船舶电网电能质量实时检测系统的设计

山东交通学院毕业设计 论文 1 前 言 随着船舶电力系统规模的不断增大 电力系统中的整流型 冲击性等非线性负荷 日益增多 这些非线性负荷的存在 往往导致船舶电网发生电压畸变 电压波动 电 压闪变和三相不平衡等电能质量问题 使得船舶电网供电质量降低 甚至恶化电网运 行状况 在我国电力工业蓬勃发展 电力负荷急剧增长的同时 非线性和冲击性负荷 也在不断地增长 这些负荷对供电系统电能质量造成了严重的污染 对于船舶电站而 言 特别是近几年来 电能质量不断下降 这样 如何提高船舶电网的电能质量 确 保船舶电力系统安全经济运行 成为了船舶工业关注的焦点之一 近些年 我国也开 发了一些电力测控装置和电能质量检测装置 但在功能上 实用化方面均未达到理想 效果 本文提出了一种基于 DSP 数字信号处理器 的船舶电网电能质量的实时检测系统 利用 DSP 芯片强大的计算功能进行电能质量参数波形失真的在线检测 实时显示参数 波形的失真程度 为船舶电网电能质量的测评和改善提供了准确的依据 DSP 采用数 字系统完成信号处理的任务 具有数字系统的一些共同优点 如抗干抗性强 便于大 规模集成等 与传统的模拟信号方法相比较 还有一些明显的优点 如精度高 灵活 性强 可以实现模拟系统很难达到的指标和特性 论文首先围绕电能质量这一主题 论述了电能质量的基本概念和船舶电网电能质 量问题及其产生的原因 回顾了国内外电能质量检测领域的现状 概述了现有检测装 置存在的问题 接着论述了衡量船舶电网电能质量的几个重要指标 介绍了 DSP 芯片 的特点和发展情况以及它的性能指标和选择标准 然后详细介绍了该检测系统的数据 采集和模数转换设计 DSP 处理单元设计 数模转换设计等 最后介绍了该系统基于 DSP 的软件设计方法 对可能产生的误差进行了分析 电能质量测量技术是电测量领域的拓展 近年来 依托电力电子技术发展起来的 供电系统的各种负荷 诸如变流装置 炼钢电弧炉和电力机车等 一方面对工农业生 产自动化水平 效率的提高推动巨大 另一方面 由于它们非线形 冲击性及不平衡 的用电特性 也造成供电网的电压波形发生畸变 引起电压波动和闪变以及二相不平 衡 甚至导致系统频率出现波动 供电质量降低 影响电力网和电工 通讯及电力电 子设备的安全与经济运行 而对电能质量的监督有赖于准确可靠的测量仪器和科学合 理的测量方法 在对电能质量问题的研究的同时 也极大到促进了数据采集等多种测 量方法的发展 本装置采用 TI 公司的 TMS320LF2407A DSP 芯片作为系统的中央处理器 实现了 对电能质量参数的实时检测 另外 为了防止采样过程中的频谱混叠 在软件上采用 了数字滤波的方法 张耀东 船舶电网电能质量实时检测系统的设计 2 山东交通学院毕业设计 论文 3 1 绪论 1 1 船舶电网电能质量课题的背景和研究意义 电能既是一种经济使用 清洁方便且容易传输 控制和转换的能源形式 又是一 种由电力部门向电力用户 并由供 用双方共同保证质量的特殊产品 如今 电能作 为走进市场的商品 与其他商品一样 无疑也应该讲求质量 1 1 1 电能质量的定义 在现代电力系统中 电能质量这一技术名词涵盖着多种电磁干扰现象 迄今为止 关 于电能质量的定义概括起来要有以下三种 定义 1 合格电能质量是指 提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统均适合于该 设备工作 定义 2 造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题 其表现为电压 电流或频率的偏差 定义 3 电能质量就是电压质量 合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦波 形电压与连续供电 我们应当看到 电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的 所以用户的 衡量标准占有优先的位置 因此电能质量可以定义为 导致用电设备故障或不能正常 工作的电压 电流或频率的偏差 其内容包括频率偏差 电压偏差 电压波动与闪变 三相不平衡 暂时或瞬态过电压 波形畸变 电压暂降与短时间中断以及供电连续性 1 1 2 船舶电网的电能质量问题 在我国电力工业蓬勃发展 电力负荷急剧增长的同时 非线性和冲击性负荷也在 不断地增长 这些负荷对供电系统电能质量造成了严重的污染 对于船舶电站而言 特别是近几年来 电能质量不断下降 例如 在动态条件下 电压平均值的偏差可达 20 或更多 频率的偏差可达 10 船舶电网的电能质量问题越来越严重 具体原因 如下 1 为了提高船舶自动化水平和节约能源 大量控制设备和电子装置投入到使用 如对 冷却水温的控制有阀门的档板调节改为对冷却水泵电机的调速 以及越来越多地应用 轴带发电机 而这些装置对电能质量常常产生不利影响 2 船舶电力系统中用电负荷结构发生了较大的变化 负荷的种类和容量有显著增长 值得一提的是 近年来船舶电力推进方式已越来越成为船舶技术的发展方向 目前 交流电力推进通常使用同步电动机 其变频器有交 交变频器 交 直 交变频器和 PWM 变频器 这些都需要应用 GTO IGBT 等大功率电力电子器件 也都将产生大量的谐 波 3 一些大负载的功率占船舶电网总容量的百分比较高 所以这些大负载的合闸 将使 张耀东 