基于DSP和嵌入式系统的电能质量监测系统的研究与设计.doc

摘要 基于DSP和嵌入式系统的电能质量监测系统的研究与设计学 位 论 文基于DSP和嵌入式系统的电能质量监测系统的研究与设计（题名和副题名）摘 要随着经济的发展，大量具有非线性、冲击性的电气设备广泛应用于电力系统以及日常生活中，导致电能污染日趋严重。电能质量问题日益突出，已经成为电力部门和用户日益关注的问题，对电能质量的监测与分析具有重要的社会意义。本文首先分析了电能质量在国内外发展现状，参考现代电能质量监测装置的设计模式，为满足监测系统的快速性、可靠性和高精度等要求，提出了基于DSP加ARM的电能质量监测系统的设计方案。在此基础上，设计了以DSP和ARM为核心的电路板，主要负责数据的处理和显示，充分发挥了DSP的信号处理能力和嵌入式处理器ARM的系统控制能力，深入研究了DSP与ARM之间的通信、存储器的扩展以及图像接口电路等硬件的设计。同时还研究了基于小波变换进行电能质量分析的算法，通过在DSP中编写程序来实现数据采集、小波滤波和数据处理等功能。本文在ARM硬件平台上，为了显示电能质量参数和基本波形，以Qt/Embedded为嵌入式GUI的实现方式，研究并设计了良好的人机交互界面。最后，对系统进行了调试，并对调试结果进行了分析。关键词：电能质量，DSP，小波变换，ARM，Qt/EmbeddedIAbstract 基于DSP和嵌入式系统的电能质量监测系统的研究与设计AbstractAlong with the development of economy, the nonlinear and the impacting of the voltage have been used widely in the daily life and the electric power system, power pollution became more serious, the problem of power quality is more progressively, more and more attentions of power system department and consumers turned to the power quality, so there are great significant to measure and analyze the power quality.Firstly, the domestic and overseas developing actuality of power quality are analyzed in this paper, consult the design mode of modern power quality surveillance equipment, for the satisfaction of speediness, dependability and high precision, propose a scheme of power quality monitoring system design which based on DSP&ARM. On the basis of this, design the data-processing and display board based on the hardware as the core of DSP and ARM, fully exert the signal processing capability of DSP and system controlling ability of embedded ARM, in-depth study of communications between DSP and ARM, the expansion of memory and the LCD interface circuit. At the same time, analyze the signal of power quality on the basis of wavelet transform, introduce the application of wavelet analysis of power quality monitoring system, compile programme to achieve the data collection, wavelet filtering and data processing functions in the DSP.In the ARM hardware platform, to demonstrate the power quality parameters and the basic waveform, research and design a good human-computer interface based on the Qt / Embedded.Finally, the system debug and presents the results