学硬士学位论文引言 图1 - 6 电压瞬变示意图 ( 6 ) 电压波动( f l u c t u a t i o n s ) ：电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化， 其电压幅值的变化通常为额定值的9 0 - 1 1 0 。4 ，这种电压波动常称为电 压闪变。闪变一词是从电压的波动引起电灯的闪动得来的。波形如下图 所示： 母l - 7 电压波动示意图 ( 7 ) 电压切痕( n o t c h e s ) ：持续时问小于0 5 个周期的周期性的电压扰动。电压 缺口主要是电力电子装置由一相换至另一相时，参与换相的电路瞬时短 路，造成的与电压缺口有关的频率分量很高，采用谐波分析仪测量可能 是很困难的。波形如下图所示： 图卜8 电压切痕示意图 ( 8 ) 电网谐波( h a r m o n i c s ) ：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流， 由电力系统中的装置和负载的非线性特性引起的波形畸变，可分解为基 波和谐波之和。波形如下图所示： 图1 - 9 电网谐波示意图 ( 9 ) 间谐波( i n t e r h a m l o n i c s ) ：电压和电流的频率不是基波频率的整数倍同谐 波，主要由静止变频器、周波变频器，感应电机和电弧设备产生，电力 载波信号也认为是一种间谐波。 ( 1 0 ) 过电压( o v e r v o l t a g c ) ：电压为额定值的1 1 0 - 1 2 0 ，持续时间大于1 3 浙江大学硕士学位论文引言 分钟。 ( 1 1 ) 欠电压( u n d e r v o l t a g e ) - 电压为额定值的8 0 - - 0 0 ，持续时间大于1 分 钟。 以上“种术语为i e e e 第2 2 标准协调委员会( 电能质量) 和其他国际委员 会于本世纪初推荐采用的说明电能质量主要扰动的专用术语【2 】。 1 3 电能质量相关标准 在国际范围内，国际电工委员会于1 9 7 3 年建立了第7 7 技术委员会，该委员 会的工作成果以i e c 出版物6 1 0 0 0 的形式发表，以统一各国的有关电气标准和 规范【l 】a 1 9 8 9 年欧圣 l 共同体委员会开始制定电能的质量标准。1 9 9 5 年在英国标准的 基础上，颁布了一个电能质量标准，称为“公用配电系统供电特性”【3 1 。 2 0 世纪8 0 年代，美国计算机和商用设备制造商协会( c b e m a ) 出于大型 计算机对电能质量的要求提出了电压容限曲线及相关的4 种典型电压扰动( 电压 下降、上升、断电、尖峰脉冲) 。 为了保证我国的电能质量，自1 9 9 0 年以来，我国也相继颁布了六项电能质 量国家标准，它们分另1 j 是： g b t1 2 3 2 5 2 0 0 3 供电电压允许偏差1 2 2 1 g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 电力系统频率允许偏差1 2 3 1 g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 表端 测量仪器 圈1 - 1 0p t 二次回路压降铡量接线图 本论文的方案是设计一种无线监测仪，此监测仪分为主机与辅机两部分。辅 机与主机分别安装于p t 端和表端。用辅机测量p t 一端电压的幅值与相位，用 主机测量表端电压的幅值与相位，最后主机根据自己采集的数据和辅机上送的数 据计算出两端电压间的比差和角差。 我们的系统是通过在主机端设置一个等待时间然后主从两机同时开始倒计 时，现场工作入员需要在这个定时对闻之内完成主从两机的接线工作，然后主从 两机同时开始采集p t 两端的电压信号，通过采集到的电压信号计算出电压的幅 度信息，相位差则是通过测量两端电压波形上对应的零点的时间之差计算得到 的。主从机收集到足够的零点信息后通过一根串口线将主从机对接，主杌向从机 发出取数据的命令，把从机采集到的数据发送至主机，主机计算出角差和相差并 通过液晶屏显示出来。 此方法的优点是不需另铺设长电缆且系统结构也不甚复杂。