船舶电网电能质量实时检测系统的设计 4 多台发电机并联运行 而发电机在并联运行时的次瞬态电抗对谐波的影向较大 例如 当次瞬态电抗为 10 时 12 脉波的总谐波畸变为 11 4 由于船舶设备的容量选择比较保守 正常运行时功率因数偏低 5 另外 由于船舶电网是一个独立的小容量电网 而冲击性 波动性负载较多 在运 行中不仅产生大量谐波 而且使得电网的波动 闪变 三相不平衡日趋严重 当然 还有另外一些原因起到了推波助澜的作用 如负荷性质各异且随机变化 系统参数的 非线性与不对称 加之调控手段的不完善及各种故障 均对电网产生不利影响 正因 为船舶电力系统与船舶的各个系统均有牵连 它是船舶系统中一个极为重要的组成部 分 直接影响着船舶运行的安全性与经济性 故船舶电网的电能质量问题是值得关注 的 1 2 国内外的发展现状 计算机和微电子技术的发展进一步促进了电能质量问题的研究及其监测装置的研 制 电测量理论及仪表技术的发展历经了早期 初期 中期和近期四个阶段 早期和 中期的电测量技术主要是以模拟量测量为主 20 世纪 50 年代 数字电子技术和微电子 技术的引入 促进了电测量及其仪表技术的发展 模拟式电测仪表逐渐在越来越多的 场合被数字式仪表所代替 1974 年出现的电压 电流波形等间隔采样技术 使数字电 子技术在测量领域中作用日益增大 成为电测与仪表技术步入中期发展阶段的重要标 志 在这一阶段 以微型计算机 独立操作系统 各种标准总线式结构为特征 可相 互通讯 可扩展式仪器和自动测试系统以及相应的测量技术得到了蓬勃发展 并逐渐 走向成熟 20 世纪 80 年代中期以来 电测与仪表技术进入了迅猛发展的近期阶段 大 规模集成电路技术的发展使得芯片体积缩小到可以置入传统仪器内部 使仪器具有控 制 存储 运算 逻辑判断及自动操作等智能化特点 并在测量准确度 灵敏度 可 靠性 自动化程度及解决测量问题的广度和深度等方面均有了明显的进步 电能质量测量技术是电测量领域的拓展 近年来 依托电力电子技术发展起来的 供电系统的各种负荷 诸如变流装置 炼钢电弧炉和电力机车等 一方面对工农业生 产自动化水平 效率的提高推动巨大 另一方面 由于它们非线形 冲击性及不平衡 的用电特性 也造成供电网的电压波形发生畸变 引起电压波动和闪变以及二相不平 衡 甚至导致系统频率出现波动 供电质量降低 影响电力网和电工 通讯及电力电 子设备的安全与经济运行 而对电能质量的监督有赖于准确可靠的测量仪器和科学合 理的测量方法 在对电能质量问题的研究的同时 也极大到促进了数据采集等多种测 量方法的发展 电能质量测量技术己成为电测与仪表技术领域的一个不可缺少的重要 分支 随着对电能质量问题的研究与重视 国内外也出现了相应的测量仪表 如美国福 禄克公司生产的 Fluke 43 型手持式供电质量分析仪 可以提供电力系统维修 供电故 障排除及设备故障诊断所需的测量值 功能先进 我国对电能质量监测装置的研制尚 山东交通学院毕业设计 论文 5 处于起步阶段 国内生产厂家的前沿测控装置大多是采用单片微机来实现的 其主要 优点是构成简单 实现方便 价格也比较低廉 电能质量的含义和内容非常广泛 对不同电能质量问题的监测方式和要求也不尽 不同 迄今为止 国内外对电能质量的监测方式可概括为连续监测 定期或不定期检 测和专门测量三种方式 1 连续监测 连续监测也称为在线监测或日常监测 按电能质量标准的规定和要求 需要进行 连续监测的内容有电压偏差和频率偏差 以及大型干扰源 危害较大或容易引发事故 的有关电能质量指标 如大型电弧炉引起的电压波动 大型电容器组的谐波电流 易 受干扰的大型设备或线路的谐波电流 以及重要用户的电能质量指标 连续监测对使 用的监测设备有一定要求 特别是电网中监测点较多 监测信息需要远传时 则需要 建立一个监测网络系统 2 定期或不定期检测 对于普通干扰源的监测 根据干扰的大小 危害程度 以及需要等 选择采取定 期或不定期检测方式 定期检测多用于电网电能质量的定期普查 定期普查是每隔一 定时间 如 2 3 年 对全网进行普查测试 全面了解和掌握全网的电能质量水平或干扰 源的特性 定期普查的检测点和检测指标由普查需要确定 但应包括连续监测的内容 对于一些特殊情况根据电能质量监督管理的需要 也可采取不定期检测方式 定期或 不定期检测一般采用专门仪器 设备到现场进行测试 测试之后根据测试结果提出测 量和分析报告 3 专门测量 专门测量是指对各种干扰负荷或补偿设备 如电弧炉 换流设备 电容器组 滤 波器等接入电网前后 比较这些设备投入前后对电网电能质量水平及影响进行的测量 以决定其能否正式投入运行 对于可能产生各种干扰的设备 如果投入电网之后产生 的干扰超过标准 则不允许该设备投入运行 就名词含义和意义而言 监测和检测是两个不同的概念 监测是一个连续时间的 概念 在监测时间段内往往持续不断地执行某个例行的任务 而检测则是一个时间的 概念 它大多是为了完成某一具体的任务而执行一次操作 虽然有些检测也需要持续 一段时间 但这只不过是一个过程中的不同阶段而己 另外 监测往往是对全程的跟 踪监视 在监测伊始 往往不能具体预测监测结果 而检测则带有明确的目的 所有 的操作都紧紧围绕着检测的目的而进行着 电能质量检测在改善电能质量的过程中起着关键的作用 因为为了改善电能质量 问题就必须首先将电能质量中存在的问题认识清楚 如为了减轻或消除谐波对系统造 