PAGEPAGE35大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于DSP的智能電力參數(shù)測(cè)試儀的研究學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)部（系）：機(jī)械與電氣工程學(xué)部專業(yè)年級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：職稱或?qū)W位：高級(jí)工程師年5月31日目錄摘要 3Abstract 41.緒論 51.1課題的目的與意義 61.2課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 61.3本論文的研究?jī)?nèi)容 62.電力參數(shù)測(cè)量原理 72.1電壓電流有效值的測(cè)量 72.2頻率的測(cè)量 72.3基于傅立葉變換的諧波分析法 82.3.1算法原理 82.4功率的測(cè)量 102.5本章小結(jié) 113.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 113.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 113.2信號(hào)采集部分設(shè)計(jì) 123.2.1電壓和電流的檢測(cè)與調(diào)理電路 123.2.2頻率測(cè)量電路 133.3模數(shù)轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì) 143.4處理器部分設(shè)計(jì) 153.4.1TMS320VC5502的主要外設(shè) 153.4.2TMS320VC5502的主要特性 163.5外部存儲(chǔ)器電路的設(shè)計(jì) 163.5.1SDRAM接口電路設(shè)計(jì) 173.5.2FLASH接口電路設(shè)計(jì) 173.6通信接口部分設(shè)計(jì) 173.7鍵盤和顯示部分設(shè)計(jì) 183.7.1鍵盤電路設(shè)計(jì) 183.7.2顯示電路 193.8本章小結(jié) 204.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 204.1主程序設(shè)計(jì) 204.2數(shù)據(jù)采集程序 224.3數(shù)據(jù)處理程序 234.4通信模塊 244.5鍵盤和顯示模塊程序 264.6本章小結(jié) 275.系統(tǒng)誤差分析 275.1誤差分析 27結(jié)論 28參考文獻(xiàn) 29致謝 31附錄 32基于DSP的智能電力參數(shù)測(cè)試儀的研究摘要電力參數(shù)的準(zhǔn)確、快速測(cè)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的意義。近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種非線性負(fù)載在生產(chǎn)和生活中得到廣泛應(yīng)用，這些負(fù)載的非線性、沖擊性和不平衡性使電網(wǎng)供電質(zhì)量曰趨惡化，電力參數(shù)已成為人們掌握供電線路狀態(tài)和評(píng)價(jià)供電質(zhì)量的重要指標(biāo)。采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行電力參數(shù)的測(cè)量，在提高測(cè)量精度、實(shí)時(shí)性和智能化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文首先對(duì)電力參數(shù)測(cè)試儀的發(fā)展?fàn)顩r和背景做了綜述。對(duì)頻率、諧波、電壓和電流有效值及其他電力參數(shù)測(cè)量原理進(jìn)行了詳細(xì)的理論闡述。本文頻率測(cè)量方法是硬件測(cè)量法。對(duì)于功率的測(cè)量，本文采用間接測(cè)量算法。接下來(lái)，對(duì)基于DSP的電力參數(shù)測(cè)量?jī)x器的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹。儀器整體分為兩大部分：數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)系統(tǒng)。其中硬件部分主要包括信號(hào)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分電路、處理器及外圍電路、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、鍵盤顯示電路。采用TI公司的TMS320VC5502芯片作為主處理器。軟件部分主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等模塊。該裝置可用來(lái)測(cè)量單相、三相交流電路的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功和無(wú)功功率、視在功率等參量；可對(duì)諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量及分析。最后，通過(guò)對(duì)裝置進(jìn)行誤差分析，基本達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞：電力參數(shù)；頻率；諧波分析；DSPAbstractItisverysignificantthataccurateandquickmeasurementoftheelectricpowerparameterforrealizingtheautomationofpowernetworkdispatchingandguaranteeingthesafeoperationofpowernetwork．