本方案的难点主 要在于要保证主从两机在同一个时间点开始采集，因为要在设定的时间过后才开 始采集信号，而此时主机和从机早已分开，并且由工作人员分别带到p t 的两个 端子，所以倒计时是主机和从机分剐按照自己的晶振频率进行的，这样为了能够 尽量保证两机同时开始采集，就要把倒计时的时间差控制在一个非常小的范围之 内。这样就给计时用的晶振提出了很高的要求，我们尝试了普通晶振，温补晶振 等多种方案。 另外由于生产的仪器为便携式的，所以对各个部分器件的功耗要求比较高， 在进行器件选择的时候要注意。 1 2 浙江大学硕士学位论文引言 1 7 本论文的主要工作 基于以上对电能质量各项标准的认识和对国内市场的需求分析，我们电路与 系统实验室同杭州华隆电子公司决定共同开发一套在线式电力系统参数分析系 统，该套系统的构架由嵌入式a r m 处理器和高速浮点d s p 组成，主要有两大 功能： 电能质量各项指标的测量和分析。 p t 二次回路压降的测量和分析。 目前该系统的样机已经研制完成，两大功能也已经通过了验收，其中第一项 功能包括了很多待测参数，还需要长勰在线监测，将来还需要同监澳4 中心的数据 库连接，所以占据了本论文的绝大部分篇幅，而第二项功能因为要测量的参数较 为单一，所以只是简单的加以讨论。 本系统从总体上讲属于分布式构架，通过中心数据库同分布于各个关键点的 网络化智能数据采集分析仪器的连接，构造出一套监测电网电能质量状态的监测 系统。而本文论述的重点就是网络化数据采集终端的硬件构架和系统软件的构 架，并通过两者的配合构造出适合对电网参数进行在线采集分析的智能终端。 系统前端通过d s p 来控制高速高精度多通道的a d c 进行实时数据的采集， 然后通过d s p 进行分析，最后将需要的结果通过a r m 嵌入式处理器进行显示 或者通过网络上送。该系统应该能够有较大的模拟信号测量范围，较快的信号采 集速度从而可以测量较大幅度和较高频率的模拟信号，d s p 应该具有浮点运算能 力和较快的速度，从而保证运算的精度和实时性，而c p u 和d s p 之间的连接应 该支持高速数据传输，使得c p u 可以快速取得所需数据以进行显示和上送。所 选c p u 应该具备或者容易扩展出一些常见的接口如串口、以太网接口、u s b 接 口、h c 等，从而容易和上位机或其他具备标准接口的主机进行通信。 本论文主要讨论了以下几个主题： i 、回顾了国内外电能质量研究发展的现状，指出了现有的电能质量监测装 置存在的问题并提出了自己的解决方案。 、讨论了各项电能质量指标的定义以及具体的测量和分析计算方法。 、给出了电能质量在线监测仪和p t 二次回路压降测试仪的结构图，并详 细的讨论了软硬件系统的各个关键模块的构造和功能。 1 3 浙江大学磺士学位论文引言 、给出了样机的调试过程以及实际运行效果和测试数据。 v 、最后给出了对本领域未来的展望。 1 4 浙江大学硕士学位论文备待铡参量旮孽定义厦测量和计算方法 2 各待测参量的定义及测量和计算方法 2 1 电网频率偏差及测量方法 电阿的频率偏差是指电力系统的实际频率值和标称值之间的偏差。国家标准 g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 电力系统频率允许偏差【2 3 1 中规定了电力系统正常频率偏差 的允许值为0 2 h z ，当系统容量较小时，偏差值可以放宽到o 5 h z 。在这里并 没有说明系统容量大小的界限，而在原电力工业部颁布的供电营业规则中规 定：在电力系统正常状况下，供电频率的允许偏差为：l 、电网装机容量在3 0 0 万k w 及以上的为0 2 h z ：电网装机容量在3 0 0 万k w 以下的为0 5 h z 。在 电力系统非正常情况下，供电频率允许偏差不应超过1 h z ；允许偏差中还 规定用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过o 2 h z 。根据冲击负荷性 质和大小以及系统的条件也可适当变动限制，但应保证近区电力网，发电机组的 稳定运行以及正常供电，因此电压频率目前在电能质量中最有保障。 