（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的电能质量监测仪设计.pdf

渤 1 气学学士学位论文 4 b s 7 似( 1 7 a b s t r a c 唱 w i t ht h ea d v a n c e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h e d e v e l o p m e n to f e c o n o m y ，e l e c t r i cp o w e rq u a l n y h a s c a p t u r e di n c r e a s i n g a t t e n t i o ni n p o w e r e n g i n e e r i n g i nt h er e c e n t y e a r s t h e r e f o r e ，t h e r e i sa ni m m i n e n tn e e df o ra n a p p r o p r i a t ep o w e rq u a l i t ym e a s u r e m e n ts y s t e m t h a tc a nb eu s e dt op e r f o r m q u i c ka n d r e l i a b l ep o w e r q u a l i t ys u p e r v i s o r y i nt h i s p a p e lw ed e s c r i b ead s p b a s e d r e a l - - t i m ep o w e rq u a l i t ym e a s u r e m e n t s y s t e mt h es y s t e m w i l l ： m o n i t o rw a v e f o r md i s t o r t i o n , s h o r t - d u r a t i o nv a r i a t i o n sa n dl o n g d u r a t i o n v a r i a t i o n s ； c o l l e c td a t ac o n t i n u o u s l ya n da n a l y z et h ed a t ai nr e a l t i m e ； c o m m u n i c a t ew i t hp c a n de x c h a n g e sp o w e rq u a l i t yd a t af o rh i g h - l e v e l d a t aa n a l y s i sa p p l i c a t i o n s ； b ec o s t e f f e c t i v ea n d p o r t a b l e w ew i l ld i s c u s st h e d e i g na n di m p l e m e n to ft h es y s t e m t h en e e df o ra c o m m o n p o w e rq u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m a th a sr e c e n t l yb e c o m ei n c r e a s i n g l y , s o t h i sp a p e r a d o p t st h ep r o p o s e di e e e s t a n d a r d _ t h ep o w e r q u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g e f o r m a t ( p q d i f ) t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ei m p l e m e n to fp q d i f , a n dp r e s e n t sa n a p p l i c a t i o na t t h ee n do f t h i sp a p e r , w er a i s et h ef u t u r ew o r ka n dp r e s e n tad i s t r i b u t e d s y s t e m s o l u t i o n k e y w o r d s ： p o w e r q u a l i t y ，s u p e r v i s o r y , d s p ，p q d i f 渤江大学硕士学垃论史 磊f 艟 1 1 电能质量 第一章绪论 电能质量是指这样一些电磁现象，它们标识着在电力系统中给定时间和给 定地点的电压、电流特征。泛泛地说，电能质量就是要使电力传输线的电压波 形为正弦波，并保持在额定幅值和额定频率下。 近年来，电能质量问题正日益引起电力工程师们的广泛关注，已经成为电 力公司、电力设备制造商和电力工程师急需解决的问题之。电力公司为了赢 得用户的青睐，希望能提供质量好的电能，抢占电力市场；电力设备制造商为 了延长该公司电器产品的使用寿命，同样希望电网能提供干扰水平比较小的电 能。