of power quality analysis are carried out in this paper.Keywords: Power Quality, DSP, Wavelet Transform, ARM, Qt/Embedded目 录 基于DSP和嵌入式系统的电能质量监测系统的研究与设计目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 电能质量监测的背景和意义11.1.1 电能质量监测的背景11.1.2 电能质量监测的意义11.1.3 电能质量扰动监测的方法21.2 电能质量监测的发展现状和趋势31.2.1 国外研究现状31.2.2 国内发展现状31.3 本文的主要工作及论文安排42 电能质量监测系统的总体设计62.1 引言62.2 电能质量概念62.3 系统功能及方案设计72.4 系统硬件设计82.5 系统软件设计92.5.1 DSP中软件设计92.5.2 嵌入式系统ARM中软件设计102.6 本章总结103 系统硬件设计123.1 引言123.2 系统采集电路板123.3 DSP和ARM内核的选择133.4 通信接口的设计143.5 存储器扩展163.6 图像显示接口电路193.7 其它电路设计203.8 本章总结224 电能质量的分析234.1 引言234.2 小波变换的介绍234.2.1 小波变换的理论基础234.2.2 小波变换与傅立叶变换的比较264.3 小波分析在电能质量监测中的应用284.3.1 小波基的选取和分解层层数284.3.2 小波滤波304.3.3 信号的奇异性检测314.4 DSP里的程序设计324.4.1 DSP的初始化324.4.2 DSP中的数据处理344.4.3 调试结果354.5 本章总结375 系统的界面设计385.1 引言385.2 Qt/Embedded的介绍385.3 Qt系统的信号与槽机制385.3.1 信号(signal)与槽(slot)机制概述395.3.2 元对象编译器(MOC)395.4 图形驱动程序405.5嵌入式系统中Qt/Embedded的程序编写415.5.1 Qt/Embedded中三个主要的基类介绍415.5.2 QtDesigner的介绍和使用415.5.3 Qt/Embedded的中文化435.5.4 Qt/Embedded中主函数的编写455.5.5 Qt/Embedded 程序的设计流程465.5.6 交叉编译475.6 嵌入式系统中键盘程序的设计485.7 本章总结506 总结与展望51致 谢52参考文献53附 录56I硕士论文 基于DSP和嵌入式系统的电能质量监测系统的研究与设计1 绪论1.1 电能质量监测的背景和意义1.1.1 电能质量监测的背景电能既是一种经济实用、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提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品。不仅有量的多少，也有质的高低。电能作为走进市场的商品，与其他商品一样，也应该讲求质量。电力部门不仅要满足用户对电力数量不断增长的需求，还要满足用户对电能质量的要求2。近年来，随着我国国民经济的迅速发展和高科技设备的普及，当代电力系统的负荷结构发生了很大的变化，这种结构的变化是经济发展的必然结果，有利于电力用户提高生产效率和获得更大的经济利益，并能节省电力建设所需要的大量投资。但是在工业生产中，大型电力变压器、电力电子设备、各种自动化设备以及其他一些非线性、冲击性和不平衡的用电负荷大量增加，使得很小的电压扰动或特性变化都可能影响到电力系统的正常工作，导致电力系统的谐波污染和电能质量下降，供电电压干扰加重，还会引起电压闪变现象的时常发生，给电力系统安全运行带来直接或潜在的危害。因此，现在的电能质量问题已经不仅仅是电力系统中稳定电压和频率等的技术问题，还关系到整个电力系统及设备的安全、经济和可靠运行，甚至关系到整个国民经济的总体效益和发展战略。随着电能质量问题的日益严重以及广大用户对电能质量要求的不断提高，建立完善的电能质量监测与分析系统，进行准确的检测、评估和分类，提高和保证电能质量，已经成为国内外电工领域迫切需要解决的问题。1.1.2 电能质量监测的意义随着中国电力体制和电力市场化改革的深入进行，电能质量与电力市场的关系更加密切，而电力市场与电力政策息息相关。从国家电力体制的改革来看，电力系统的规模将空前庞大，电力政策的重心正在向电能质量方向转移，在未来电能质量的提高必将成为电力公司工作的重心。近几年来，中国电网每年累计共发生120000多次短路故障，其中220kV及以上的电网短路2000多次，产生区域全局性影响；35110kV的电网短路20000多次，属于地区性影响；10kV公网约100000次，由此可见，电能质量监测对于我国电力部门来说非常重要。据不完全统计，全国35kV以上的终端变电站有30000多个，35kV等级以下的各类配电变电站也有很多，到2010年，预计各主要城市的500kV和220kV的变电站数量将翻一番，220kV以下的变电站数量将增加20%左右3。