测量电网频率的方法有多种，这里主要介绍本系统中使用到的测周期法和 f f t 变换法： 测周期法：通过测量信号波形相邻零点的时间间隔来计算频率。该方法基于 一个标准的定时器在待测波形的相邻零点之间进行计数，然后根据计数结果间接 计算出电网频率因为其易于实现所以应用非常广泛。然而这种方法易于受至q 谐 波和噪声的影响，所以需要对待测波形进行滤波处理，滤波既可以采取模拟滤波 也可以使用数字滤波，该方法往往和其它测频法结合使用。 f f t 方法：该方法具有不受谐波分量影响的特性，但对截断信号的周期延拓 可能会引入频谱的扩散效应。但是由于我们所使用a d c 的采样速率很高，而且 电网基波频率又比较低所以测量结果经过一定的修正算法还是可以达到较高的 精度。 2 2 电网谐波的测量和计算 电力线中的电压和电流的正弦信号，受非线性负载的影响，波形会发生畸变， 1 5 浙扛大学硪士学位论文备待浏参量的定义及铡量和计算方法 畸变后的波形函数仍然为周期函数。所以可以用傅里叶分析，把电压和电流分解 成基波和一系列谐波的叠加【跚，即： = 龟+ 白c o s t a + b , 矗n m ) ( 1 ) j 通 i ( 0 = c o + ( c r c o s 饼+ d ，嘲衍) 固 j 一 基于傅里叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法，模拟信 号经a d c 采样，成为数字序列信号，然后经d s p 进行谐波分析和计算，得到基 波和各次谐波的幅值和相位。使用此方法测量谐波，精度较高，使用方便，然而 该方法虽然理论上非常简单，但是在实际的工程应用中不可避免的存在栅栏效应 和频谱泄漏，计算得到的相位、幅值等参数值误差较大，所以必须采取一些数字 信号处理的方法，如对信号进行加窗以减少泄漏，在加窗基础上进行插值算法等， 从而提高各参数的计算精度陬1 0 1 【3 l 】。 我们所说的谐波通常就是指的上式中的整数次谐波，但实际电网中有时还会 存在一些频率不是基波频率整数倍的正弦波分量，称为间谐波，关于问谐波的讨 论请参考相关文献。 2 3 电压偏差及其测量 电压偏差是指电力系统中电压发生缓慢的变化时，实际电压与系统标称电压 之差，如果电压偏差过大会给电器设备或电力系统带来一系列的危害。 g b l 2 3 2 5 - 9 0 供电电压允许偏差 2 2 1 是根据用电设备对电压偏差的要求，并参 考了相关的国际标准和我国电力系统电压偏差的实际状况而制订的。其中规定 3 5 k v 及以上供电，电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的l o ，l o k v 及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的7 ，2 2 0 v 单相用户的供电电压允 许偏差为标称电压的+ 7 、1 0 ，如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差 绝对值为衡量依据。 为了使电压监测点的记录能科学真实地反映电压状况，应采取长期在线监测 并使用统汁方法进行科学的计算。电压质量监测统计的时间以m i l l 为单位，计算 公式为： 浙江大学硕士学位论文 各待铡参量的定义及涮量和计算方法 电压合格率c ，= ( 皇昼堕笔墨墨蔷蓦产 t o o 电压超限( ) = 1 - 电压合格率( ) 2 4 三相不平衡度及其测量 在理想状态下，电力系统中a 、b 、c 三相电压应有同样电气参数，且ab ， c 之间应该按顺序互成1 2 0 度角，这样的系统叫做三相平衡系统。然而由于存在 各种复杂的因素，实际电力系统中三相电压并不是完全平衡的。 当采用三相四线制供电方式时，由于用户较为分散，线路较长，如果三相负 荷不平衡，将直接增加电能在线路的损耗，为此在三相四线制的低压网络运行中， 应经常测量三相负荷并进行调整，使之平衡，这是降损节能的一项有效措施，对 于输送距离比较远的配电线路来说效果尤为显著。 如果已经通过f f t 计算得出了各相的基波分量值，则可以利用如下公式计 算得到三相不平衡度： g2 五+ 鼓e 一李、e 一- ；z 膏 a + 哉e 一孛、e 一季膏 其中幻e 分别表示三相电压向量。 