在法国，国家电力公司已经开始向用户提供不同等级的电能，分别标明翠 绿色、银白色、金色和绿色等，按不同的价格收费。美国国家电力科学研究院 也计划提供用户电力技术。 电能质量干扰的变化范围很广，从毫秒级的冲击干扰到长期的电压幅值波 动。电能质量问题的广泛关注，对检测设备提出了特殊的要求，也产生了对复 杂的数据分析软件的需求。传统的监测系统主要是针对稳态电压电流，而没有 关注到用户设备的电能质量的全部性能指标。因此，对电能质量监测系统的需 求马上就要来临，以用之进行快速、可靠的电能质量检测。 电能质量监测仪是安装在发电公司或用户端，监测电网的电能质量。目前， 很多公司已经生产出各种类型的电能质量监测仪来测量各种电能干扰，但没有 统一的数据存储和交换的技术标准。目前，关于电能质量数据交换格式已经有 了很大的发展，i e e e 就提供了他的电能质量数据交换格式的推荐标准p q d i f 。 电能质量问题一直是很重要的。然而多年以来，人们只是简单的定义电能 质量如下式： 电能质量= 电能的可靠性 而且，认为用户负荷是线性设备( 或工作于线性段内) ，当正弦电压作用于这些 设备的时候，会产生正弦的电流。它们典型地被分为3 类：照明、加热、马达。 通常它们对供电电压的瞬态变化( 比如暂态波动、电压闪变等) 不敏感，而且 电网很小，很多问题不是很重要。因此，可靠性成为衡量电能质量的主要标准。 然而，近来用户负荷和电力系统特征的两个重要转变改变了这个标准。一 m7 i 凡学硕士学位论史 绪论 是用户负荷对电能质量问题的敏感性。目前的工业和商业设备对电能质量问题 的敏感性远比以前的设备要重的多，特别是那些基于微处理器的装置。另一个 转变就是电网逐步联网，自动化程度不断提高，使得系统本身对各种干扰比较 敏感，一个小干扰可能引起大的电能质量事故。因此必须对电网中的电能质量 进行实时监测，将各种干扰限制在一定的范围。目前电能质量的标准正在发展 之中，没有统一的标准，但大致包括以下几方面( 除了最基本的频率之外) ： 1 稳态的电压幅度和平衡度，这主要是指长期的电压波动，比如过压、欠 压、不平衡度等。 2 谐波分量。 3 电压瞬态波动，主要是指短期的变化，如闪变、电压跌落、电压浪涌等。 对电能质量的重视，导致了监测设备的发展。过去的检测设备能力通常比 较有限，要么是检测干扰问题的( 比如干扰分析) ，要么是检测稳态变化的( 比 如电压录波，谐波分析) 。随着微处理器处理能力的增强和数字信号处理技术的 发展，制造功能全面的电能质量检测系统成为可能，同时也必须解决一些问题 以便识别和解决电能质量监测问题。本节描述了电能质量监测设备和分析监测 数据的软件工具的发展。电能质量监测系统已经从单纯的故障检测发展到对系 统运行监测，采集的数据量也大大增加，因此需要更先进的分析工具。本节也 介绍了不同种类电能质量问题的相应检测方法，并讨论了不同类型的检测装置 所能采集的信息种类、各种数据分析方法和信息表示方法，主要有以下几个目 标： 描述几种重要的电能质量变化； 用以测量电能质量变化的监测器种类及检测方法； 提供表达监测数据的方法。 电能质量问题会引起敏感设备的误动甚至损坏，我们首先必须分清电能质 量问题的种类。目前关于电能质量问题的讨论有很多，大致分两类： 干扰。干扰的测量通常是通过电压或电流的非正常现象来触发的。暂 态电压变化的检测主要是通过监测峰值电压是否超过设定的门限。有效 值电压变化( 比如，欠压或停电) 的检测是通过监测电压有效值的水平 来实现的。 稳态变化。这些包括正常的电压有效值变化和谐波失真。他们的测量 濒江大学硕士学位论文绪磴 通常是长期的对电压电流进行采样计算得到的。这种信息的表达可以是 某个量( 比如电压畸变) 的长期变化趋势，然后可以用统计学方法进行 处理( 比如可以得到平均畸变水平，不超过某一水平的概率等) 。 表格1 1 列出了常见的电能质量问题，原因及相应的解决办法。 电能质量干扰类型判别方法典型原因解决方法 冲击暂态峰值检测雷击滤波器 ( i m p u l s i v et r a n s i e n t ) 负荷开关隔离变压器 高频振荡暂态波形采样电容器或滤波器 ( o s c i l l a t o r yt r a n s i e n t )峰值检测负荷开关隔离变压器 电压上升下降检测有效值惩明装置故障u p s ( s a g s s w e l l s ) 电能中断 ( i n t e r r u p t i o n s ) 周期检测维修 后备电源 谐波畸变频谱分析非线形负荷 滤波器 ( h a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 系统谐振 电压闪变波形采样电动机启动 无功补偿 ( f l i c k e r s )电弧炉 表1 1 不同类型电能质量问题，原因及相应的解决办法 一、稳态电压特征： 电力系统的实际运行中是没有绝对稳态的。负荷在不断的变化，电力系统 也跟随负荷的变化作调整。所有这些导致了电压的变化，称为长期电压变化。 这可能是欠压或过压，决定于特定的系统结构。稳态电压的特征可以通过长期 的趋势和统计数据来描述，重要的信息包括电压幅值和不平衡度。谐波失真也 是稳态电压特性，但是这部分通常不包含基波分量的变化，我们分开对待。 