成的不利影响就必须先检测出谐波分量的大小 并以此作为控制变量来削弱谐波造成 的不利影响 张耀东 船舶电网电能质量实时检测系统的设计 6 1 3 当前电能质量检测装置存在的问题 近些年 我国也开发了一些电力测控装置和电能质量检测装置 但在功能上 实 用化方面均未达到理想效果 还存在一些问题 处理功能较差 可扩展存储空间较小 运算速度较慢 难以运用精确严格的算法进 行大量的实时数据处理 不满足电力检测高实时性的要求 电力系统中最常用微处理器包括 51 系列等控制型器件 但随着电力系统对实时性 数据量和计算要求的不断提高 这些器件在计算能力方面已不能很好地适应电力系统 的要求 致使电力系统的高精度测量 实时监控和先进算法的运用受到了限制 有的产品虽然直接引进了国外的技术模块 功能较强 可是价格较高 且不完全适 合我国市场 有的产品无通讯和控制输出功能 不满足电力系统网络化 自动化的发展方向 人机交互性不好 在过去的几十年里 单片机的广泛使用实现了简单的智能控制功能 但是随着计算机 科学与技术 信号处理理论与方法的迅速发展 需要处理的数据量越来越大 对电测 仪表的实时性和精度的要求也越来越高 而电能质量检测装置不同于一般的电力基本 参数测量仪器 要进行电能质量指标的计算 分析 并且要运用复杂的数学算法 如果采用比较先进的单片机 Intel 80C196KC 进行基本的 32 点 FFT 运算 在 12M 主 频下采用快速算法仍然需要 0 25 秒左右 如采用更加先进复杂的算法则需要的时间更 长 显然 传统的单片机技术已不能满足电力系统实时监控的需要 1 4 本论文的任务 数字信号处理采用数字系统完成信号处理的任务 具有数字系统的一些共同优点 如抗干抗性强 便于大规模集成等 与传统的模拟信号方法相比较 还有一些明显的 优点 如精度高 灵活性强 可以实现模拟系统很难达到的指标和特性 本文在研究 船舶电力系统电能质量指标和测量方法的基础上 研制出一种基于数字信号处理器 DSP 的电能质量检测系统 主要工作包括 1 回顾了电能质量的概念以及发展的概况 指出了现有的船舶电力系统存在的电能质 量问题 介绍国内外电能质量的检测方法以及现有电能质量检测装置存在的问题 2 讨论了衡量船舶电网的电能质量指标 3 简单介绍了 DSP 的发展和特点 以及 DSP 的性能指标和选择标准 设计基于 DSP 技术的电能质量检测系统的软硬件结构 4 对于基于 DSP 技术的检测系统进行了误差分析 5 结论与展望 山东交通学院毕业设计 论文 7 2 船舶电网的电能质量分析 根据国家技术监督局先后颁布的六个有关电能质量国家标准 我们得知 衡量电 能质量的主要指标是 电压偏差 谐波畸变率 三相不平衡度 电压波动与闪变以及 暂时过电压和瞬时过电压 通常提及的电能质量指标总是指电压质量 但这显然是不够的 还应该同喇采用 其它指标 如有功功率和无功功率方面的指标 因此 船舯电网的电能质量指标常为 主配电板汇流排的电压特性 电压偏差 电压波形畸变率 不平衡电压 电网频率偏 差和并联运行发电机组的有功功率和无功功率的畸变特性 判断电能质量的最好方法 即为分析其各项质量指标 2 1 电压偏差 电压偏差是衡量电压质量的重要指标 它的计算公式比较简单 表示如公式 2 1 1 2 U 100 n n UU U 2 1 1 35KV 及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的 10 2 10KV 及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的 7 3 220V 单相供电电压允许偏差为额定电压的 7 10 对电压质量的评价需要许多静态和动态的电压参数值 这些参数值涉及电压波形 特性 电压对称性 频率 电压均方根值等 这些参数可用于确定电压受干扰情况 从测量的角度来看 电压均方根值和频率都是易于测量的 相形之下 波形畸变的测 量会复杂一些 在静态条件下 电压波形的畸变可由其谐波 有时还包含间谐波 来描述 通常可 被检测到 40 次谐波至 50 次谐波 但在大多数情况下 这样高次的谐波在实际电力系 统中影响很小 通常检测 2 至 20 次谐波已经足够忆另外 我们并没有必要具体地将每 一次谐波均表达出来 而应是分析各次谐波产生的共同影响 最典型的就是求 THD 谐波总畸变因子 的值 其定义如公式 2 2 张耀东 船舶电网电能质量实时检测系统的设计 8 22 1 2 1 100 rms ss THD s 2 2 其中 s1为基波的均方根值 求 THD 值无需测出每次谐波的值 如果 THD 较大或波动较明显 则要对谐波进 行总的谐波频谱分析 可以通过简单的傅氏变换进行在线分析 而无需采用仪表测量 窗口或同步采样频率 而且可以采用离线形式 因谐波在频谱中是下降趋势 故对于谐波的各种规定 如船级社的规定 超过一 定次数的高次谐波在分析时忽略不计 以一条实船 滚装船 为例 THD 相对较小 为 1 78 而 25 次谐波的幅值达基波的 1 68 解决这个问题的方法在检测阶段考虑 补充因素 用 DBF 表述 其定义如公式 2 3 2 3 12 12 100 rms ff ff rms U DBF U 其中 Urms f1 f2 为在 f1至 f2频段中电压的均方根值 求 DBF 值的最好的办法是采用数字小波变换法 此外 如果将数字小波变换用 于瞬态分析 