2 5 电压波动和闪变 电压波动为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。电压波动值为 电压方均根值的两个极值之差，常以其额定电压的百分数表示。闪变指极短时间 内电压的迅速变化引起人眼产生的不适感觉，是人对照度波动的主观感受。电压 波动常会引起许多电工设备不能正常工作。一般来说。日光灯和电视机等设备对 电压波动的敏感程度远低于白炽灯，如果电压波动的大小不足以引起白炽灯闪 变。则可以肯定不会使电视机和日光灯等发生工作异常。 根据g b l 2 3 2 6 9 0 电压波动和闪变【2 6 l 的规定，公共供电点的电压波动允 1 7 潮江大学硕士学位论文各待铡参量韵定义及铡量和计算方法 许值为1 0 k v 以下，电压波动允许值为2 5 ，3 5 k v - l l o l w 电压波动允许值为 2 ，2 2 0 k v 及以上电压波动允许值为1 6 。 目前，常用的波动电压检出方法有三种f 1 1 1 ：平方解调检波法、半波有效值检 波法和全波整流检波法，其中平方解调检波法是i e c 推荐的检测方法，而且此 方法适合于使用数字信号处理的方法来实现。即首先将电压信号u ( t ) 平方，然后 利用解调带通滤波器检测出调幅波。经过o 0 5 3 0 k 的带通滤波器便能滤去直流 分量和二倍工频分量，从而检测出调幅波即电压波动分量。 而闪变则不仅和电压波动大小有关，而且和波动频率、照明灯具的特性及人 的视感等因素有关。因此，要获得闪变的准确度量，就必须在电压波动基础上， 根据人眼视感度曲线进行相应的处理。 1 8 浙江大学顸学位论文系统设计 3 1 系统设计指标 3 系统设计 本系统旨在构造一种具有网络功能的在线式电能质量分析仪，系统的构建需 要符合相关的电力仪表规范，下面所列出各项就是根据电能质量监测仪器的相关 规定必须要测量的参数和指标： a ) 电压偏差 b ) 频率偏差 c ) 三相不平衡度 i 电压正序分量有效值、电压负序分量有效值、电压零序分量有效值 ( 三相四线制系统) 、电压不平衡度统计 i i 电流正序分量有效值、电流负序分量有效值、电流零序分量有效值 ( 三相四线制系统) 、电流不平衡度统计 d ) 谐波总畸变率 i 电压总畸变率 i i 电流总畸变率 e ) 电压波动和闪变 i 电压波动 i i 长时闪变和短时闪变 o 谐波监测 i 2 - , , 5 0 次电压谐波的有效值、谐波根位、谐波含有率 i i 2 5 0 次电流谐波的有效值、谐波相位、谐波含有率、方向 i i i 2 5 0 次谐波有功功率、无功功率、视在功率 i v 0 2 5 0 0 h z 电压闻谐波的有效值、谐波相位、含有率 v 0 2 5 0 0 h z 电流间谐波的有效值、谐波相位、含有率、方向 “电压谐波失真总量、偶次谐波电压畸变率、奇次谐波电压畸变率 v i i 电流谐波失真总量、偶次谐波电流畸变率、奇次谐波电流畸变率 v i i i 总谐波视在功率、总谐波有功功率、总谐波无功功率 1 9 浙江大学硬士学位论文系统设计 为了实现上面所定义的各项参数指标，下面讨论系统的功能框图和各个部 分的具体设计。 3 2 系统框图 图3 1 为本系统的电能质量分析模块，其中两块高精度a d c 完成模拟信号 的采集，d s p 完成信号的分析处理，a r m 处理器负责管理人机界面。 藿 图3 - 1 电能质量分析模块框图 图3 _ 2p t 二次回路压降分析模块结构图 2 0 新扛大学磺士学住论文系统设计 圈3 2 为本系统中的p t 二次回路分析模块，其中高精度a d c 完成模拟信 号的采集，c p l d 完成控制信号的产生，a r m 处理器负责数据分析和人机界面。 3 3 四路电压信号的采集 因为本仪器需要监控的是三相四线制的电力信号。所以各相电压的标称有效 值均为2 2 0 v ，峰值为竹3 l l v ，经过电阻网络分压后，再经过一级放大和一级滤 波后进入a d c ，电路如下图所示： 图3 - 3 电阻分压网络 根据上圈我们可以计算出进入下一级的电压为 ，= 击 丽一3 1 1 r = + 3 1 1 v ， 所以 一3 - l l r - 【，0g + 3 1 1 矿 3 4 四路电流信号的采集 待测电流经过霍尔电流传感器，转换为电压信号，然后经过放大和滤波后进 入a d c 。 