大多数用户设备对这些电压变化不是非常敏感，只要在合理的限度内。 二、谐波失真 电压电流的谐波失真主要是由于电力系统中非线性负荷或设备的操作引起 的。引起谐波失真的非线性负荷通常可以表示成谐波电流源。系统电压对每个 设备都相对稳定，而设备会引起谐波电流。图1 1 表示常见的谐波电流。 谐波电流作用于系统阻抗而导致谐波电压失真。通常要求用户侧要限制注 入系统中的谐波电流。而电能供应商则应避免系统共鸣而放大谐波，也可适当 的进行滤波处理。 谐波失真水平可以通过频谱分析来刻划，通常我们采用的是总谐波畸变度， 即谐波畸变的幅度。 溉n k 学碘l 学位论曼钟蹬 不日的负蓑类基波形 l ，i ii 半挢变换器 | i6il1 il lnjljl li vlyl | _ - ii - i i ( 有乎馥电容。 ：j 删一 没有串联电萼) ii i叩l 1 il1 j ( 有平波电容。 l f 1 1 1 l f 1 ln ji ujl 和串联电感) ii irl 瓣 f lll _ j 渡电毒h w 一 f 广ltl l li lj r j r j l ，i 1 2 拍变换嚣 yi 、卅、l ti if l 群擎 rkl j | i 、ll 凡j ( 可控硅) n ，卜i l ， l l f vi丫 iv l 图11 常见的谐波电流 从左图可以看出，现代的电力电子 设备对电网产生了大量的谐波电流。 从稳态的角度看，它们的电流波形 也是周期性的，根据傅立叶分析，它们 应该只有整数次谐波，如2 、3 、4 次及 更高次的谐波。 实际上电网中也存在着非整数次的 谐波，这主要是一些暂态过程引起的， 比如故障、负荷起停等。 所以，有人在进行谱分析时引入了 分数次谐波。我认为这些是没必要的， 也欠准确，原因如下： 1 作为稳态分析方法的谱分析是一 种长期的分析过程，对于局部化的信息 ( 暂态过程就是局部化的) 的提取是不 准确的。 2 暂态过程的波形是严格非周期 的，其频谱几乎是连续的，单单提取某 一分数次谐波不能代表什么。( 具体参见 第三章的分析。) 三、暂态变化 暂态通常指系统中电压电流非常迅速的变化。暂态是干扰引起的，而不是 稳态的变化，比如谐波畸变或者电压不平衡。干扰的测量可以用非正常现象来 触发，对暂态来说就是峰值、上升率或者相邻波形之间的差别。暂态可以划分 为两类；冲击暂态和振荡暂态，各自有不同的特征。 暂态通常是用实际波形来刻划的，尽管也有一些总结性的描述，比如峰值、 基频、上升率等。电容器开关时的暂态波形就是系统中常见的、主要的暂态变 化，从配电所或者用户侧产生。 暂态问题的解决，可以通过控制暂态源，改变系统的参数以影响暂态响应， 或者加保护设备。举例来说，电容器投切引起的暂态变化可以通过在电压的过 零点时投切来加以控制。用户设备中的低压电容器要合理配置以免放大暂态变 化波形。实际设备可以通过滤波器或电涌抑制器来保护。 四、短期电压变化： 短期电压变化包括基波分量的改变，持续时间较短，比如不超过1 分钟。 攒 学士虫士学位论文 缱论 这些变化最好是通过有效值对时间变化曲线来刻划，但是通过电压越限的时间 及相应的电压幅值来描述也足够了，通常没必要给出详细的电压波形曲线。 电压变化可能有瞬间的欠压、过压或失压( 停电) 。从对用户的影响来看， 失压是最严重的事故。但欠压也是非常重要的，因为它可能会经常出现。故障 可能会引起系统中大范围的瞬时电压跌落，尽管它没有引起停电事故。大部分 的传输线故障符合这种情况，而大部分用户设备对这种变化也是比较敏感的。 依靠系统来解决这个问题是非常昂贵的，所以用户侧通常通过后备电源来缓解 这个问题。 1 3 2 电能质量监澍设备的种类 本节分析了实验室或现场常用的电能检测工具，为我们的电能质量监测仪 的设计提供了现实的参考。 1 万用表 一个设备的接线完成后，必须要检查电压电流的水平，比如过流、欠压、 过压问题以及各回路的平衡度。这些测量用万用表就可以了。可以检测的信号 包括相对地电压、相对中性线电压、中性线对地电压、线电压( 三相系统) 、相 电流、中性线电流等。 选择和使用万用表的时候最重要的考虑因素是该表所使用的测量方法。通 常所用的表都是针对所测信号的有效值来校准的，而计算有效值有很多方法， 而三种最常用的方法是： 峰值方法。即测取信号的峰值，然后除以l4 1 4 就得到了有效值。 平均值法。首先计算一个截断信号的平均值，对正弦波来说有效值与 平均值之比为常数。 真正的有效值法。现代数字表都是采用数字信号处理算法来计算的。 这些不同的方法对纯粹的正弦波来说会得到同样的结果，但对畸变波形会 得到的结果会有明显的差异。而实际上比较严重的波形畸变是经常发生的，特 别是相电流。 2 示波器 当需要实时监测的时候，示波器是非常有用的。通过电压电流波形，我们 可以更全面的了解整个过程，可以直接地观察到各种畸变信息。示波器也有多 种类型，数字式示波器通常可以存储波形，甚至还又分析功能，比如功率计算、 频谱分析等。另外，有些示波器具有通讯功能，可以把波形上传给p c 机，进 而可以用各种软件包对采样数据进行进一步分析。 3 频谱分析和谐波分析仪 这类设备通常直接采样交流信号的波形，然后进行f f t 计算分析。通常要 浙江大学硕士学位论文 第论 进行事故分析，还需对这类设备提出另外的要求：能够对电压和电流进行同 时分析，以便计算谐波潮流；进行幅值和相位分析；同步和足够高的采样 频率；统计信息。 