随着发、供、用电三方对电能质量重要性关注程度的提高以及电能按质论价方案的实施，电能质量监测产品将成为配电变电站的必要设备。另外，由于电能质量监测的数据对企业在设备维护、提高用电效率等方面有很重要的参考作用，势必使得全国大中型企业装设电能质量监测仪监测自身的电能质量指标，以便及时地进行调整，因此，电能质量监测仪在大中型企业方面也将有很大的市场空间。除此之外，随着国家电力法规建设的完善，对电气污染治理的重视，在很大程度上也将促进电能质量监测产业的发展。目前，我国的电能质量监测行业整体综合技术水平比较落后，与国外先进水平存在着较大的差距。在电能质量监测仪的研究发展上，虽然取得了不少成绩，但是依然存在着很多的问题：智能化程度低、检测不方便、效率低、监测精度不高、指标少而且商品缺乏相应的国家标准等。在目前的电能质量检测产品领域，国内市场份额基本上被一些国际知名公司占据，我国每年都需要进口数量不少的电能质量监测仪，这些公司的产品虽然代表了国际先进的技术水平，但价格昂贵。因此，我国迫切需要发展具有自主知识产权的高性能电能质量监测仪。迎接全新的发展机遇，积极参与高性能电能质量监测仪的开发研究，对于推动国内电力系统的发展，具有重要的战略意义。进行高性能的电能质量监测装置的研究具有很大的社会效益和经济效益，长远来看，未来的电能质量监测产业一定会进入一个新的时代。1.1.3 电能质量扰动监测的方法近年来，各种方法在电能质量分析领域的应用越来越广，主要有三种：时域仿真法、频域分析法和基于变换的方法。时域仿真法在电能质量分析中的应用最广泛，主要是利用各种时域仿真程序建立电力系统模型，从而对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究。目前较通用的一些时域仿真程序有EMTP、EMTDC、NETOMAC、SPICE、SABER等。时域仿真法的缺点：元件一般采用因果建模方法，对于复杂高维系统不易实现；其次，元件模型的程序对用户是不公开的，使用者无法查看和修改元件模型代码。频域分析法是研究电能质量的经典方法，主要包括频率扫描、谐波潮流计和混合谐波潮流计算等。频域分析法主要用于分析电能质量中的谐波问题。在电能质量分析领域中，为充分合理的利用扰动波形的信息，常常采用基于变换的方法将时域信息映射到频域，或者将时、频域信息结合起来进行电能质量分析。应用最广泛的基于变换的方法主要有傅立叶变换、短时傅立叶变换、小波变换和神经网络等几种方法4。1.2 电能质量监测的发展现状和趋势1.2.1 国外研究现状国外有关电能质量监测的研究起步较早，而且正处于研究的高潮时期。从所适用的功率理论的扩展，到电能质量评论指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义，到各种电能质量分析方法的提出，以及电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发等都有了深入的研究。早在二十世纪三、四十年代，德国就提出了静态整流器会引起波形畸变的问题，从那时起，电网谐波问题就引起了人们的重视。之后，美国和欧洲的部分国家于20世纪90年代初开始就逐渐展开了全面的研究。国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议都相继组成了专门的工作组制定相应的谐波标准。美国电力科学研究院自上世纪90年代将电能质量列入其12个主要的研究领域之中。欧洲电工标准化委员会于1992年7月发布公用配电系统的供电特性草案。该草案在广泛吸收IEC标准的基础上，对中、低电压配电系统用户供电端的电能质量作了全面规定，包括频率、电压偏差、电压波动及闪变、短时和长期停电、暂态过电压、电压波形以及电源的信号电压等，并已在IEC 61000系列标准中被确认5。针对各种电能质量问题，国外已经开发生产了比较成熟的检测分析仪器，如美国的Fluke(福禄克)公司、瑞士的LEM(莱姆)公司、瑞典的UNIPOWER公司和日本的日立公司等都开发研制了一些具有高集成度、高可靠性、智能化和网络化的电能质量监测仪器，这些装置具有检测精度高、检测指标多、功能丰富等特点，而且既可对电能质量参数进行在线实时测量，也可对这些参数按天、按月进行累计分析，还具备谐波分析功能6。1.2.2 国内发展现状在理论研究方面，我国电能质量的研究起步比较晚。为保证我国的电能质量，结合国内实际情况，到2002年底，相继发布了六项电能质量国家标准：电能质量 供电电压允许偏差GB 12325-1990、电能质量 公用电网谐波GB/T 14549-1993、电能质量 三相电压允许不平衡度GB/T 15543-1995、电能质量 电力系统频率允许偏差GB/T 15945-1995、电能质量 电压波动和闪变GB 12326-2000、电能质量 暂时过电压和瞬态过电压GB/T 18481-2001。一些识别方法的结合应用研究如快速傅立叶变换FFT、小波变换以及神经网络等已经逐步展开，并成为电能质量领域新的热点问题之一。特别是对基于小波变换的电能质量监测方法的应用进行的探讨和试验研究，取得了一定的理论成果4。由于近几年来电力部门对电能质量的重视，我国对于电能质量检测仪器设备进行了较深入的研究，一些高校在这方面也已经取得了一定的成果，如安徽大学建立了有“电能质量及电机研究室”。