圉3 _ 4 霍尔电流传感器接线图 浙江大学硕士学位论文 系统设计 上图所示即为电流传感器电路，我们使用的是南京中霍公司的t b c l 0 l x h 型电流传感器，该传感器需要一组+ - 1 5 v 的隔离电源供电，当输入电流的大小 不超过+ 一1 0 a 时，在输出端就可以得到正比于输入电流的电压信号，其输出范 围为+ - 4 v ，输入输出关系如下式所示： 3 5 放大和滤波 u 。= k x 告 在输入信号进入模数转换之前需要进行放大和抗混叠滤波，下图所示电路中 左侧的运放起放大作用，右边的运放起滤波作用。 图3 - 5 模拟信号放大滤波电路 从上图可见放大电路的输入输出关系为： u o u t = ui n 2 右边的运放和电阻电容构成了一个s a l l e n - a n d - k e y 结构，两个电阻分别取 1 4 2 k 和5 3 2 k ，两个电容取l n f 和0 3 2 n f ，构成一个两极点低通滤波器，其截 止频率为f c = 1 0 4 k h z ，仿真效果如下图所示： 浙江大学硕士学位论文 系统设计 3 6 a d c 电路的连接 图3 - 6 滤波器频率响应图 因为需要采集八路模拟信号，而一片a d 7 6 5 6 只有六个模拟输入端，所以需 要用两片模数转换器并联使用，为了保证转换的精度，需要使用高精度的模拟参 考电压，可以使用a d i 公司的a d 7 8 0 b r ，如下图所示，输入为5 v 输出为2 5 v 高精度参考电压。 图3 _ 7 高精度参考电压源a d 7 8 0 b r 下图所示为具体的模数转换电路，右边为模拟信号输入端，而输出端由两片 1 6 b i t 接口组合成3 2 b i t 的数据总线同d s p 接口，而各模拟通道的转换脉冲由d s p 内部的高精度定时器给出，每当转换脉冲到来，各通道开始同步进行转换档转换 完成之后通过b u s y 引脚的下降沿向d s p 发出中断，d s p 在中断处理程序中连 续的读取a d c 六次就可以按顺序读出各个模拟通道的转换结果。 浙江大学硕士学位论文 系统设计 图3 - 8 高精度模数转换器a d 7 6 5 6 接线图 3 7 d s p 及其扩展 系统中所使用的d s p 为t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 浮点d s p ，采用先进 的超长指令字( v l i w ) 结构，每时钟周期可以执行8 条指令。该芯片具有丰富的 片内存储器资源和多种片上外设，外部总的存储器地址空间最大5 1 2 m b ，可以 支持s b s r a m ，s d r a m ，s r a m ，f a l s h 和e p r o m 等多种存储器。 浙江大学硕士学位论文系统设计 下图所示为本系统中的d s p 外扩了一片2 m 的n o r f l a s h 芯片，通过将启动 加载程序放入n o r f l a s h 中可以实现系统软件的自举运行，除了f l a s h 之外，系统 中还扩展了6 4 m 的外部s d r a m ，用来作为程序运行时代码和数据的存储空间，为 了保证总线上的信号完整性，避免振铃效应，使用的3 3 欧姆的排阻进行阻抗匹 配，从而保证了系统的稳定运行。 另外通过对d s p 内部的e d m a 控制器编程，可以使得每次a d c 中断到来 时采用d m a 方式自动将a d c 转换得到的结果存入预先指定的内存空间中，而 不用打断d s p 的正常运行。 图3 - 9t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 扩展n o r f l a s h 接线图 3 8 a r m 的外围接口 作为一款成熟的嵌入式s o c 芯片，$ 3 c 2 4 1 0 本身就带有丰富的外围接口电 路，其中主要的如下表所示： 接口名称数量 一 l c d 控制器 1 u s b h o s tl s p i 1 浙江大学硕士学位论文 系统设计 c1 s d 删c1 i ，a r t 3 表卜l $ 3 c 2 4 1 0 主要外围接口 本系统中主要使用到了u s bh o s t 、u a r t 以及l c d 控制器，另外如果需要 外接大容量的存储设备如硬盘等，则可以在系统中添加一块可选的扩展电路进行 扩展。 