谐波失真是一种持续现象，他可以通过某一时刻的频谱来表示，当然一段 时间内的统计信息往往更有用。大多数现代设备能进行各种功能综合，比如事 故监测和谐波分析。 近年来电能质量数据的分析越来越复杂了，再也不是简单的有效值分析等。 分析工具得到的结果往往有几种，比如独立的事件( 干扰波形) ，趋势或者统计 数据等。通过事件与典型的电能质量变化特征库相比较，并联系当时的系统信 息( 比如电容器投切动作) ，可以确定电能质量问题的原因。通过同样的方式， 也可以确定用户设备对各种电能质量问题的敏感性。这有助于识别那些需要电 源调理的设备，并有助于采用相应的保护措施。 随着数字信号处理技术的发展，很多新方法已经应用到电能质量数据的分 析处理中。特别是在电能质量问题的诊断分析中，小波分析、神经元网络等方 法越来越受到重视，小波分析的局部信息提取能力，使得对暂态变化的分析更 加方便和可靠。而神经元网络的分类能力，也使得它在故障诊断系统中获得广 泛的应用。 1 4 本文的工作 本文在借鉴了很多已有设备的功能和特性的基础上，利用数字信号处理技 术，设计开发了电能质量监测仪。该系统是建立在数字信号处理器( d s p ) 和 p c 网络的基础上，主要是进行谱分析、长期电压波动和一些暂态电压分析等， 并提供了简单的录波功能。当然也提供了和p c 机之间的数据通信功能，为实 现p c 机上的高级分析软件提供数据，而具体的高级分析方法( 比如小波分析、 神经元网络等) 不作论述。针对目前电能质量数据交换没有统一文件格式的情 况，采用了i e e e 的推荐格式( p c i d 砸) 来设计实现本系统的交换文件，并提供 了应用实例。该格式适用面广，可扩展性强，这为将来开发更完善的电能监测 系统打下了坚固的基础。 浙红获学硕士学位论文l 舔p 琢理 第二章d s p 原理 2 1d s p 概念 9d s p 包括两方面的含义，一是数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) ；另 一个是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 。 1 数字信号处理 数字信号处理是6 0 年代前后发展起来的一门新兴学科。进入7 0 年代以来， 随着电子计算机、超大规模集成电路( v l s i ) 以及微处理器技术的迅猛发展， 数字信号处理技术无论在理论上还是在工程应用中，都是目前发展最快的学科 之一，并且日趋完善和成熟。 7 数字信号虽然不是万能的( 例如，人本身主要就是接受模拟信号的) ，但数 字信号处理技术为模拟信号的处理开辟了广阔的前景，主要涉及信号滤波、信 号分析( 包括调制、变换、增强、压缩、检测、估计、识别等) ，不但可以使系 统做到更稳定和小型化，甚至可以实现一些模拟技术难以实现的功能。 2 数字信号处理器 数字信号处理器有很多不同的种类。一类是专用芯片，比如专用f f t 芯片， 专用调制解调芯片，以及半定制的可编程阵列处理机等。目前广泛研究和应用 的一类是通用可编程d s p 处理器，它们是针对常用数字信号处理中数据结构、 运算单元、算法结构特点等进行优化的高能微处理器。 目前数字信号处理的理论研究和工程应用都在蓬勃发展中，两者之间相互 促进，新算法、新硬件不断出现，为工程开发提供了强有力的工具。本章主要 结合数字信号处理算法的特点来介绍数字信号处理器的功能特点。 近2 0 年来，将c p u 、存储器和接口电路等集于一体的单片机技术得到了迅 猛的发展。通用单片机以其极高的性能价格比，在控制领域得到了广泛的应用。 尽管单片机的性能在不断的提高，但随着通用单片机应用领域的不断拓宽，人 们还是觉得单片机在高速控制和复杂运算方面，尤其是在数字信号处理方面显 得力不从心，为此必须寻求性能更优的微处理器来开发这类系统。通用单片机 技术的普及促进了更高级微处理器芯片的开发。为了提供控制系统的速度和系 统的运算能力，一些高性能的3 2 位微处理器芯片，如i n t e l 8 0 3 8 6 、a m 2 9 0 0 、 t 1 8 8 0 0 等也常用作系统的开发。由于通用微处理器的的硬件结构特点，尽管采 舫“ 学萌士笋岔越j f | ) s | ，橡理 用这些芯片后可以提高时钟频率，缩短指令周期，但由于她还要处理复杂的控 制，有很大一部分硬件电路是为处理控制而设计的，因此其运算能力还不是很 强。 为了最大限度的提高微处理器的运算能力，加快数字信号处理算法的运算 速度，许多公司都开发了通用单片数字信号处理器( d s p ) 。单片d s p 处理器 实质上也是一种专用单片机，主要用作数字信号处理，他的工作原理于普通单 片机的原理相似。单片d s p 处理器中，除了一些简单的一些通讯控制和接口控 制外，大部分硬件是为提高运算能力而设计，并且硬件和软件的设计都是以数 字信号处理为中心。因此，与同等复杂程度的通用高级微处理器相比，单片d s p 具有更强的运算能力，尤其在实现数字信号处理算法时，可以达到极高的运算 效率。d s p 不仅在数字信号处理领域，如滤波、谱分析和语音分析等方面得到 了广泛的应用，而且在高速控制和复杂计算领域，如高速电梯控制等方面，得 到了广泛的应用。 