目前市场上已经有多个国内厂家生产的电能质量监测仪器，如深圳领步科技有限公司、上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴科技股份有限公司、保定市方长电力电子有限公司等的一系列产品，这些产品大多数以测量相对稳定的质量指标为主，也有记录某些暂态质量指标的功能，而且大多数产品都有一定的数据通讯功能，有的还具有一定的统计分析和自动形成报表功能6。我国在暂态电能质量问题的研究上比较落后，至今也没有统一的标准，一些如电压骤降、电压中断、间谐波、直流分量等指标也还有待进一步的研究。目前我国部分供电公司的电能质量测试设备还存在以下一些问题：(1)检测指标不全面。很多的仪器不能测量间谐波，多数仪器的基本功能还只停留在对持续性和稳态性指标的检测上，对动态电能质量，特别是偶发性瞬态变化的指标如电压暂降，暂时过电压和瞬态过电压等不能进行测量。(2)测量精度不能满足一些特殊情况的需要。(3)检测不方便、效率低，有的仪器甚至需要人工进行统计、整理。(4)不少产品没有经过权威部门的认证，质量不高。(5)产品缺乏相应的国家或行业标准。我国还有大量专用标准需要制定，在这方面还有很多工作要做。1.3 本文的主要工作及论文安排本文围绕构建基于DSP+ARM的电能质量监测系统的关键技术进行了研究，以TMS320VC5402数据处理器、AT91RM9200微处理器为硬件核心，以嵌入式Linux操作系统为软件平台，以小波变换对电能质量信号进行分析，在嵌入式系统上通过Qt/Embedded实现良好的人机交互界面。研究的内容主要有：设计了以DSP和ARM为核心的电路板，其中包括双核之间通信的实现，一些接口的扩展等；在DSP中采用小波算法对电能质量信号进行采集和分析，实现小波滤波，并完成了程序的调试；在嵌入式系统中选择Qt/Embedded嵌入式GUI进行界面的开发，设计了良好的人机交互界面。本文各章节具体安排如下：第一章绪论。介绍电能质量监测的背景、意义以及国内外发展现状，阐述了本文主要内容和章节安排。第二章电能质量监测系统的总体设计。主要介绍了电能质量的概念、电能质量监测系统的组成及功能要求，并从总体上介绍了系统软、硬件设计方案。第三章系统硬件设计。主要介绍了以DSP+ARM双处理器为控制核心的系统数据处理及显示板的设计，包括处理器芯片的选择、通信接口的设计、存储器的扩展和图像显示接口电路的设计等。第四章电能质量的分析。首先阐述了小波变换的理论基础，对比小波变换与傅立叶变换之间的优缺点。然后介绍了系统对电网信号的采集步骤，信号的小波软阈值滤波和小波变换对数字信号的分析处理。最后详细论述了在DSP中，程序的编写流程和调试过程。第五章系统的界面设计。主要介绍了Qt/Embedded的特性和独特机制、Qt designer的使用、Qt/Embedded的中文化以及在ARM9中界面编程和调试的方法，在本章最后说明了键盘程序的编写流程第六章总结与展望。对本文所作的工作进行了全面的总结，并对未来的工作进行了展望。512 电能质量监测系统的总体设计2.1 引言近几年，我国大部分地区用电负荷接连创下历史新高，全国电网面临严峻的考验。在备用电量严重不足、电力资源紧缺的情况下，需要建立一个较完善的电能质量监测系统，使电力部门能及时、详细、准确地了解电网的电能质量状况，及时发现电能质量问题，并采取技术措施来保证电能质量10。2.2 电能质量概念电能质量是供电部门和用户共同关注的重要问题，本文引用文献1对电能质量的定义：导致用电设备故障或不正常工作的电压、电流或频率偏差，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等。尽管电能质量的定义很多，但是实际电网中的电能质量扰动是客观的。本文设计的系统需要监测的电能指标有11：电压骤升(swells)：电压或电流有效值升至额定值的110%以上，典型值为额定值的110%-180%，持续时间为0.5个周期到1分钟。电压骤降(sags)：电压或电流有效值降至额定值10%-90%，持续时间为0.5个周期至1分钟。电压中断(interruptions)：在一相或多相线路中完全失去电压(低于额定值10%)一段时间。持续时间0.5个周期至3S为瞬时中断，持续时间3S至60S为暂时中断，持续时间大于60S为持续中断。电压瞬变(transients)：指在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化。电压瞬变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误差振荡波。振荡暂态(surge)：指处于稳态的电压或电流突发的、双极性的非电源频率的变化。它具有高频暂态(5000KHZ)、中频暂态(5-5000KHZ)和低频暂态(5KHZ)三种状态。脉冲暂态(impulse)：指两个连续稳态之间的在极短时间内发生的现象或数量变化，它可以是任一极性的单方面脉冲，也可以是发生在任一极性阻尼振荡的第一个尖锋。