3 9 a r m 和d s p 之间的h p i 接口 主机接口( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) 是公司在新一代高性能d s p 芯片上配置的， 主要是为了满足d s p 与其它的微处理器接口而专门设计的。它与主机之间能够 实现并行、高速的数据传输。d s p 芯片中的h p i 接口可分为h p l 8 和h p l l 6 ，分 别针对具有8 位和1 6 位数据线的主机，每一种又分为标准型和增强型，两者的 主要区别在于：标准型只可以访闯固定的地址空间而增强型可以访问整个d s p 的片内存储器。外部主机是h p i 的主控者，它可以通过h p i 直接访问d s p 的存 储空间，包括存储器映像寄存器。当d s p 与主机进行信息交换时，h p i 是主机 的一个外围设备。关于h p i 接口的具体控制过程会在后面的h p i 驱动程序设计 小节中详细讨论。 为了避免系统中a r m 和d s p 总线之间互相干扰，并增强总线的驱动能力， 在h p i 总线上添加了一块三态总线驱动器7 4 l v t 6 2 2 4 5 ，本系统中的连接图如下 所示： 浙江大学硕士学位论文系统设计 图3 - 1 0 a r m 和d s p 之间的h p i 总线接线图 3 1 0 以太网控制芯片d m 9 0 0 0 d m 9 0 0 0 是d e v i c o m 公司生产的一种1 0 m 1 0 0 m 快速以太网控带4 芯片。 d m 9 0 0 0 结构完整，性价比高，而且有比较通用的接口，可以直接连接到大多数 微处理器的总线上。d m 9 0 0 0 只有4 8 个引脚，对内部存储器的读写既可以工作 在8 位模式也可以工作在1 6 位模式以适用于不同的处理器。它可以连接到3 类、 4 类、5 类的1 0 m 无屏蔽双绞线和5 类的1 0 0 m 无屏蔽双绞线，它的自适应功能 可以根据带宽自动配置内部存储区以发挥其最大处理数据能力。d m 9 0 0 0 完全符 合i e e e 8 0 2 3 u 国际标准。 下图所示为d m 9 0 0 0 以太网控制器在本系统中的连接方式，在连接到r j 4 5 接口之前通过一个隔离变压器实现了隔离，使用排阻是为了改善总线上的信号质 量。 浙江大学硕士学位论文系统设计 图3 一1 1 以太网控制芯片d m 9 0 0 0 接线图 3 1 1 计时和控制单元 在p t 二次回路分析模块中，为了达到更好的实时性，使用了一块c p l d 作 为主控芯片。由于c p l d 本身固有的并行操作特性，使得系统的响应时间可以达 到我们的要求。 c p l d 在系统中的连接方法如下图所示： 浙江大学硕士学位论文系统设计 勰 图3 - 1 2 控制单元l a t t i c em a c h 4 2 5 6 我们选择了l a t t i c e 公司的中规模c p l dm a c h 4 2 5 6 i 1 8 】，这款c p l d 具有2 5 6 个宏单元足以满足我们的需求。 通过编写程序，使得a ds t rc o m 璐、a ds t rc o n v b 、 a d _ s t r _ c o n v c 三个管脚输出5 0 k s 的方波信号驱动a d 7 6 5 6 对电压信号进行 快速的采样。在m a c h 4 2 5 6 的内部维护了三个寄存器和一个计数器，每当z e r o a 、 z e r o b 或z e r o c 当中有一个的下降沿到来时便把相应的寄存器值设置成当前 的计数值，并向a r m 发出中断请求，由a r m 读取这个零点对应的时间标记。 有了这些时间标记，a r m 就可以从中计算出主机和从机对应波形的相位差， 而根据a d c 采到的电压信号就可以分别计算出主机和从机的电压有效值，从而 实现了系统功能。 