Withthedevelopmentofmodempowerelectronictechnology,nonlinearloadsareextensivelyappliedinproductionandlife．Theirnonlinearity,impactandimbalancemakepowerqualitywoPseandworse．Electricpowerparametersbecomeveryimportantforpeopletograsppowersupplylinestateandappraiseelectricquality．Measuringelectricpowerparametersbydigitalsignalprocessingtechnologyhassuperiorityinimprovingmeasurementprecisionandreal-timeperformance．Atthesametime，digitizationmeasurementmakesthemeasurementsystemmoreintelligent．First,thispaperintroducesthedevelopmentstatusandbackgroundofelectricpowerparameterstestinstrumentoverall．ThepaperThisfrequencymeasurementmethodishardwaremeasuringmethod．Inharmonicanalysis．TheimprovementoffastFouriertransformthedualspectrumlinesinterpolationmethod.Thispaperadoptstheindirectmeasurementalgorithmforthereactivepowermeasurementthroughthecomparisonofsimulationresults．ThentheoveralldesignschemefortheelectricpowerparameterstestinstrumentbasedonDSPisintroduced．Theinstrumentconsistsoftwomainparts：dataacquisitionandprocessingsystem，datadisplayandstoragesystem．Thispapermostlycompletethehardwareandsoftwaredesignofthedataacquisitionandprocessingsystem．Thehm-dwarepartSignalacquisitioncircuit、mostlyincludesADCcircuit，processorandperipheralcircuit，TMS320VC5502whichistheproductofTIisadoptedasthemainprocessor,Thesoftwarepartmostlyconsistsofmainprogram，dataacquisition，dataprocessingandcommunicationmodule’sproceduredesign．Thisinstrumenttailmeasurevoltage，current，frequency，powerfactor,activepowerandreactivepower，apparentpoweretc．Itcanrealizereal—timemeasurementandanalysisofharmonic.Finally，Throughtheanalysisofthewholesimulationdevice,thebasicdesignofthedesiredgoal．Keywords：ElectricPowerParameter；Frequency；HarmonicAnalysis；DSP第1章：緒論1.1課題的目的與意義通過(guò)本課題的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)方向分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。掌握基于DSP的智能電力參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方法1.2課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望目前國(guó)內(nèi)外電力參數(shù)測(cè)量的基本情況在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，電能的質(zhì)量越來(lái)越受到重視。電網(wǎng)的電流、電壓過(guò)低過(guò)高。均可能影響電器設(shè)備的正常使用功效及設(shè)備壽命，嚴(yán)重的還會(huì)危及人身安全。應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電力參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量功能，在變電站一級(jí)一般都由遠(yuǎn)動(dòng)裝RTU(RemoteTerminalUnit)來(lái)實(shí)現(xiàn)；而在普通應(yīng)用環(huán)境中由于側(cè)重于電量的計(jì)量功能則多采用電能表來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要是通過(guò)將有功功率對(duì)時(shí)間積分的方式進(jìn)行有功電能的計(jì)量。目前，在我國(guó)得到廣泛使用的電能表有兩種：一種是感應(yīng)式機(jī)械電能表，它是利用三個(gè)不同空間和相位的磁通建立起來(lái)的交變的移進(jìn)磁場(chǎng)，在這個(gè)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，這個(gè)感應(yīng)電流使得轉(zhuǎn)盤總是朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)蝸桿傳遞到計(jì)數(shù)器，累計(jì)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)，從而達(dá)到計(jì)量電能的目的。