基于单片机C8051F005的谐波分析仪设计.doc

基于单片机C8051F005的谐波分析仪设计湖北襄樊学院物理创新实验室 米小兵摘要 本文介绍了基于C8051F005谐波分析设计。谐波测量在电力系统中占有重要的地位和作用，及时、准确地掌握电网中谐波的实际状况对于电力系统的安全、运行具有重要的意义。由于谐波具有固有的非线性、随机性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，难以对谐波进行准确测量。本设计以C8051F005为CPU,由于此CPU运算速度快,利用数字信号处理技术进行谐波分析的实时性比较好，提高了快速离散傅立叶变换(FFT)的处理速度,实现了256点FFT单片处理. 根据电力系统谐波测量的基本要求，概述了电力系统谐波测量的硬件实现，并对应用于谐波测量的方法进行了分析和评述。实验表明,用C8051F005单片机实现FFT的算法,对电力系统谐波进行分析是一种可行的方案.关键词 C8051F005单片机 , 快速傅立叶变换, 谐波 , 电力系统；1 引 言随着电力电子技术的发展，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响。谐波被认为是电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子技术的发展。因此，对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐重视。谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形的分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准以及谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的测量方法等。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点。由于谐波具有固有的非线性、随机性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，难以对谐波进行准确测量，这里介绍对谐波测量方法之一。 随着现代工业的高速发展，电力系统中的非线性负荷日益增多，电力系统谐波污染问题受到了广泛的重视。及时、准确地掌握电网中谐波的实际状况对于电力系统的安全、经济运行具有重要的意义。1、电力系统谐波测量的基本要求（1）精度要求。为提高测量的精确，测量仪器需具备抗御噪声、杂波等非特征信号的能力。（2）速度要求。要求测量仪器具有较快的动态跟踪能力。（3）稳定性好。在电力系统的正常、异常运行情况下测量仪器都能测出谐波。2、电力系统谐波测量的主要方法 基于傅立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。使用此方法测量谐波，精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数(即频率、幅值和相位)不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求，因此必须对算法进行改进。2 谐波分析仪的结构框图系统的组成框图见图1，包括数据采集电路，键盘显示单元、C8051F005控制单元、控制单元。数据采集电路由交流衰减和信号调整电路组成。电力系统的动态信号被数据采集电路处理后，送到C8051F005处理器，实时有关的电力系统，如电压、谐波分量等参数测量，并监测电力系统正常与否。C8051F005控制单元除监测和测量外，还能根据参数测量结果和事先先设定的逻辑对控制单元的动作加以控制，并记录异常事件的数据，建立了数据库，数据库的内容包括事件的性质（如过压、谐波超标等）。谐波分析仪可通过人机交换接口（菜单、键盘）实现整个系统的参数和控制逻辑设置，对系统线路控制。C8051F005控 制 单元数据 采集 电路键盘显示单元图1系统框图3 谐波分析仪硬件3.1 C8051F005单片机的特点C8051FXX系列单片机是美国CYGNAL公司推出的一种与51系列单片机内核兼容的单片机。（1）内核采用流水线结构，速度可达25MIPS（25MHZ晶振），比普通的51单片机快10倍；其指令与标准系列51单片机兼容，因而掌握开发过程非常容易；该芯片的JTAG调试方式支持在系统、全速、非插入调试和编程，且不占用片内资源。（2）片上集成有32KB FLASH 、2304 B内部RAM、32个I口、 8通道12位100KSPS的可编程增益ADC、8通道10位100KSPS可编程增益ADC、路12位DAC、2路模拟比较器、内部电压基准和看门狗等功能。由于C8051F005的高集成度，因而无需外扩ROM、RAM、AD、DA、WATCHDOG、可编程I/O口和EEPROM（用片内FLASH实现），从而大大简化了硬件电路，并为构成以C8051F005为核心的单片机系统创造了条件，同时也提高了系统的可靠性。（）片内集成有个UART、1个SM（兼容I2C）和1个SPI，在工业控制设计时更方便，控制可靠性也增强了。（）可编程的16位计数器阵列PCA有5个捕捉比较模块和4个通用16位计数器定时器，这一为要求定时器计数器具有较多的测控节点提供了方便。