根据上面的描述我们可以发现，相差的计算准确性在很大程度上取决于晶振 浙江大学硕士学位论文泵绕设计 的稳定性，为了达到更好的性能，我们使用了d a l l a s 的一款温补晶振 d s 4 0 0 0 c w n ，其振荡频率为1 2 8 m 。接线方式如下图所示： 飘 旺 薄 段 戌 1 r 粥嗽 孽 般嵫 i蹦嚣 i加v 嗽 柏v 馘 乙 孵 魏 l 再r姒 s 彻 t 弧 s c l翎o 图3 - 1 3 温补晶振接线图 3 1 2 电压过零检测电路 疆叫 o 窖g 疗 我们通过一个s e h m i t t 比较器实现了一个准零点检测电路，准零点说明并不 是真正的零点检测，我们真正检测的电压是略微大于零的一个电压值，而且通过 将电路设计成s e h m i t t 比较器可以有效地抑制零点附近的干扰带来的误动作。 a m 图3 - 1 4 过零检测电路 下图是加入了干扰信号的输入波形。可以看出零点检测电路并没有受到这些 干扰的影响。准确地按照我们的设计意图输出了相应的方波信号。 浙江大学硕士学位论文 系统设计 一w + o ：，l ，f 嚣二止， 1 “ 1 “ 3 1 3 供电电路 j 忑= 猫了：二一 图3 - 1 5 零点检测电路输入输出波形图 本系统中使用了很多芯片，每块芯片还可以有不止一组电源，所以系统的供 电电路必须仔细设计才能保证系统稳定运行。 本系统只需一组5 伏1 0 w 的外部电源，所需的所有电源都由内部的功率芯 片供给。下图所示为采用t i 的方案由5 v 产生出1 2 v 和3 3 v 的电源解决方案： 3 i 浙江大学硕士学位论文 系统设计 图3 - 1 63 3 v 和1 , 2 v 电压产生电路 下图所示为由3 3 v 产生出$ 3 c 2 4 1 0 所需的核心电压的电路： 粕 图3 - 1 71 8 v 电压产生电路 本系统所使用的a d c 需要+ 1 2 v 的电源供应，另外霍尔型电流传感器需要 + - 1 5 v 的电源供应，本系统中使用了d c - d c 模块直接由+ 5 v 的电源变换产生了 这两组电源，如下图所示： 3 2 新江大学硬士学位论文 系统设计 图3 1 8 + - 1 2 v 和十 1 5 v 电压产生电路 浙江大学硕士学位论文系统核心技术及实现 4 系统核心技术的实现 4 1 高速模拟信号隔离技术 为了保证前端模拟采集电路有足够的通频带和线性度，传统的电压互感器和 电流互感器就不能满足要求了，而霍尔传感器由于传输频率宽，线性度好，使用 方便而成为一种很好的选择。 比如用于测量电流大小的直测式霍尔电流传感器，电流输入范围可以为几十 安培，测量信号的频率可以高达5 0 k ，误差小于l ，反应时间小于l u s ，完全 可以满足高速、高精度信号采集的要求。 下表即为本系统中使用的霍尔型电流传感器的具体参数： 参数名称测试条件测试结果单位 额定输入电流 1 0a 测量电流范围 3 2a 额定输出电流2 5 0 5 m a 电源电压1 5 5 v 匝比1 2 3 4 5 ：l o o o 零电流失调o 1m a 电流失调温漂 1 4 0 + 8 5 0 5m a 响应时间 5 0 a i ls 带宽( - 3 d b ) d c 5 0k h z 每圈的原边电阻 1 2 5 q 次级线圈电阻 1 1 0 q 工作温度 - 4 0 + 8 5 表4 - 1 霍尔电流传感器参数表 浙江大学硬士学位论文 系统核心技术的实现 4 2 高精度模拟信号采集的实现 高精度运算放大器a d 8 6 7 1 a r 是a d i 公司生产的一款专门为高精度应用生 产的高精度、低噪声、低输入漂移电流的运放，主要性能指标如下表所示【u l ： 参数名称最小值典型值最大值单位 电源电压 + - 5+ - 1 5 伏 输入电压 + - 1 0 伏 输入漂移电流 1 0纳安 带宽 l o兆 电源电流 3 毫安 表4 - 2a d 8 6 7 1 主要指标 根据上表所示，选用这款运算放大器来构成前端放大和滤波电路可以达到系 统所要求的高精度的要求。 除了选取高精度的运放之外，p c b 版的设计也对精度有着很大的影响，为 了进一步抑铝4 噪声，提高系统的性能，可以在p c b 版设计完成之后对关键的网 络进行系统仿真，如果不能达到系统要求，可以随时调整走线。 