另一種是近幾年隨著電子工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的電子式電能表，它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件而產(chǎn)生電能輸出量的電能計(jì)量?jī)x表。機(jī)械式電能表由于自身的機(jī)械特性導(dǎo)致其穩(wěn)定性和精度都不盡人意，隨著電力市場(chǎng)化改革的不斷深入，我國(guó)的國(guó)電網(wǎng)、省電網(wǎng)在各級(jí)電能計(jì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)中，大部分已將其更新為電子式電能表。結(jié)合電力市場(chǎng)運(yùn)作和管理的實(shí)際需要，當(dāng)前電能量計(jì)量?jī)x器的測(cè)量已經(jīng)從簡(jiǎn)單的有功電度和無(wú)功電度測(cè)量發(fā)展到測(cè)量電壓(相電壓／平均值)、電流(相電流／平均值1、功率因數(shù)、工頻頻率、無(wú)功功率、視在功率、單相或雙向電能量、預(yù)測(cè)／熱需求、諧波、對(duì)稱分量，以及其它電力參數(shù)值的測(cè)量，如相序轉(zhuǎn)換、電壓／電流非平衡、分時(shí)段。而完成的功能也由傳統(tǒng)的計(jì)量發(fā)展到多條記錄存儲(chǔ)、可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量(有線或無(wú)線)等。目前市面上的一些智能型的電力參數(shù)測(cè)試儀，多采用一片普通單片機(jī)cPu(往往是8位機(jī))，同時(shí)完成電力參數(shù)的計(jì)算和整個(gè)儀表系統(tǒng)的管理任務(wù)，再加上輸入變換、A／D轉(zhuǎn)換以及字長(zhǎng)等諸多環(huán)節(jié)的影響，致使儀器的整體精度和準(zhǔn)確度越來(lái)越不能滿足日益提高的性能要求。還有一些廠家采用模擬／數(shù)字變換型電能測(cè)量專用芯片(如AD公司的AD7755系列芯片和ATMEL公司的AT73C501芯片組)開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，雖然在電能計(jì)量上取得了很好的精確度，但整體應(yīng)用范圍較窄，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能的多樣性，移植性較差，對(duì)于高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理也不適合。DSP技術(shù)的高速發(fā)展為電力參數(shù)測(cè)試技術(shù)帶來(lái)了新的變革，特別是在電力系統(tǒng)電壓和電流的高次諧波的測(cè)量和分析，非正弦情況下的有功電能和無(wú)功電能的計(jì)量方面，DSP的應(yīng)用成為了目前電力參數(shù)測(cè)試儀器開(kāi)發(fā)的最新趨勢(shì)我國(guó)雖然引進(jìn)了國(guó)外一些多功能電力參數(shù)測(cè)試儀器，但其在功能、價(jià)格、維護(hù)等方面不能完全適合我國(guó)現(xiàn)階段的需要，因此迫切需要一種高質(zhì)量、高可靠性、功能齊全、價(jià)格低廉的多功能電力參數(shù)測(cè)試儀。近幾年來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷問(wèn)世，使開(kāi)發(fā)新式多功能電力參數(shù)測(cè)試儀成為可能。本課題的研究工作就是在此背景下展開(kāi)的。1.3本論文的研究?jī)?nèi)容本文主要針對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)供配電的實(shí)際情況，在分析電力參數(shù)測(cè)試儀器的現(xiàn)狀和傳統(tǒng)測(cè)試儀器存在的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出一個(gè)基于DSP的電力參數(shù)綜合測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)多種電力參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量。該裝置可用來(lái)測(cè)量單相、三相交流電路的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功和無(wú)功功率、視在功率等參量；可對(duì)諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量及分析。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括：1、分析電力參數(shù)測(cè)試儀器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，指出開(kāi)展電力參數(shù)綜合測(cè)試儀器研究的重要意義。2、對(duì)諧波測(cè)量的方法進(jìn)行深入的分析和討論，提出用雙譜線插值算法進(jìn)行諧波分析，3、研究分析其他各參數(shù)的測(cè)量方法，4、進(jìn)行基于DSP的軟、硬件設(shè)計(jì)。5、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析。