（）C80581F005能满足绝大多数工业测控节点的要求，能够形成以C8051F005为核心的单片机系统，如果配以外围测量单元，还可形成完整的测控系统。3.2 数据采样电路对电力系统信号的测量，必须将其信号衰减，考虑到衰减应尽量减少频率失真，所以采用电流型精密互感器对信号动态跟踪和隔离。衰减后的动态跟踪信号（电流形式）串联一个1K的电组将其转换成电压形式，进入信号调整电路。调整电路主要由运放OP37组成的加法电路和RC滤波电路构成。OP37体积小、成本低、受干扰小、噪声低等优点，与RC滤波电路配和使用，保证了500HZ以下信号不失真通过，又避免了外界干扰，使噪声降到最低。调整后的模拟信号滤去了不必要的高次谐波（防止影响对谐波的测量），经过调整电路后转换为02V之间的电压信号，送入AD转换器。3.3 键盘和显示单元（人机交换接口）键盘设置4个按键，分别翻滚键、设置键、返回键和确定键，采用中断查询方式扫描键盘，与MGLS240128液晶显示器配合实现分层式菜单显示，用户可以方便地对系统的各项参数（如过电压、电流、频率等）查看和系统动作（如过压）进行设定。3.4 控制单元控制单元是通过C8051F005的I/O口、相关的逻辑和驱动电路控制继电器动作来实现的。由于固态继电器具有无火花、易驱动、体积小等突出优点。 所以控制端口多采样固态继电器连接。3.5电源交流电压正常时，各个分控单元的供电为用户正常供电被测交流电源通过本机电源总线提供，经AC/DC转换电路转换为系统所需的12V、5V、3.3V直流电压。如果不正常时则自动使用后备电池供电。4谐波分析原理 傅立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。使用此方法测量谐波，精度较高，使用方便。其缺点是计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数(即频率、幅值和相位)不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求，因此必须对算法进行改进。4.1 减少频谱泄漏的方法主要有3种： 1）利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正的方法。该方法可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰，从而可以精确测量到各次谐波电压和电流的幅值及相位。2）修正理想采样频率法。这种方法的主要思想是对每个采样点进行修正，得到理想采样频率下的采样值，修正公式如式(6)。该方法计算量不大，并不需要添加任何硬件，实时性比上一种方法好，适合在线测量，但只能减少50%的泄漏6。 3）利用数字式锁相器(DPLL)使信号频率和采样频率同步。数字式相位比较器把取自系统的电压信号的相位和频率与锁相环输出的同步反馈信号进行相位比较。当失步时，数字式相位比较器输出与二者相位差和频率差有关的电压，经滤波后控制并改变压控振荡器的频率，直到输入频率和反馈信号频率同步为止。一旦锁定，便将跟踪输入信号频率变化，保持二者的频率同步，输出的同步信号去控制对信号的采样。这种方法实时性较好。 4）每周期采样点数增多。我们用交流采样测量时，采样点数越多，很容易逼真地模拟出实际波形，且测量精度高。 4.2 傅氏算法傅氏算法假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，除基波外，还含有不衰减的直流分量和各次谐波。实际上是对离散的采样值进行计算。首先计算Un的实部Urn和虚部Uin值, 其中：N为一个周期T中的采样数，N愈大，精度愈高。当N12点数时，误差：Im ax/Im3.41在单片机上作实时计算时，对一个周期N个采样值同时加以运算。在运算时，对N个采样值都分别乘以不同的系数，然后求和。计算出Un的实部Urn和虚部Uin后，就可求得幅值Un和相位角为： 当n=0时，为直流分量，这时Urn=Uin, =0；当n=1时，为基波（50HZ）分量。 这样就可求得任意次谐波的振幅和相位。 4.3系统设计谐波分析的基本方法是对同步采样结果进行离散傅立叶交换分析。为了减少泄露泄露效应引入的误差。本系统采用修正理想采样频率法和增加采样点法，根据单片机主频及实际需要，该系统所处理的最高谐波次数为13次。当系统测量满足采样定理时，设FS为采样频率，FH为待采样信号的最高频率，当满足FS2FH时，就可以根据采样值准确复现波形，也可以准确计算出信号的各次谐波分量。5软件设计考虑到系统时效性和灵活性的需要，整个程序采用C语言完成。其中、控制单元子程序除对电力系统电压质量进行检测、记录和判断外，还作为整个系统的主程序，完成监控系统的动作逻辑、参数和线路控制等。5.1采样过程中的信号零点的确定 片内12位AD的基准电压采用了正电压。为保证采样信号的动态范围，采样信号的零点电压应位于参考电压UREF一半附近，但由于硬件电路很难保证交流电压为零时的AD输入为1/UREF，故设AD满量程的一半为零点时的信号采样结果是不准确的。为得到准确的零点电压采样值，可在设计硬件参数时，使AD输入电压大致为1/2UREF，时在系统初始化过程中对输入信号为零时的AD输入信号采样，采样结果即为准确的零点值。5.2采样值的预处理实际信号不一定是严格的50Hz，为保证在一定频率变化范围内仍能采得整周期信号，需按照理想采样间隔多采若干点（实际中采样256点）。为得到实际信号的256点等间隔采样值，需先算出实际信号按理想