电压闪变：电压波形包络线呈规则的变化或者电压幅值一系列的随机变化，一般表现为人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。闪变分周期性和非周期性两种。2.3 系统功能及方案设计本文设计的电能质量监测系统是以国家对电能质量的定义为标准，以方便用户为原则进行研究设计的，所要实现的系统功能如下。(1)可以快速、可靠、高精度的监测和分析电能质量相关信息，对电网三相信号进行实时跟踪，快速进行扰动的检测和定位，实时计算相关参数。(2)可以存储大量的历史数据，包括电能质量的基本参数，电网信号发生扰动的历史参数等，当电能质量参数不正常时，及时报警。(3)有良好的可视界面，可以实时显示电能质量参数、三相基本波形，当参数异常时，界面上显示报警信息。(4)有一定程度的人机交互，可以在界面上进行选择性的显示，当用户有操作疑问时，可以直接在界面上寻找帮助。(5)硬件设计具有较强的灵活性，方便系统的扩展或二次开发，软件上具有较强的可移植性，方便系统升级。(6)尽可能的降低设计成本。为实现系统的功能，必须要有高精度的数据采集模块，通过传感器、信号处理电路和模数转换后，将电网中三相信号转换为在DSP里可以被处理的数字信号。要正确的计算出电能质量暂态的各项指标，需要很强的数据处理能力及高采样率，这是对处理器的基本要求。普通CPU的数据采集和处理系统，受工艺、结构、时钟和总线的限制，指令功能有限，寻址空间小，运算能力弱，在数字信号处理上会受到一定限制，并不适合于电能质量的数据分析。与DSP相比，嵌入式处理器ARM虽然速度很快，但是在数据运算处理能力和速度上，尤其是数据的重复性计算方面并没有优势。DSP的强大的数字信号处理能力和高运行速度，可以很好的满足系统对大运算量和高采样率的要求，从而使系统有很好的快速性和实时性。但是DSP的外设接口和集成功能模块一般不多，控制方面能力偏弱，在对电能质量监测系统中一些复杂的特殊控制，比如人机交互、键盘处理等，并没有很好的效果。而一些传统的处理器，比如单片机，控制能力较弱，而且速度方面无法与DSP相匹配，也不适合本文所要设计的系统。作为系统控制处理器，32位的高性能的嵌入式处理器ARM在速度方面完全能够和DSP相匹配，甚至远超过DSP。而且由于集成了丰富的控制接口，用户只需添加少量甚至无需添加外围器件就可以实现相应的功能，即节约硬件成本，又减少了开发时间。另外，ARM处理器为实时嵌入式操作系统(RTOS)提供了硬件平台，在操作系统的支持下，可以大大的缩短用户的开发周期。因此，出于对系统性能和成本的考虑，本文最终采用了DSP与嵌入式处理器ARM的双处理器方案，这样可以更有效的发挥DSP的功效和ARM的特长，性价比高。方案分为硬件设计和软件设计两个模块。系统的硬件设计分为数据采集模块和数据处理及显示模块，在后一个模块中，以高性能数字信号处理器DSP和嵌入式ARM9微控制器为核心进行设计。系统的软件设计主要是在DSP里实现对电能质量数字信号的采集，完成对数字信号的滤波和用小波算法进行数据处理，在嵌入式处理器ARM的硬件平台上进行系统人机交互界面的设计。2.4 系统硬件设计系统硬件设计分为两个模块：信号采集电路和数据处理及显示电路。由于本文选用已有的信号采集电路板，故系统硬件设计的重点是数据处理及显示电路板。在电能质量监测系统中，必须可以实时、快速、准确的对电网信号进行采集，通过A/D转换获得可供后续处理的数字信号，因此数据采集电路板必须能精确的将电网信号转换为可供DSP处理的数字信号。为快速实时的完成大量运算，以高速数字信号处理器TMS320VC5402为数据处理核心，同时配以大容量的存储器记录历史数据，此外还有用于DSP芯片内部测试的JTAG接口。以嵌入式处理器AT91RM9200作为系统的控制内核，协调系统的工作，键盘模块和LCD显示模块两者结合实现系统的人机交互功能，用户通过键盘实现对系统的控制，通过LCD查看所需要的参数，扩展了Flash存储器和同步动态存储器(SDRAM)，此外还完成了电源电路、复位电路和键盘电路等硬件电路的设计12。在监测系统中，DSP与A/D之间的数据是通过多通道缓冲串口(McBSP)传输的，而DSP和ARM之间的数据通信，通过并行主机接口(HPI)完成。图2.1 系统硬件设计总体框图2.5 系统软件设计在本文的电能质量监测系统中，软件以模块化设计，分为数据采集模块、数据处理模块、数据通信模块和人机交互界面模块。这些模块的设计任务分别在DSP和ARM中实现。2.5.1 DSP中软件设计DSP应用系统在CCS(Code Composer Studio)集成开发环境下设计，采用C语言和汇编语言混合编程，其中主程序采用C语言编写，大大加快了DSP芯片的开发速度，也使程序的修改和移植变得十分方便。数据采集模块。通过初始化串口控制寄存器打开串口接收中断，控制A/D采集数据，因此首先对A/D和DSP的控制寄存器以及串口初始化，初始化完成后系统开始采样，采样结束后关闭A/D。将数据送入DSP进行处理并将处理结果以及一些必要数据送到HPI交互区后，重新打开A/D进行新一轮的采样。数据处理模块的设计主要分为两部分：小波滤波和数据算法处理。由于检测设备、外界电磁干扰等各种因素，原始信号往往会叠加各种噪声，在处理数据前必须消除这些噪声。