则测量装置无需附加运算功能便可对 DBF 进行有效计算 总之 只有在 DBF 值较高时才有必要对相应频带的谐波幅值进行测量 而且大多数情况下离线测量 即可 但是当 DBF 值较低而 THD 值较高时 则应仔细分析低次谐波 仍以上述的滚装船为例 对于频率 f1 812 5Hz 和 f2 1625Hz 用 DBFf1 f2的值为 1 7 通过这个值对频带进行分析是困难的 还有一个类似的参数为频带总谐波畸变 THBD 另一个问题是在瞬态情况下 常用峰 峰值和脉冲持续宽度 有时还有其能量来 描述 瞬态时其能量常如公式 2 4 所描述 2 2 1 t tt t Eu t dt 2 4 其中 Ut t 为瞬时电压值 t1为瞬态起始时间 t2为瞬态结束时间 上述对能 量的定义可以被认为是消耗在 1 欧姆电阻上的被分析的信号的能量 2 2 电压波动 电压波动 Ut 用式 2 5 表示 2 5 maxmin 100 t n UU U U 式中 Umax Umin 工频电压调幅波的相邻两个极值电压 山东交通学院毕业设计 论文 9 为了使电压波动与电压偏差相区别 规定电压变化率大于每秒 0 2 时为电压波动 否则视为电压偏差 2 3 电网频率偏差 电力系统的标称频率为 50Hz 频率的偏差可由公式 2 6 表示 3 2 6 100 n n ff f f 式中 f 频率偏差 f 实际频率额定 fn 额定频率 2 4 三相不平衡度 三相不平衡度的度量用式 2 7 表示 2 7 2 1 100 U U 式中 U2 三相电压用对称分量分解后的负序分量的幅值 U1 三相电压用对称分量分解后的正序分量的幅值 电能质量三相电压允许不平衡度 GB T15543 1995 中规定 电力系统公共连 接点正常电压不平衡度允许值为 2 短时不得超过 4 2 5 谐波畸变率 由于电力系统中非线性负荷的增加 给系统带来了大量的谐波污染 影响了电网 的安全运行和用户对电能质量的要求 在谐波测量上多数采用数学方法对电压电流信 号进行谐波分析 对于稳态谐波的测量 快速傅里叶变换 FFT 是分析谐波的最好方 法 利用 FFT 可以直接得到波形所含的各频谱分量 张耀东 船舶电网电能质量实时检测系统的设计 10 3 基于 DSP 实时检测系统的硬件设计 3 1 数字信号处理器 DSP 的选择 数字信号处理 Digital Signal Processing 是一门以众多学科为理论基础而又广 泛应用于许多领域的新兴学科 数字信号处理器 Digital Signal Processor 是微电 子学 数字信号处理 计算机技术这三门学科综合研究的成果 两者的简称都是 DSP 8 9 3 1 1 数字信号处理器 DSP 的发展和特点 自然界中的模拟信号 如声音 图象 通过采样成为 组用数字表示的序列即数 字信号 数字信号处理就是对这样的数字信号进行分析 处理 它侧重于理论分析 算法确定及软件实现 如快速傅立叶变换 FFF 卷积 数字滤波等 要实现这些算法 特别是要实现实时地完成某种算法 就需要有特殊的硬件支持 这种硬件支持的最佳 方案之一就是数字信号处理器 随着人们对实时信号处理要求的不断提高和大规模集 成电路技术的迅速发展以及数字信号处理器性能的提高和价格的下降 数字信号处理 技术 简称 DSP 技术 得到广泛的普及和应用 10 11 12 3 1 2 DSP 芯片的类别和使用选择 数字信号处理器的采用是为了达到实时信号的高速处理 为适应各种各样的实际 应用 产生了多种类型 档次的 DSP 芯片 在 DSP 市场上 从廉价型到超高性能型各 类品种都有 世界上生产和开发 DSP 芯片的公司也很多 著名的有美国德州仪器 Texas Instruments 简称 TI 公司 美国模拟器件 Analog Devices 简称 AD 公司 MOTOROLA AT T Intel NEC Fujitsu National 等 在我国推广和应用较多的有 TI 公司 AD 公司和 MOTOROLA 公司的 DSP 芯片 1 芯片的类别 从 DSP 芯片的数据结构分 DSP 芯片分为定点和浮点两种类型 数据以定点格式工作的 山东交通学院毕业设计 论文 11 DSP 芯片称为定点 DSP 芯片 数据以浮点格式工作的芯片称为浮点 DSP 芯片 从使用的 广泛性可以把 DSP 分为通用 DSP 和专用 DSP 芯片两种 专业型 DSP 芯片一般用以完成 特定的运算功能 并且已经将控制算法固化在芯片内 通用性比较差 通用型 DSP 芯 片是内部资源对用户开放的系统 用户可以根据不同的需要进行编程 可以实现各种 数字信号的处理算法 从性能上可以按精度 动态范围和处理速度将通用作进一步的 划分 另外 各个厂家还根据 DSP 芯片的 CPU 结构和性能将产品分成若干系列 2 使用选择 在设计 DSP 系统时 如何根据系统要求选择合适的 DSP 芯片 是决定系统性能的一个 重要环节 由于 DSP 芯片的发展速度很快 并且种类很多 用户在选用芯片 要考虑 以下几种因素 1 性能 描述 DSP 性能的最重要的技术指标是运算速度 在快速的实时处理系统中 要选择运算速度快的 DSP 芯片 例如定点运算的 DSP 芯片特点是运算速度快 功耗低 价格便宜 体积小 但运算精度不高 般是 16 位 片内也只有 32 位 所以用得最多 而浮点运算的 DSP 芯片特点是运算速度慢 功耗大 成本较高 