d s p 处理器是随着超大规模集成电路( 、，l s i ) 技术的高速发展的基础上逐 渐发展起来的，其主要目的是用作信号的滤波、f f t 变换、频谱分析、相关运 算等数据处理，同时也具备一些简单的控制功能。数字信号处理的硬件实现， 除采用专用硬件电路外，最常用的方法就是通过通用可编程d s p 处理器来实现。 目前t i 公司的t m s 3 2 0 系列在d s p 市场中的占有率最高。 2 2 1 数宇信号处理( 快速) 算法的特点 典型的数字信号处理算法有卷积运算、离散傅立叶分析d f t 等，其他的算 法跟这两者有很大的相似性，它们的特点决定了数字信号处理器的结构。主要 特点如下： 主要的处理对象是时间序列( 数组) 、空间序列( 距阵) ，因此数据吞吐 量大； 主要运算单元：乘法累加、矢量旋转、以及三角函数等； 高度并行性。 。分 2 2 2d s p 的体系螬构( h a r v a r d ) 自1 9 4 6 年v o n - n e u m a n n 体系结构诞生以来，通用计算机的体系结构一直 变化不大，即由运算器、控制器、存储器和输入输出设备等组成系统。这种结 构实际上奠定了数字计算机发展的基础，它能解非线性微分方程组、各种数值 计算，还能够进行信息处理和工业控制等方面的应用。但是，v o n _ n e u m a n n 体 8 新坦冀笋研士笋缱艟卫 d s p 娠理 系结构并不是最适合数据处理的体系结构，因此d s p 采用了h a r v a r d 结构。首 先让我们看一下v o n n e u m a n n 体系结构( 见图2 1 ) 的的基本特点如下： 1 存储器是按地址访问的顺序线性编址的一维结构，系统的运算速度与访 问内存的次数关系很大。 2 指令在存储器系统中是按其执行顺序存储，由指令计数器指明下条指 令所在的存储地址。 3 在存储器中指令与数据同等对待。系统以运算算逻辑单元( a l u ) 为中 心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都途径运算器。数据以二进 制编码形式表示，采用二进制运算。 4 采用按时序串行运行的方式，系统结构的瓶颈在于c p u 于存储器之间。 在这种体系结构中，取指、取数、指令操作基本上是按顺序进行的。 图2 - 1v o n - n e u m a n n 体系结构示意图 那么，我们为什么不用通用微处理器，特别是来用高档微机来实现高速信 号处理任务呢? 考察数字信号处理技术的基本运算可以看出，有三个方面是一 般微处理器所不能适应的。 一是d s p 基本运算中，乘法累加、矢量旋转、以及三角函数等是很普通的， 要求能很快的计算； 二是通用微处理器的体系结构对高速信号处理应用中经常出现的数据结 构，例如循环缓冲等，只能提供繁琐的寻址算术，效率很低； 三是信号处理算法具有很好的并行性，在通用微处理器的体系结构中就不 能有效的利用。 数字信号处理器与通用微处理器之间的关键区别在于体系结构区别，这正 是d s p 在信号处理方面的优势，即d s p 具有适应于信号处理技术基本运算的 指令、体系结构，能够完成复杂的灵活的寻址操作，能充分利用算法并行性。 简单介绍如下： d s p 对v o n _ n e u m a n n 体系进行了改进，将程序与数据分开放在两个不同的 存储空间，从而可以使取指、指令执行完全重叠进行，就是所谓的h a r v a r d 体 系结构，如图2 2 。 渤a 大学硕士学位论文 d s i ，碾理 图2 2h a r v a r d 体系结构示意图 实际上d s p 采用的大都为修正的h a r v a r d 体系结构，其特点如下： 1 程序总线和数据总线分开，实现程序存储器和数据存储器的同步操作。 有的d s p 具有数据直接存储d m a 控制器，允许程序与数据存储器进行 数据传输。 2 具有多功能单元；在中央处理器中设置多个功能单元( 加法、乘法等) ， 可以提高单一程序的吞吐量，缩短周期时间。 3 具有高性能的乘法器、累加器、移位定标器，可以在单指令周期内完成 多种操作，比如大多d s p 处理器都有累加并可移位的指令( m a c ) ，它 们在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法并进行移位操作。 4 零消耗循环控制，处理器不用花时间测试循环计数器的值就能执行一组 指令的循环，硬件完成循环的跳转和循环计数器的衰减。 5 特殊的寻址模式，d s p 芯片一般含有专门的地址产生器，用于产生信号 处理算法需要的特殊寻址，比如f f t 算法中的位倒序寻址。 6 支持流水线操作，取指、译码、执行等操作可以重叠进行，使得每条指 令都等效于在单个指令周期内完成操作，大大加快了d s p 芯片的处理速 度。 d s p 芯片主要是用在数字信号处理方面，数据处理能力很强，但其他方面 的功能较通用处理器弱。为了适应市场的需要，各d s p 厂家相继把核( c o r e ) 的概念用于d s p 领域，提出了d s p 核( 一般是d s p 的运算处理器部分) ，并结 合用户要求的存储器( 比如c a c h e 、f l a s h 以及固化的专用软件等) 、外设( 包 括串并口、定时器等) 以及控制逻辑电路而组成特定了d s p 芯片。 