小波滤波可以较好的消除白噪声，并保存原始信号的高频突变部分，具有低通滤波器无法比拟的优点。经过比较，选择小波变换对电能质量信号进行分析得到各种电能质量的参数。虽然长期以来傅立叶变换一直是信号处理领域中应用最广泛的一种分析手段，但是它并没有将时间域和频率域结合起来，无法准确的定位频域信息，有一定的局限性；而小波变换在时域和频域都具有良好的特性，可以更加准确的反映电能质量信号的情况。数据通信模块是DSP与A/D之间的数据传输和ARM和DSP之间的通信问题，本文选择并行(HPI)通信方式，以ARM为主机，DSP为从机。2.5.2 嵌入式系统ARM中软件设计对于人机交互界面设计的基本要求：要有较成熟的、可靠的界面；能快速实时的显示电能质量参数；可在界面上直接操作，有良好的反应速度；支持中文显示。在简单介绍几种常用的嵌入式GUI实现系统后，对比选出最适合系统的界面设计系统。MicroWindows是典型的客户/服务器体系的GUI系统，分为三层，最底层的是面向图形输出、键盘和鼠标等的驱动程序；中间层是提供硬件的抽象接口，并实现一个与硬件平台无关的图形引；最高层提供兼容X Window和WindowsCE的API。有较好的移植性，而且图形引擎功能比较完善，但是系统的稳定性和开发工具的支持等方面都还有很大欠缺。MiniGUI是一种面向嵌入式系统或实时系统的图形界面支持系统，主要运行于Linux平台，有良好的移植性，是中国人做得较好的自由软件之一。优点主要有：基于线程的多窗口机制、多字符集和多字体的支持、小巧，包含全部功能的库存文件大小为300K左右、可移植性好。但是体系结构不完善，自有图形引擎的功能较弱，没有一个好的图形开发环境13。Qt/Embedded用C+封装的，为开发者提供了清晰的程序框架，能够方便的编写自定义的用户界面程序；有自己的图形引擎，可以直接对底层的图形驱动framebuffer进行操作；有平台无关性、良好的GUI编程接口以及强大的开发工具的支持；有Designer 和Qmake等界面设计工具；支持Unicode编码，利于产品的国际化。本文最后采用Qt/Embedded作为嵌入式GUI实现方式。在ARM硬件平台上，以嵌入式Linux为操作系统，软件主要是以Qt/Embedded编写图形用户界面。Qt/Embedded的应用软件的开发基本是在PC机上完成的，信号/槽(signal/slot)是Qt最核心的机制。由于在Qt/Embedded系统中并不能直接显示汉字字符，必须对其汉化或翻译后才可以显示。当设计的界面在PC机上调试成功后，交叉编译到目标板上运行。2.6 本章总结本章在学习了电能质量概念的基础上，提出了电能质量监测系统的总体设计方案。针对系统的具体功能要求，分别设计了系统的硬件部分和软件部分。硬件部分主要是设计数据的处理及显示的硬件平台，软件设计部分主要是进行数据采集处理和界面显示的功能。3 系统硬件设计3.1 引言硬件设计是电能质量分析系统平台的基础，是整个电能质量监测系统设计和实现的第一步，也是最重要的一步。本文经过调查、比较、研究后最终确定以DSP+ARM双处理器为核心上的电路板设计方案，从而实现对数据的处理及显示。3.2 系统采集电路板采集电路板主要用来完成对电网数据采集的任务。系统采集电路包括传感器(或互感器)、滤波器、一些运算放大器、A/D转换器和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。电网模拟信号首先经过电压、电流传感器(或互感器)降低到系统可以接受的范围，经过滤波器滤除高次谐波后，对信号进行幅值放大等一系列的操作，最后经过A/D转换就可以得到DSP需要的数字信号。传感器选用南京中旭电子科技有限公司生产的HDC-20LB型霍尔电流传感器和HNV400T型霍尔电压传感器，精度高、响应快且动态性能好，可以方便地安装在采集电路板上也可以独立于电路板外。在本文设计的电能质量监测系统中，两个传感器均独立于电路板之外。数据采集电路板上A/D转换芯片选用的AD73360，它是美国ADI公司在1999年推出的一款采用转换技术的，6通道同时采样的高性能串行输出AD接口转换芯片，有较高的分辨率。在6个模拟输入通道上，配置成差动输入。采集板上不设计各种逻辑控制电路，而是用高性能的复杂可编程逻辑器(CPLD)替代完成逻辑和时序控制，也可以通过CPLD完成将输出信号分频后再进行比较的倍频工作，并且可以在其中由VHDL语言对实现电网信号的缺相判断。本文选择EPM7128S-15作为CPLD，它是Altera公司推出的MAX7000S系列的CPLD(Complex Programmable Logic Device)，采用CMOS EEPROM工艺，传输延迟仅为15ns，内部具有丰富的资源：128个触发器、2500个用户可编程门、具有68个用户可编程的I/O口，可定义为输入、输出或双向口14。数据采集板的总体设计框架如图3.1所示。图3.1 信号采集电路板的设计框图由于时间关系等，本文选用已有的数据采集电路板。后面将主要介绍数据处理及显示电路板的设计。3.3 DSP和ARM内核的选择DSP是实时信号处理的核心，DSP芯片的选择应根据实际应用系统需要而确定。