第2章電力參數(shù)測(cè)量原理2.1電壓電流有效值的測(cè)量若以采樣周期對(duì)瞬時(shí)電壓、電流在一個(gè)采樣周期內(nèi)采樣N個(gè)點(diǎn)，則離散的電壓電流有效值的計(jì)算方法如下電壓有效值：（2.1）電流有效值：（2.2）式中：N一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)U、I電壓、電流有效值、電壓、電流瞬時(shí)采樣值2.2頻率的測(cè)量頻率是指單位時(shí)間內(nèi)事物周期性運(yùn)動(dòng)的次數(shù)。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，負(fù)荷功率的增減，發(fā)電機(jī)出力的變動(dòng)不斷發(fā)生，系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)的頻率產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)，這是一種企求系統(tǒng)能量均衡的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在不破壞系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，在各節(jié)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)，不易覺(jué)察到波動(dòng)的差異。從概率統(tǒng)計(jì)的意義上，各節(jié)點(diǎn)的頻率是相等的，并在作同步的變化。在此條件下，任一點(diǎn)測(cè)得的頻率，均為系統(tǒng)頻率。電力系統(tǒng)頻率一方面作為衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)，需要加以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，另一方面作為實(shí)施安全穩(wěn)定控制的重要狀態(tài)反饋量，要求能實(shí)旄重構(gòu)。另外，頻率同步也是實(shí)現(xiàn)高精度諧波分析的重要措施之一。本文采用的測(cè)頻方法是硬件測(cè)頻法，它的實(shí)質(zhì)就是周期法。首先，需要專門測(cè)頻電路，首先采用前置低通濾波器，濾除電壓(電流)信號(hào)中的諧波分量，以避免測(cè)量結(jié)果受到諧波的影響，增加了硬件投資。它存在一定的缺陷，但實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，計(jì)算機(jī)計(jì)算量小。本設(shè)計(jì)將三相電壓電流6路信號(hào)中的一路電壓信號(hào)送入到過(guò)零比較器得到與電壓信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)輸出，由DSP的捕獲腳捕獲信號(hào)上升沿，利用系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)算出兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間，從而計(jì)算出頻率。信號(hào)周期，將信號(hào)周期N等分，就可得到信號(hào)的采樣間隔，從而實(shí)現(xiàn)采樣頻率對(duì)系統(tǒng)頻率的跟蹤。2.3基于傅立葉變換的諧波分析法快速傅立葉算法理論比較成熟，是目前諧波測(cè)量中最基本的方法。針對(duì)FFT算法存在的柵欄效應(yīng)和頻譜泄露現(xiàn)象造成的測(cè)量誤差，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)抑制泄露現(xiàn)象，也可以根據(jù)所選窗函數(shù)的形式對(duì)幅值和相位進(jìn)行插值修正，在一定程度上彌補(bǔ)柵欄效應(yīng)造成的誤差。本文采用在對(duì)加窗后進(jìn)行插值的雙譜線插值算法，該方法能極大地提高FFT計(jì)算的精度，從而滿足諧波測(cè)量中對(duì)諧波參數(shù)的精度要求。2.3.1算法原理設(shè)一個(gè)頻率為、幅值為A、初相位為的單一頻率信號(hào)x(t)，在經(jīng)過(guò)了采樣頻率為的模數(shù)變換后得到如下的形式的離散信號(hào)：（2.3）如果所加窗函數(shù)的時(shí)域形式為w(n)，其連續(xù)頻譜w(f)，則加窗后該信號(hào)的連續(xù)傅立葉變換為：（2.4）如果忽略負(fù)頻點(diǎn)-處頻峰的影響，在正頻點(diǎn)處附近的連續(xù)頻譜函數(shù)可以表達(dá)為：（2.5）對(duì)上式進(jìn)行離散抽樣，即可得到它的離散傅立葉變換的表達(dá)式為：（2.6）式中離散頻率間隔為，N是數(shù)據(jù)截?cái)嗟拈L(zhǎng)度。峰值頻率很難正好位于離散譜線頻點(diǎn)上，也就是說(shuō)一般不是整數(shù)。設(shè)峰值點(diǎn)左右兩側(cè)的譜線分別為第和條譜線，這兩條譜線也應(yīng)該是峰值點(diǎn)附近幅值最大和次最大的譜線。顯然，在離散頻譜中找到這兩條譜線，從而可確定和令這兩條譜線幅值分別是和則由式(2.6)可知：（2.7）由于，所以可引入一個(gè)輔助參數(shù)口。顯然，的數(shù)值范圍是，它是以原點(diǎn)為對(duì)稱的。這樣，將式（2.7）經(jīng)過(guò)變量代換和改寫后，可以得到：（2.8）令，并且當(dāng)N較大時(shí)，式（2.8）一般可簡(jiǎn)化為，其反函數(shù)記為。當(dāng)窗函數(shù)w（n）為實(shí)系數(shù)時(shí)，其幅頻響是偶對(duì)稱的，因而函數(shù)及其反函數(shù)是奇函數(shù)。計(jì)算可以采用多項(xiàng)式逼近方法。多項(xiàng)式逼近是一種近似計(jì)算復(fù)雜連續(xù)函數(shù)值的數(shù)值方法。通過(guò)控制多項(xiàng)式逼近的次數(shù)，可以有效地控制逼近的精度。