体积稍大 但运算精 度高 一般是 32 位 片内一般可达 40 位 适合丁对数据动态范围和精度要求高的特 殊应用 2 片内硬件资源 不同的 DSP 芯片所具有的片内硬件资源是不相同的 即使是同一公 司的同一系列的 DSP 芯片 也具有不同的片内硬件资源 片内硬件资源包括片内 RAM ROM 的数量 I O 接口的种类和个数 总线驱动能力 外部可扩展的程序和数据 空间等 选用片内硬件资源丰富的 DSP 芯片 其系统设计更为简单 可靠 且体积小 抗干扰能力强 3 价格 TI 公司的价格规律是刚上市的 DSP 芯片价格一般较高 上市一至两年后 芯 片价格会大幅度下降 将要淘汰的芯片 公司不推广的 价格略高 量越大 价格越便 宜 厂家主推的产品 价格较便宜 因此 选择 DSP 除了考虑运算速度以外 还要对其总线结构 数据的传输能力 运算 精度 存储器容量 可编程能力 功耗 价格等因素进行选择 同时还要有功能完善 的开发工具 软 硬件仿真 支持 这样力 能使所选的芯片不仅满足数字信号处理系 统设计的要求 而且使用方便 性能价格比高 3 1 3 TI 公司 TMS320LF2407 DSP 介绍及选择原因 前面已经提过 数字信号处理器 DSP 是当前发展非常迅速的一类电子器件 其功 能强大 应用相当广泛 在世界上几个生产 DSP 芯片的大公司中 TI TexasInstruments 公司的 TMS 系列 DSP 芯片的市场占有率最高 目前 国内应用 的 DSP 主要以 TI 公司的 TMs320 系列为主 C2000 系列 DSP 是 TI 公司 TMS320 DSP 的三 大系列之一 它既具有一般 DSP 芯片的高速运算和信号处理能力 又和单片机一样在 片内集成了丰富的外设 所以特别适用于数字控制系统 TMS320C2000 系列包括 张耀东 船舶电网电能质量实时检测系统的设计 12 TMS320C20 x TMS320C24x 和 TMS320C28x 三类 TMS320C24x 系列 DSP 芯片针对数字控制系统应用作了优化设计 芯片内部具有多达 16 路的 10 位数模转换功能 具有多个通用定时器和一个监视 Watchdog 定时器 具有多 达 16 个通道的 PWM Pulse Width Modulation 通道 最多具有 41 个通道输入输出引脚 表 3 1 列出了 TMS320C24x 系列芯片的资源配置 图 3 1 是该系列芯片中 TMS320LF2407A DSP 的方框图 表 3 1TMS320C24x 系列新品的资源配置 Tab 3 1 TMS320C24x series of allocation of resources TMS320 C24x MIPSRAM 字 ROM 字 Flash 字 I O 引脚 比较 PWM 通道 定时 器 同步 串行 口 异步 串行 口 A D 通道数 转换时间 us F24020544 16k289 123 11116ch 6 6 F2402054416k 289 123 11116ch 6 6 F24120544 8k265 82 118ch 0 85 C242205444k 265 82 1 18ch 0 85 F24320544 8k325 82 1118ch 0 85 LF240730 402 5k 32k4110 164 11116ch 0 5 LF240630 402 5k 32k4110 164 11116ch 0 5 LF240230 40544 8k215 82 1 18ch 0 5 LC240630 402 5k32k 4110 164 11116ch 0 5 LC240430 401 5k16k 4110 164 11116ch 0 5 LC240230 405444k 215 82 1 18ch 0 5 TMS320LF2407ADSP 组成包括 40MHz 40M1PS 的低电压 3 3VCPU 片内存储器 事件 管理器模块 片内集成外围设备 TMS320LF2407A 的 CPU 是基于 TMS320C2XX 的 16 位定 点低功耗内核 体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行 可在一个处理周期内 完成乘法 加法和移位运算 其中央算术逻辑单元 CALU 是一个独立的算术单元 它 包括一个 32 位算术逻辑单元 ALU 一个 32 位累加器 一个 16x16 位乘法器 MUL 和 一个 16 位桶形移位器 同时乘法器和累加器内部各包含一个输出移位器 完全独立于 CALU 的辅助寄存器单元 ARAU 包含八个 16 位辅助寄存器 其主要功能是在 CALU 操作 山东交通学院毕业设计 论文 13 的同时执行八个辅助寄存器 AR7 至 AR0 上的算术运算 两个状态寄存器 ST0 和 STl 用 于实现 CPU 各种状态的保存 TMS320LF2407A 采用增强的哈佛结构 芯片内部具有六条 16 位总线 即程序地址总线 PAB 数据读地址总线 DRAB 数据写地址总线 DWAB 程序读总线 PRDB 数据读总线 DRDB 数据写总线 DwEB 其程序存储器总线和数 据存储器总线相互独立 支持并行的程序和操作数寻址 因此 CPU 的读 写可在同一周 期内进行 这种高速运算能力使自适应控制 卡尔曼滤波 神经网络 遗传算法等复 杂控制算法得以实现 