不同的应用系统由于应用场合、应用目的等不同，对DSP芯片的选择也是不同的。通常从系统的运算速度、运算精度和存储器的容量等方面来选择合适的DSP芯片。运算速度是DSP芯片一项最重要的性能，常用的指标是每秒百万次指令执行个数(MIPS)。一般情况下，浮点DSP芯片的运算精度要高于定点DSP芯片的运算精度，但是功耗和价格也随之上升，定点DSP芯片的优点是主频高、运算速度快、功耗低、成本低，但是与浮点DSP相比，精度低且编程比较麻烦。此外DSP芯片的价格也是选择DSP芯片时需要考虑的一个重要因素。DSP在系统中的主要任务是通过小波变换对电能质量信号进行实时、准确的处理，因此在选择DSP芯片时，需要可以快速、准确的计算出电能质量的基本参数，因此着重考虑其运算速度和运算精度，此外还有成本等因素。综合考虑后，本文选择TI公司的TMS320VC5402的DSP处理器，该DSP是TI公司为实现低功耗、高速实时信号处理而专门设计的16位定点数字信号处理器，指令周期可达10ns，最高频率为100MHz，采用改进的哈佛结构，具有高度的操作灵活性和运行速度，适应于远程通信、界面显示等实时嵌入式应用的需要。其主要特点有1516。(1)1个40位的算术逻辑单元(ALU)，其中包括1个40位的桶形移位器和2个40位的累加器，1个17*17的并行乘法器，8个辅助寄存器和1个软件栈。(2)内部集成Viterbi加速器，提高Viterbi编译码的速度。(3)包含4K*16bit片内ROM、4K*16bit片内DARAM、6个DMA通道、2个McBSP、2个Timer、外部程序空间可扩展到1M*16bit。(4)一个控制接口、一个主机接口(HPI)、一个时钟接口、两个多通道缓冲串行接口McBSP0和McBSP1及一个JTAG仿真接口。在电能质量监测系统中对于控制处理器的选择要考虑许多问题，比如，如何能更好的实现系统功能、芯片的工作频率和速度、芯片的内存储器容量、片内扩展的外围接口电路以及芯片封装形式等等。综合考虑各方面后，本文选择了ATMEL公司的AT91RM9200。它是ATMEL公司针对系统控制以及通信领域推出的基于ARM920T内核的低功耗、低成本、高性能的新型微控制器，隶属于ARM9系列。它有以下特点17。(1)融合了ARM和Thumb处理器，当工作于180MHz时性能高达100MIPS，有存储器管理单元(MMU)，16个嵌入式域。(2)16K字节的数据缓存，16K字节的指令缓存，写缓冲器，包括16字的数据缓冲器和4地址的地址缓冲器。(3)片上集成了16KB的SRAM和128KB的ROM。扩展的外部总线接口EBI支持SDRAM、静态存储器、Burst Flash、无缝连接的Compact Flash、NAND Flash及SmartMedia等。共有8个片选信号线，每个片选信号线可以选通最大容量为64MB的外部存储器。(4)片上外设资源丰富，包括增强的时钟发生器、电源管理器、通用I/O接口、两线接口(TWI)、主/从串行外设接口(SPI)、USB2.0全速(12M比特/秒)主机端口和器件端口、2个3通道16位定时/计数器(TC)、3个同步串行控制器(SSC)、4个通用同步/异步收发器(USART)、10/100M以太网接口、多媒体接口、7个外部中断源和1个快速中断源等。数据处理及显示电路板以TMS320VC5402和AT91RM9200的双处理器为控制核心，两个处理器按照系统的功能和要求进行合理分工，分别完成数据处理功能和系统控制功能，充分发挥了两者的优点，合理的利用了硬件资源。3.4 通信接口的设计系统通信设计分为两个模块：DSP与A/D之间的数据通信和DSP和ARM之间的数据通信。C54X系列DSP处理器的串行口形式有标准同步串口SP、缓冲同步串口BSP、多通道缓冲串口McBSP、时分多路同步串口TMD四种。本文使用功能很强的高速、双向、多通道带缓冲串口McBSP与A/D连接，电路设计简捷。不同型号的DSP芯片串口配置不同，VC5402配有2个McBSP，本文的系统设计中使用McBSP0接收采集板采到的数据。McBSP的硬件部分是在标准串口的基础之上对功能进行扩展的，特点如下。(1)全速双工通信。(2)拥有两级缓冲发送和三级缓冲接收数据寄存器，允许连续的数据流。(3)为数据发送和接收提供独立的帧同步脉冲和时钟信号。(4)能够与工业标准的编码器、串行A/D、D/A器件直接连接通信。(5)支持多种串行协议接口通信，支持传输的数据字长可以是8位、12位、16位、20位、24位和32位。在时钟信号和帧同步信号的控制下，接收和发送通过DR和DX引脚与外部器件直接通信。DSP首先从数据接收寄存器(DRR)中读取接收数据，发送时向数据发送寄存器(DXR)写数据，然后通过传输移位寄存器(XSR)移位输出到DX上，同样，从DR上接收的数据移位存储到接收移位寄存器(RSR)并拷贝到接收缓存寄存器(RBR)，然后再由(RBR)拷贝到DRR，DRR由CPU或DMA读出。