4 3 并行多通道采集的实现 市场上出售的许多所谓的多通道信号采集卡或者信号采集仪器其实是通过 一个快速的多路模拟开关在各个通道之间来回切换实现的，这样的实现对于速度 和精度要求不高的系统可以达到要求，但是我们的系统却需要分析高达五十次谐 波信号，并且需要同时采集多达八路( 四路电压和四路电流) 的信号，所以一般 的模拟开关切换无法达到要求，必须使用自身带有多个通道的模数转换器。 本课题中使用了a d i 公司的六通道高精度模数转换器a d 7 6 5 6 ，其功能框图 如下所示： 浙江大学硕士学位论文系统核心技术的实现 图4 1 a d 7 6 5 6 结构图 从上图中我们可以清楚的看到，在本芯片的内部有六个完全独立的1 6 b i t 精 度的逐次比较型模数转换器，所以可以真正实现多路信号的并行采集。a d 7 6 5 6 各模拟通道的主要技术参数如下表所示： 参数名称最小值典型值最大值 单位 电源电压 + - 5+ - 1 0 伏 参考电压 2 5 伏 模拟通道数 6 66| 采样率 2 5 0 k s 电压输入十1 0 伏 t h d 9 2d b 表4 _ 3a d 7 6 5 6 模拟通道参数 浙江大学硕士学位论文 系统核心技术的实现 4 4 嵌入式处理器和操作系统 嵌入式系统被定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，去除冗余，力 争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用对处理器的选择面 前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和 添加才能达到理想的性能，比如本系统中使用到的以a r m 9 为核心的$ 3 c 2 4 1 0 1 3 1 和以a r m 7 为核心的l p c 2 2 1 4 1 1 4 】就是这类处理器的典型代表。 下图所示为$ 3 c 2 4 1 0 的结构框图： 图4 2 $ 3 c 2 4 1 0 结构图 浙江大学硕士学位论文 系统核心技术的实现 图4 - 3l p c 2 2 1 4 结构图 从以上两图我们可以看出，除了a r m 核心之外，这两款芯片都集成了中断 向量控制器和s p i ，i i c 、u a r t 等常用的接控控制器，从而构成了一个完整的 s o c 系统，我们只要在外围添加必要的供电电路和晶振信号就可以满足一般系 统的需要。 嵌入式处理器的软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统软 件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。在多任务嵌入式系统中，对重要 性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单 纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写 的系统软件来完成，因此系统软件的高实时性是基本要求。 当前主流的操作系统可以按照实时性的不同分为两大类即硬实时系统和软 实时系统，硬实时是指时限的要求是绝对的，任何一个实时任务都能够在规定的 时限之前完成；而软实时的要求就没有这么严格，允许偶尔有实时任务不满足时 浙江大学硕士学位论文系统核心技术及实现 限的要求。目前成熟的硬实时系统主要有v x w o r k s 和u c o s i i ，v x w o r k s 具备一 个高效的微内核。微内核支持实时系统的系列特征包括多任务，中断支持，任 务抢占式调度和循环调度。微内核设计使v x w o r k s 缩减了系统开销并加速了对 外部事件的反应。内核的运行非常快速和确定，但是由于价格昂贵，所以不太可 能在我们的系统中使用，而u c o s i i 对于网络和外设的支持又非常不足所以也不 能选择。在各种嵌入式系统上运行的操作系统中，嵌入式l i n u x 虽然不是严格的 硬实时系统，但是仍然以其免