TMS320LF2407A 地址映象被组织为三个可独立选择的空间 程序存储器 64K 数 据存储器 64K 输入 输出 I O 空间 64K 这些空间提供了共 192K 字的地址范围 其片内存储器资源包括 544 字 16 位的双端口数据 程序 DARAM 2K 字 16 位的单 端口数据 程序 SARAM 片内 32K l6 位的 Flash 程序存储器 256 字 x16 位片上 Boot ROM 片上 Flash ROM 具有可编程加密特性 TMS320LF2407A 的指令集有三种基本的存 储器寻址方式 立即寻址方式 直接寻址方式 间接寻址方式 TMS320LF2407A 包含两 个专用于电机控制的事件管理器模块 EVA 和 EVB 每个事件管理器模块包括通用定时器 GP 令比较单元 正交编码脉冲电路以及捕获单元 通用定时器 TMS320LF2407A 共有四个 16 位通用定时器 可用于产生采样周期 作 为全比较单元产生 PWM 输出以及软件定时的时基 通用定时器有四种可选择的操作模 式 停止 保持模式 连续增计数模式 定向增 减计数模式和连续增 减计数模式 每个通用定时器都有一个相关的比较寄存器 TXCMPR 和一个 PWM 输出引脚 TXPWM 每个 通用定时器都可以独立地用于提供一个 PWM 输出通道 可产生非对称或对称 PWM 波形 因此 四个通用定时器最多可提供 4 路 PWM 输出 全比较单元 每个事件管理器模块有三个全比较单元 1 2 和 3 4 5 和 6 每个 比较单元各有一个 16 位比较寄存器 CMPRx 各有两个 CMP PWM 输出引脚 可产生 2 路 PWM 输出信号控制功率器件 其输出引脚极性由控制寄存器 ACTR 的控制位来决定 根据需要 选择高电平或低电平作为开通信号 通过设置 T1 为不同工作方式 可选择 输出对称 PWM 波形 非对称 PWM 波形或空间矢量 PWM 波形 死区控制单元 DBTCON 用 来产生可编程的软件死区 使得受每个全比较单元的两路 CMP PWM 输出控制的功率器 件的间次开启周期间没有重叠 最大可编程的软件死区时间达 16 us 正交编码脉冲电路 正交编码脉冲 QEP 电路可以对引脚 CAPl QEPl 和 CAP2 QEP2 上的正交编码脉冲进行解码和计数 可以直接处理光电编码盘的 2 路正交编码脉冲 正交编码脉冲包含两个脉冲序列 有变化的频率和四分之一周期 90 的固定相位偏移 对输入的 2 路正交信号进行鉴相和 4 倍频 通过检测 2 路信号的相位关系可以判断电 机的正 反转 并据此对信号进行加 减计数 从而得到当前的计数值和计数方向 即电机的角位移和转向 电机的角速度可以通过脉冲的频率测出 捕获单元 捕获单元用于捕获输入引脚上信号的跳变 两个事件管理器模块总共有 张耀东 船舶电网电能质量实时检测系统的设计 14 六个捕获单元 EVA 模块有三个捕获单元引脚 CAPl CAP2 和 CAP3 它们可以选择通用 定时器 1 或 2 作为时基 但 CAPl 和 CAP2 一定要选择相同的定时器作为时基 EVB 模块 也有三个捕获单元引脚 CAP4 CAP5 和 CAP6 它们可以选择通用定时器 3 或 4 作为时基 但 CAP4 和 CAP5 一定要选择相同的定时器作为时基 每个单元各有一个两级的 FIFO 缓 冲堆栈 当捕获发生时 相应的中断标志被置位 并向 CPU 发中断请求 TMS320LF2407A 片内集成了丰富的外设 大大减少了系统设计的元器件数量 串行通讯口 TMS320LF2407A 设有一个异步串行外设通讯口 SCI 和一个同步串行外 设通讯口 SPI 用于与 I 位机 外设及多处理器之间的通讯 SCI 即通用异步收发 器 UART 支持 RS 232 和 RS 485 的工业标准仝双工通信模式 用来与卜位机的通讯 SPI 可用于同步数据通讯 典型应用包括 TMS320LF2407A 之间构成多机系统和外部 I O 扩展 如显示驱动 A D 转换模块 包括两个带采样 保持的各 8 路 10 位 A D 转换器 具有自动排序 能力 一次可执行最多 16 个通道的自动转换 可工作在 8 个自动转换的双排序器工作 方式或一组 16 个自动转换通道的单排序器工作方式 A D 转换模块的启动可以有事件 管理器模块中的事件源启动 外部信号启动 软件立即启动等三种方式 控制器区域网 CAN 是现场总线的一种 主要用于各种设备的检测及控制 TMS320LF2407A 片上 CAN 控制器模块是一个 16 位的外设模块 该模块完全支持 CAN2 0B 协议 6 个邮箱 其中 0 1 用于接收 4 5 用于发送 2 3 可配置为接收或 发送 每次可以传送 O 8 个字节的数据 具有可编程的局部接收屏蔽 位传输速率 中断方案和总线唤醒事件 超强的错误诊断 自动错误重发和远程请求回应 支持自 测试模式等功能 CAN 总线通讯可靠性高 节点数有 110 个 传输速度高达 1Mb s 此 时距离最长为 40m 直接通讯距离可达 10km 速率 5kb s 以下 采用双绞线差动方 式进行通讯 有很强的抗干扰能力 锁相环电路 PLL 和等待状态发生器 前者用于实现时钟选项 后者可通过软件编程 产生用于用户需要的等待周期 以配合外围低速器件的使用 看门狗定时器与实时中断定时器 均为 8 位增量计数器 前者用于监控系统软件和 硬件工作 