McBSP的XF引脚与AD73360的SE和RESET引脚相连，对AD73360进行选通和复位控制；AD73360的串口时钟信号SCLK作为McBSP的发送信号(CLKX0)和接收信号(CLKR0)；McBSP的发送帧同步引脚(BFSX0)、接收帧同步引脚(BFSR0)与AD73360的帧同步输入引脚(SDIFS)、帧同步输出引脚(SDOFS)连到一起，使双方的帧脉冲信号保持同步；AD73360的数据输出引脚(SDO)和输入引脚(SDI)分别与McBSP的数据接收引脚(BDR0)和数据发送引脚(BDX0)相连18。图3.2 AD73360与DSP之间的引脚连接图DSP芯片中的主机接口(HPI)，是沟通DSP芯片的主机之间的一条快捷通道。在系统中，设计DSP与ARM之间通过主机接口完成数据通信。C54X系列DSP芯片的HPI接口分为三种：标准8位接口(HPI8)、增强型8位接口(EHPI8)和16位接口(HPI16)。标准型接口只能访问片内RAM区中指定的2K字节，而增强型允许主机访问DSP内部的所有片内RAM。VC5402的主机接口是一个增强型8位并行口，是与主设备或处理器通信的接口。数据在VC5402和主机之间通过VC5402的存储器进行交换。主机是HPI的主控者，HPI作为一个外设与主机相连，使主机的访问操作很容易实现19。系统设计中，使用EHPI8实现DSP和ARM的双机通信。HPI口是一个8位的并行端口，通过8根外部数据线HD(07)与主机进行数据通信；主机通过外部引脚HCNTLO和HCNTL1选中不同的寄存器后，当前发送的8位数据就到达该寄存器。控制寄存器HPIC既可以被主机直接访问，又可以被DSP片上CPU访问。主机将地址寄存器HPIA视为一个地址指针，借助于HPIA，主机可以访问VC5402全部的片上存储器。当VC5402与主机传送数据时，HPI能自动地将外部接口连续送来的8位数据组合成16位数，并传送至VC5402。当主机使用HPI寄存器传输一个数据时，HPI控制逻辑自动执行对一个专用的2K字的VC5402内部的双访问，完成数据处理后，VC5402可以在它的存储空间访问读写数据。AT9200的数据总线D0-D7与VC5402的HPI口的数据总线HD0-HD7相连，用于主机和DSP之间的数据传输；DSP的HCNTLl和HCNTL0引脚与ARM地址线A2、A3相连，实现其对HPI寄存器的访问；HBIL引脚是用来确定传输的是第一字节还是第二字节；HCS信号用于HPI的使能输入，由ARM片选信号产生；DSP中引脚HDS1和HDS2构成异或的逻辑关系，即HDS1=not HDS2，这样内部选通信号直接由HCS决定20。图3.3 ARM与DSP之间的通信连接图3.5 存储器扩展本文在设计ARM处理器时扩展Flash存储器和同步动态存储器(SDRAM)。Flash存储器用来存入用户编写的启动程序，操作系统内核以及应用程序，SDRAM存储器不具有掉电保持数据的特性，但是其存取速度远高于Flash，可以提供高速的数据传输，提高系统性能，简化设计。由于AT91RM9200是32位处理器，所以选用的SDRAM最好也是32位的。但是市场上32位SDRAM不仅成本高而且规模过大，因此本文采用两片16位的SDRAM拼接使用。选择HY57V561620存储器，它是一款高速的同步动态存储器，由于其所有的寻址、刷新等操作都由集成在芯片内部的控制系统完成，因而使用非常简单。存储器与ARM处理器的引脚连接：A0引脚没有接在处理器的A0地址线上，因为在ARM的存储空间中，字节是表示存储容量的惟一单位，SDRAM为32位宽度的时候，最小存储单元为4B，因此当地址线A1:A0为01时，处理器上对应的空间是A3:A2为01。如图3.4所示，SDRAM的A0引脚接到ARM处理器的A2引脚，依此类推。如果处理器需要访问地址偏移量为01的单字节，需要DQM信号进行帮助，即LDQM连接A0，UDQM连接nWR1信号。BA地址线代表了SDRAM内存的最高位，如果DARAM内存共有64MB，那就需要26个引脚()，由于所选HY57V561620存储容量大小为4M，故BA地址连接A21和A20。图3.4 SDRAM引脚连接图Flash是内存的一种，内部由成千上万个存储单元组成，每一个单元存储一个bit。本文在ARM处理器侧分别扩展NORFlash和NANDFlash，选用E28F128J3A芯片和K9F1208U0M芯片。NOR Flash接口和其他存储器那样，系统总路线完全匹配，16个数据输入输出引脚，可以轻松的连接在系统总线上，片选和读写信号引脚分别与处理器上的片选和读写引脚相连。NOR Flash有三个芯片片选引脚信号，选用作为片选信号，与处理器引脚相连。BYTE接高电平，表示Flash在16位数据传输模式下。NAND Flash接口信号比较少，数据线宽度只有8bit，CLE和ALE两个引脚信号用来区分总线上的数据类型，没有地址总线。系统在每次读写都需要先通过8位总线串行的将地址发送给NAND Flash，效率比较低，在使用NAND Flash时，通常都必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作，但是它在写入速度和擦除速度上比NOR Flash要快很多。一般来说NOR Flash用于对数据可靠性要求比较高的代码存储、通信产品、网络处理等领域；而NAND Flash则用于对存储容量要求较高的一些领域。正因为如