许多工业领域正面临着信息技术带来的革新，需要处理的信息量越来越大， 对实时性和精度的要求也越来越高。因此，越来越多的用户开始选择d s p 来提 高产品的性能。 2 2 3d s p 的性麓指标 目前d s p 芯片的种类越来越多，因此我们必须根据d s p 的性能指标选择合 渤虹大学硕士学位论文d s p 婊理 适的芯片。衡量d s p 芯片性能的指标主要有一下几项： 1 指令周期：就是执行一条指令所需的时间，通常以n s 为单位。 2 m a c 时间：即一次乘法并累加的时间。 3 f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。由于f f t 运算 涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此f f t 运算时间常作为衡 量d s p 芯片运算能力的一个指标。 4 m i p s ：即每秒执行百万条指令。 5 m o p s ：即每秒执行百万次操作。 6 m f l o p s ：每秒执行百万次浮点操作。 7 d s p 芯片的硬件资源，如片内r a m 、r o m ，外部可扩展的程序和数据 空间，总线接口、i o 接口，定时器及串行口数等。 8 d s p 芯片功耗。 ， 2 2 4d s p 的典型应用 1 、通用数字信号处理 数字滤波、卷积、相关、f f t 、希尔伯特变换、自适应滤波、窗函数、 波形生成等。 2 、通信 高速调制解调器、编，译码器、自适应均衡器、传真、蜂窝移动电话、数 字留言机、语音信箱、回音消除、噪音对消、电视会议、扩频通信等。 3 、声音语音信号处理 语音信箱、语音识别、语音鉴别、语音合成、文字变声音，语音矢量编 码等。 4 、图形图象信号处理 三维图形变化处理、计算机视觉、模式识别、图象鉴别、图象增强、动 画、电子地图、桌面出版系统等。 5 、控制 激光打印机伺服控制系统、发动机控制、卡尔曼滤波等。 6 、仪器 数据采集、暂态分析、模态分析、谱分析等。 7 、医学电子学 心电图，脑电图、核磁共振、x - 射线断层扫描等。 8 、军事 雷达与声纳信号处理、制导、搜索与跟踪等。 溉 lt 学硕士学位论史i ) s p 段群 9 、计算机 阵列处理器、图形加速器、工作站、神经网络、多媒体计算机等。 1 0 、消费电子 玩具与游戏机、音乐合成器、高清晰度电视、数字应答留言机等。 2 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 功能简介 图2 - 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 体系结构图 从图2 - 3 可以看出，t m s 3 2 0 f 2 4 0 是典型的h a r v a r d 体系结构，内部具有多 重总线，并具有多个处理单元并行工作。 浙 【九学硕士学位论文 d s p 原理 2 3 1t m s 3 2 0 f 2 4 0 概述 t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片是公司生产的1 6 位定点数字信号处理器家族中的一种。 主要特性如下： 采用高性能静态c m o s 技术。 c p u 采用t 3 2 0 x l p 核。和t m s c 2 x x 的目标代码兼容；源代码和 t m s 3 2 0 c 2 5 兼容；采用1 3 2 脚p q 封装；5 0 n s 的指令周期。 内存：5 4 4 字x 1 6 位的双端口片内程序，数据内存；1 6 k x l 6 位的片内程 序f l a s he e p r o m ；共有2 2 4 k 的寻址空间( 6 4 k 字数据空间，6 4 k 字 程序空间，6 4 k 字i o 空间和3 2 k 字全局空间) 。 事件管理模块：1 2 个比较器n ，w m 通道；3 个定时器，分别有6 种计数 模式；3 个带有死区带宽的1 6 位完全比较单元；3 个1 6 位的单比较单 元。 两个1 0 位的a d 转换模块，共有1 6 路a d 输入。 2 8 个可编程的多功能i o 脚。 锁相环时钟模块。 、 硬件狗定时器模块。 串行通信接口模块。 系列外围接口模块。 六个外部中断( 电源驱动保护、复位、n m i 和3 个可屏蔽中断) 。 2 3 2t m $ 3 2 0 f 2 4 0 的中央处理簟元 中央处理单元通过3 2 位的算术逻辑单元( c 札u ) 可以进行两个有符号整 数的逻辑运算，进行运算的数据来自数据存储器、立即数指令或者是乘法器的 3 2 位结果。算术逻辑单元除了执行逻辑运算外，还可以执行布尔运算。 中央处理单元中还有一个3 2 位的累加器( a c c ) ，它可以存储算术逻辑单 元( c a l u ) 的计算结果，也可以为算术逻辑单元( c a l u ) 提供第二个输入数 据，a c c 的宽度为3 2 位，汇编语言指令可以分别将高1 6 位和低1 6 位存入数 据存储器。 c p u 中的3 个3 2 位的定标移位器，可以做移位、位提取、扩展算术运算和 益出防止运算，这3 个定标移位器分别为：输入数据定标移位器。