在 CPU 出错时产生复位信号 后者用于产生周期性的中断请求 外部存储器接口 可扩展为 192K 字 x16 位的最大可寻址存储器空间 64K 字程序存储 器 64K 字数据存储器 64K 字 I O 空间 数字 I O TMS320LF2407A 有 40 个通用 双向的数字 I O 引脚 其中大多数都是 基本功能和一般 I O 复用引脚 JTAG 接口 由于 TMS320LF2407A 结构复杂 工作速度快 外部引脚多 封装面积小 引脚排列密集等原因 传统的并行仿真方式己不适合于 TMS320LF2407A 的开发应用 TMS320LF2407A 具有符合 IEEEll49 1 规范的 5 线 JTAG 边界扫描逻辑 串行仿真接口 能够极其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试 山东交通学院毕业设计 论文 15 外部中断 有五个外部中断 功率驱动保护 复位 不可屏蔽中断 NMI 及两 个可屏蔽中断 3 2 硬件的总体设计 在电能质量检测系统中 为了有效地了解船舶电力系统电能质量参数的实际情况 使其具有较强的测量功能 准确度高 速度快和高抗干扰性 同时尽可能降低成本 必须及时测量船舶电力系统电能质量参数和采用 物美价廉 的器件 同步采样由于能够反映交流信号的变化本质 并保持采样信号与被测信号严格同步 因此在电能质量参数测量系统中被广泛使用 同步采样中最关键的是如何保证采样频 率与信号频率严格同步 这是本文硬件设计的重点之一 同时 由于本测量单元需要 处理大量数据 用一般串口进行数据传输己经不能满足电力系统信号实时分析的要求 为此设计以下硬件电路来满足同步采样和快速传输采样数据 硬件组成框图如图 3 1 所示 硬件设计的组成模块包括模拟量输入模块 数据采集模块 DSP 数据处理模块以 及模拟量输出模块等 其详细原理图及 PCB 图见附录 A 所示 模拟信号 输入 模拟抗低 通滤 前端信 号调理 A D转换器 DSP数据处理模 块 模拟输出模块同步锁相模块 模拟量输入模块数据采集模块 图 3 1 系统硬件组成框图 Fig 3 1 The system hardware composition block diagram 3 3 模拟量输入模块 3 3 1 模拟信号输入电路 模拟量输入电路包括电压互感器 PT 电流互感器 CT 电压变换器和电流变换 器几部分组成 PT 将一次侧的 380V 电压转变为二次侧的 100V 低压 再经电压变换器 输出 5V 5V 的交流信号 运用 CT 将一次侧大电流转变为 5A 额定电流 然后经电流 变换器 并在其二次侧并联电阻 将得到 5V 5V 的交流电压信号 电压和电流变换 器同时起将强电与微机的弱电系统隔离和抗干扰作用 3 3 2 模拟抗混叠低通滤波电路 系统处在一个强大的干扰源一电网中 另外由于前面的模拟量输入电路中的互感 器 变换器的影响 使得信号在进入数据采集模块之前 所采样的信号混有各种频谱 的信号 而这些信号很多是我们不需要的 在实际应用中 必须满足奈奎斯特采样定 张耀东 船舶电网电能质量实时检测系统的设计 16 理的要求 防止频谱混叠的发生 我们采用传统的方法 用模拟滤波器滤除高于采样 频率 fs一半的高频 但是由于模拟滤波器的物理特性 往往难以保证低通频带的较好 的特性 这里采用模拟低通滤波与数字滤波相结合的方法提高抗混叠效果 减少单纯 模拟滤波器的非平直通带特性带来的测量误差 假定所需测量的信号频率范围为 0 fp 模拟低通滤波器只需滤除 fx fp以上的频率成分 并保证 0 fp 范围内的特 性品质 而对于 fp fs 2 范围内的信号频率成分则可以采样后用数字滤波的方法来滤 除 为了使滤波特性更接近于理想情况 模拟抗混叠低通滤波器采用两极 RC 式结构 如图 3 2 所示 4 5 图 3 2 模拟抗混叠低通滤波器 Fig 3 2 Simulation of anti aliasing low pass filter 3 4 数据采集模块 采集的信号由此单元进入仪器 在此基础上仪器进行数据处理 因此 仪器的测 量精度也与该单元的质量密切相关 所以 要根据仪器的技术要求合理选择通道的结 构 恰当地选用芯片 并把它与主机电路正确连接起来 它包括前端信号调理电路 A D 转换电路和同步锁相电路等 在周期性的电力参数测量中 进行同步采样是准确 测量实时信号的关键 而对于数据采集模块来说 A D 转换器是模数转换电路的核心 器件 模数转换电路的测量精度也主要取决于 A D 转换器的分辨率 它在整个测量系 统中占有举足轻重的作用 在不同的应用场合对 A D 转换器的要求不同 器件选型时 应考虑以下几条原则 1 A D 转换的位数满足测量精度要求 2 A D 转换速率满足测量精度要求 山东交通学院毕业设计 论文 17 3 系统实现的性能价格比 A D 转换器的位数与整个测量控制系统所要测量控制的范围和精度有关 A D 转换器的 位数至少要达到测量精度要求的最高分辨率 实际选取 A D 转换器的位数还要与其它 环节所能达到的精度相适应 A D 转换的 分辨率 可以用 A D 转换器的位数表示 也 可以用 量化单位 表示 量化单位 是指输出数字量最低位变化一位所对应的输入 模拟信号的变化范围 记为 1LSB 设 n 位 ADC 器件的模拟输入范围为 VFS 则有 1LSB VFS 2n 因为实际的 A D 转换器一般是按四舍五入原理进行的 故其 量化 误差 实际最大达到其量化单位的一半 经过计算选择 12 位 A D 转换器可以满足设计 指标的 0 05 范围内的误差要求 通常 A D 转换器的位数至少要比总精度要求的最 低分辨率高一位 本仪器在测试中的最小精度等级要求为 0 05 级 0 05 考虑到整 个系统的设计 我们初步决定选用 14 位 A D 芯片 由于 DSP 芯片中自带的 A D 转换器 不能满足设计的要求 因此在本系统中采用的是 Maxim 公司推出的 14 位 A D 芯片 MAXl25 3 4 1 前端信号调理电路 在 A D 转换之前 先要对输入信号进行适当的信号调理 使得调理后的信号满足 A D 转换器的输入要求 MAXl25 模拟输入通道的输入电压范围为 5V 5V 在图 3 3 所示的电路中使用了 2 个运算放大器 A1用作跟随器 用来缓冲 MAXl25 输出的 2 5V 基准电压源 A2和 4 个电阻构成了信号条理网络 适当配置 R1 R4 电阻可以实现对输 入信号 Vi的缩放和平移 以适合 MAXl25 模拟通道的要求 6 7 图 3 3 前端信号调理电路 张耀东 船舶电网电能质量实时检测系统的设计 18 Fig 3 3 Front end circuit for signal disposal 3 4 2 A D 转换电路 经过信号调理后的模拟信号就可以进入 A D 转换器的模拟通道 前面已经介绍过 A D 转换器的选择标准 这里就不再赘述 下面主要介绍 MAXl25 的主要特点和功能 MAXl25 是内部带同步采样保持器的高速多通道 14 位数据采集芯片 芯片内部包含 1 个 14 位 转换时间为跏 s 的逐次逼近型模拟数字转换器 1 个 2 5V 的内部参考电压 基准 1 个参考输入缓冲器 4 个同步采样 保持放大器 1 个可编程序列发生器 1 个内部的 16MHz 时钟和 4 个存放转换数据的 14 位 RAM 4 个连续的读信号可访问 4 个 转换数据 每路具有17V 的输入故障保护 避免外界对芯片冲击而造成损失 每个同步采样 保持放大器均与一个 2 选 1 电路相连 内部序列发生器被编程后 可实现 A B 两组 CHlA CH2A CH3A CH4A 或 CHlB CH2B CH3B CH4B 中的任何 1 组产生 1 路输入 2 路输出 3 路输入 4 路输入的同步采样方式 它采样连续逼近的 转换技术实现模 数转换 对于每一个指定的通道 模 数转换器最快能在 3us 内完成 转换 并将数据依次存于内部 RAM 中 在每个脉冲下 内部序列发生器将产生最少 1 个通道 最多 4 个通道的CONVST 转换顺序 在缺省模式下 CHlA 通道上的数据被转换 连续转换指定通道上的数据 在一个转换顺序里的最后一个通道转换结束后 端出现一个低电平 MAXl25 输入INT 指令 Ao A3 与数据输出 Do D13 在低 4 位通过三态门实现复用 与 UP 或 DSP 接口 容易 控制读 写操作 是标准的片选信号 能控制 MAXl25 作为地CSWRRDCS 址线的 I O 端口 当为高电平时 所有的 I O 呈现高阻 读 写操作无效 首先要CS 在引脚输入一个脉冲信号 此脉冲信号的带宽必须大于 30 ns 当引脚CONVST 处于上升沿时 表示启动采样 转换正在进行 随后引脚处于下降沿 CONVSTINT 表示此次转换结束 如果此时引脚同引脚均为低电平 14 位的转换结果就会输CSRD 出到数据总线 对于具有 16 位数据总线的 DSP 而言 可一次读出转换结果 MAXl25 的 转换时序图如图 3 4 所示 山东交通学院毕业设计 论文 19 CONVST INT CS RD WR 图 3 4 MAXl25 时序图 Fig 3 4 MAXl25 sequence diagram MAXl25 有 8 个转换方式 并通过对 A0 A3 地址线编程实现 上电时 薛片自动选择 CHlA 为转换通道 如果对 MAXl25 输入转换指令 应将拉低 对 A0 A3 根地址线CS 进行编程 然后再给一个低脉冲 编程指令在或的上升沿被锁存 这时模WRWRCS 数转换器做好了转换的准备 一旦转换程序执行 模 数转换器就在指定方式下连 续执行转换 直到重新编程或断电为止 选择了转换通道以后 给一个低脉CONVST 冲 就可进行一个转换顺序 在的上升沿 模拟信号被采样 在转换进行时CONVST 不能进行新的转换 随时检测输出 一旦输出下降沿就表明一个转换顺序结束 INT 在读周期 向面引脚提供连续脉冲 通过并行接口可连续访问片内 RAM 中的数据 接 收到信号后 可执行 4 个读操作来访问 4 个转换数据 低电平 转换结果从INTCS CH 1 开始 在每个的上升沿 内部地址指针指向下一个通道 如果只转换单个通RD 道 只需一个脉冲 地址指针重新指向 CH 1 3 4 3 A D 转换器与数据处理模块的接口设计 由于 MAXl25 的并行接口数据访问和总线释放的定时特性与绝大部分数字信号处 理器及 16 bit 32 bit 微处理器的特性兼容故 MAXl25 可以与这些处理器直接相连 而 不需等待状态 MAXl25 与数据处理模块 TMS320LF2407A 的接口电路如图 3 5 所示 张耀东 船舶电网电能质量实时检测系统的设计 20 图 3 5