该移位器 将输入的0 到1 6 位的敷据左移1 6 位，作为c a l u 的3 2 位输入数据；输出 数据定标移位器。该移位器将累加器里的结果输出到数据存储器之前左移0 到 7 位，而累加器的数据保持不变。乘积定标移位器。乘积移位器在乘积寄存 渤i l 大学硕士学位论文 d s p 骧理 器的数据输出到c a l u 之前对其作移位，它的移位方式有四种( 不移位、左移l 位、左移4 位、右移6 位) 。 c p u 中的乘法器可以作1 6 x 1 6 位的二进制乘法，得到3 2 位的结果。在与乘 法器连接时，使用一个1 6 位的暂时寄存器( t r e g ) 和一个3 2 位的乘积寄存器 ( p r e g ) ，t r e g 中总是保存乘数中的一个，而p r e g 则接受每次乘法的结果。 当个指令使用间接寻址方式来访问数据存储器时，辅助寄存器算术单元 ( a r a u ) 就产生数据存储器的地址，a r a u 是有8 个辅助寄存器支持的( a r o 到 a r 7 ) ，其中每一个都可以从数据存储器或者直接从指令字中装入个1 6 位的 值，每个辅助寄存器中的值也可以存入数据存储器中，这些辅助寄存器由嵌入 在状态寄存器s t o 中的一个3 位辅助寄存器指针( a r p ) 来查找。 2 3 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 的开发环境 随着d s p 应用的普及，其开发工具也得到了飞速的发展。t i 公司的d s p 芯片提供通过片上专用硬件仿真端口j t a g 支持的仿真功能，而非软件模拟。 可以在不占用系统资源的条件下进行仿真，速度快而且不干扰系统的运行状态。 支持汇编语言、a n s ic 语言开发环境。并且目前的d s p 开发具有完接的 解决方案，包括外围芯片、软件系统等，多家第三方公司提供d s p s 解决方案 支持，包括对2 0 0 0 0 多种应用的全套的硬件支持、大量的高级语言库函数、各 种数字信号处理算法的软件包、基于w i n d o w s 的集成开发调试软件等等。 多家公司已经研制了应用于d s p 应用的实时操作系统，支持实时多任务处 理，并且提供功能越来越强高级语言开发环境，它们能够充分利用d s p 的并行 特性，大大提高了高级语言程序的效率，为工程开发提供了优越的条件。 渤江大学礤士学位论文数字信号处理过程中的关键竭越 模拟信号的数字化处理过程大致分三步：，d 变换，数字信号处理，d a 变换及低通滤波。针对电能质量分析这个具体应用，本节主要介绍前两部分的 主要内容，为电能质量监测仪的设计提供理论基础。 3 1 采样定理 首先让我们看一下模拟信号x ( f ) 经过等时间间隔采样后，信号的频谱复制 特性。采样后信号x ( f ) 可以表示为： x ( f ) = x ( f ) 艿( f n r ) - = x o b ( r ) 我们可以把这个过程看作是基带信号x ( f ) 对载波信号s ( f ) 的调制，进而产生 了频率转移。具体分析如下，将s ( f ) 展开成f o u r i e r 级数，即以各次谐波的线性 组合表示： s ( r ) = 艿( f 一拧r ) = i 1 p 2 删 r ；m 1 m = - - t o 则， x o ) = x ( f b ( r ) = 告x 2 蛳( 3 1 ) j m = 根据f o u r i e r 变换的频移特性，如果x ( f ) 的f o u r i e r 变换为z u ) ，则x ( f k 2 砌 的f o u r i e r 变换为x c 厂一正) 。对( 3 - 1 ) 式两边同时进行f o u r i e r 变换，则得， x ( 厂) = 睾e x ( r 一蜕) ，如图3 1 所示： 图3 1 采样后信号的频谱重复特性 由此，我们可以看出，信号x ( f ) 经过采样后，其频谱是原信号频谱的周期 性重复，而相邻重复体的中心频率偏移为z 。如果z 选择不当，相邻重复体之 间就会重叠，实际上就造成了信号采样后信息失真。z 的选择要根据采样定理 泐t 1 天学硕i 学位论文 数字稿号处理d 程中的关键问趱 来进行。 设模拟信号x ( f ) ，其等间隔时间采样序列为x o r ) 。如果x 如r ) 能够正确( 即 信息无损失) 的表示信号x ( f ) ，则必须满足如下的条件： 1 模拟信号x ( f ) 必须是有限带宽的，也就是说它的频谱必须被限定在某一 最高频率范围内，记为l ，即x ( f ) 中没有大于l 的频率分量。 2 采样频率z 必须大于等于信号x ( t ) 中最大频率l 的两倍，即 正2 眦。f , 1 2 被称为n y q u i s t 频率。 这就是著名的采样定理，一些典型的信号处理应用的带宽0 和所需采样 频率工如表3 1 所示： 应用 |。|。 地球物理学 5 0 0h zlk h z 生物医学 1k h z2k h z 机械 2k h z 4k h z 语音 4k h z8k h z 音频 2 0k h z4 0k h z 视频 4m h z8m h z 3 2 抗混叠滤波 表3 1 典型应用的采样频率，的选择 采样定理对实践的指导是非常重要的，决不能忽视。由于实际应用中的信 号谱成分是非常丰富的，因此必须通过模拟低通滤波器进行限带处理。这与我 们的实际应用也是相吻合的，因为绝大部分的有用信息都存储在有限的带宽内， 高频部分大多为噪声干扰。 采样频率z 必须根据实际应用进行选择，要足够高以包含全部重要的频率 成分。n y q u 柳频率( y , 2 ) 以j t - 的成分必须通过前置滤波器滤掉，我们称之为 抗混叠滤波。这一步非常重要，直接影响整个系统的性能。这个过程如下图3 - 2 所示： 图3 - 2 恰当的抗混叠滤波 浙江太学硕士学位论文数字信号处理过程中的关键砌融 3 3 d f t f f t 算法 d f t f f t 的用途主要有三个方面：1 、计算采样信号的频谱；2 、利用f f t 可以实现卷积运算的快速算法；3 、波形编码( 比如语音和图象编码) ，以有效 地传输和存储信息。常用的图象编码工具离散余弦变换，就是d f t 的一种 变体。在电能质量分析中，我们主要应用的是它的频谱分析功能，下面就是d f t 计算频谱时的一些注意事项，主要是频谱分辨率和加窗特性。 为了用数字设备计算模拟信号的频谱，我们首先要得到信号一段时间内的 采样序列，再通过d f t f f t 计算得到信号的频域信息。采样频率厂f 必须要足够 大，以减小混叠效应，必要时可以加抗混叠滤波器。 由离散信号计算所得的频谱z ( 厂) 是所期望的模拟信号的频谱x ( 厂) 的重复 体。可以证明，只要采样频率和抗混叠滤波设计恰当，计算所得频谱z ( 厂) 在 一z 2 ，z 2 范围内和模拟信号频谱j u ) 就是一致的。这条性质是采样定 理的直接结果。 然而，如果重复体之间重叠，就得不到期望的频谱j ( ，) 。此时， 丁x 驴) = x 【厂) + j u + 工) + 肖( 厂一z ) + ，一工2s f l 2 。 这是因为通过数字方式我们只能计算x ( 厂) ，因此我们必须保证在 一f j 2 ，s 2 范围内，上式中的x c 厂+ z ) 及后面各项之和必须为零或者迅 速衰减。 即使x 驴) 和x ( 厂) 相当逼近，我们也面i f 缶另外一个问题，就是x ( 厂) 的计 算要求无限长的采样点x 0 7 1 ) ，一0 0 聆 _ 一 写a 攀： d o t 读出 1 卯。) _ t 一 幽4 - 4t 6 9 6 3 接口时序图 2 、t 6 9 6 3 c 的控制部分 它由时序发生器、寄存器组、运算电路、指令译码器和数据控制 器、数据栈等组成。它是t 6 9 6 3 c 的核心。控制部分在时序发生器的 作用下，先将c p u 送入的数据锁存器的数据暂存入相应的寄存器内， 然后根据指令锁存器的内容译码，将数据栈内的数据或作为指令参数 送入相应的寄存器内，或作为显示数据送入显示缓冲区内。 控制部分对显示缓冲区的寻址是通过地址计数器、图形计数器、 字符计数器和字符发生器的地址寄存器等四个寄存器来实现的。这四 个寄存器的基本作用是： 浙 l 定学敏士学位拖定 电能质量雒潮仪设计 a 、地址计数器作为c p u 访问显示缓冲区的地址指针。该计数 器可以指令修改，并且具有自动加1 或减l 功能。 b 、字符计数器和图形计数器分别作为文本显示区和图形显示 区的地址指针。这两个计数器被用于显示数据传输的寻址，其 当前值所选通的显示缓冲区单元与显示屏上的位置一一对应。 c 、字符发生器的地址寄存器作为字符发生器的寻址寄存器是 c g r a m 偏置地址、字符代码和行计数器的合成逻辑寄存器， 其输出将形成c g r a m 或c g r o m 的地址。 t 6 9 6 3 c 管理显示缓冲区时有两种时序交替进行，其工作原理为： t 6 9 6 3 c 将c p u 设置的时序和控制逻辑值以及地址指针等分别存入寄 存器组内。在屏幕显示的过程中，t 6 9 6 3 c 启用了字符计数器和图形计 数器。在文本显示方式下，控制电路将字符计数器所选通的单元字符 取出送至字符发生器的地址寄存器内与字符发生器基址和行计数器值 合成，输出所需的c g r o m 和c g r a m 地址。控制电路将根据这个地 址取出字符字模数据送至字符数据锁存器准备发送。在图形显示方式 下，图形计数器所选通的单元作为显示数据直接送入图形数据锁存器 准备发送。当同时启用文本方式和图形方式时，字符计数器和图形计 数器将交叉寻址。显示数据在显示选择器的输入上达到同步。 在c p u 要访问显示缓冲区时，启用了地址计数器。在向显示缓冲 区写数据时，控制电路将c p u 写入数据栈的数据通过显示缓冲区的数 据缓冲器送入地址计数器选通的单元。在c p u 从显示缓冲区读取数据 时，在m p u 写入读指令代码后，t 6 9 6 3 c 控制电路将地址计数器所选 通的单元的数据送入数据栈内等待c p u 从数据口读出。 t 6 9 6 3 c 显示数据的寻址和c p u 访问显示缓冲区的时序是不能同 时进行的，需要分时操作。所以，当c p u 对液晶显示器进行操作时， 首先必须读取状态字以判断是否能够进行操作。 在液晶显示器的显示缓冲区中，存在两个不同性质的使用区域： 文本显示区和图形显示区。这两个区域的划分是通过对各区域的起始 地址s a d 和一行显示所占用显示区单元数a p 的设置来实现。s a d 对 应着各区域左上角的位置的字符位或字节位。修改该地址可以产生屏 幕卷动的效果。a p 对应着显示器最大的有效显示窗口宽度。 在文本显示区域内，