而且，隨著硬件乘法器在微處理器中的廣泛應(yīng)用，多項(xiàng)式逼近的計(jì)算公式易于采用程序代碼實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用切比雪夫多項(xiàng)式逼近奇函數(shù)時(shí)，所求多項(xiàng)式的偶次項(xiàng)系數(shù)將為0，這樣就進(jìn)一步減少了乘法計(jì)算量。在對(duì)幅值進(jìn)行修正時(shí)，直接對(duì)和兩根譜線進(jìn)行加權(quán)平均，從而計(jì)算出實(shí)際的峰值點(diǎn)的幅值。其計(jì)算公式為：（2.9）式（2.9）中對(duì)兩根譜線采用的權(quán)重與各自的幅值成正比。對(duì)于一般的實(shí)系數(shù)窗函數(shù)，當(dāng)N較大時(shí)，式（2.9）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為的形式，其中是偶函數(shù)。如果采用多項(xiàng)式逼近求出函數(shù)的近似計(jì)算公式，結(jié)果中將不含有奇次項(xiàng)。這樣修正算法的計(jì)算公式可改寫為：（2.10）式中，為多項(xiàng)式的偶次項(xiàng)系數(shù)。由于在尋找插值點(diǎn)時(shí)用到了峰值點(diǎn)附近的兩條譜線，因此稱該方法為雙譜線插值算法。當(dāng)采用一些典型的窗函數(shù)時(shí)，可由上述的多項(xiàng)式逼近和雙譜線修正算法推導(dǎo)出幅值、相位的簡(jiǎn)單實(shí)用的修正公式。由于本裝置采用加漢寧窗的修正算法，現(xiàn)把加漢寧窗的修正公式列出：（2.11）2.4功率的測(cè)量對(duì)于功率的計(jì)算包括有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)的計(jì)算，功率的測(cè)量.在正弦波情況下，有功功率為:（2.12）其中：U、I電壓和電流的有效值，功率因數(shù)。而在存在諧波的非正弦情況F，有功功率定義為：（2.13）經(jīng)離散化后，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓和電流瞬時(shí)值來(lái)代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓和電流函數(shù)值，則單相有功功率離散化后得：（2.14）其中：P有功功率N個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)、電壓、電流瞬時(shí)采樣值三相總的有功功率為各單相有功功率之和:（2.15）單相視在功率的測(cè)量：（2.16）其中：U、I電壓、電流有效值視在功率為各單相視在功率之和：(2.17)無(wú)功功率為：（2.18）根據(jù)已經(jīng)所得的有功功率和視在功率，可得功率因數(shù)：（2.19）2.5本章小結(jié)本章主要從理論上分析了本裝置所需測(cè)量的電壓／電流有效值、功率等的測(cè)量原理，并給出了具體計(jì)算公式。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)電力參數(shù)綜合測(cè)試儀的總體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：圖3.1總體結(jié)構(gòu)圖整個(gè)系統(tǒng)分為兩大部分：數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)從電網(wǎng)中采集各種數(shù)據(jù)，完成各種數(shù)據(jù)處理工作。數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)系統(tǒng)主要完成測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)工作。兩部分之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)中最為重要的一部分，儀器的絕大部分測(cè)試功能都依靠這一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由一片DSP(TMS320VC5502)，結(jié)合眾多的外圍接口芯片組成的，它主要有以下幾個(gè)模塊組成：處理器模塊：由DSP芯片TMS320VC5502及相應(yīng)的外圍電路組成，主要用來(lái)控制數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)處理工作。信號(hào)調(diào)理模塊：由電壓電流互感器、濾波電路、換檔電路等組成，主要完成信號(hào)的變換和調(diào)理。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：由A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364組成，該模塊主要用于實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)參數(shù)。存儲(chǔ)器模塊：由SDRAM芯片HY57v6432200CT和FLASH芯片39VF400A組成。該模塊主要用于擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，存放程序代碼和數(shù)據(jù)。RS-232通訊模塊：由電平轉(zhuǎn)換芯片以及相應(yīng)的外圍電路組成。該模塊主要用于數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的通訊。鍵盤和顯示電路:是人工干預(yù)系統(tǒng)的主要手段，與顯示器同屬人機(jī)通信部分。3.2信號(hào)采集部分設(shè)計(jì)3.2.1電壓和電流的檢測(cè)與調(diào)理電路電壓和電流的檢測(cè)與調(diào)理電路的主要功能是把互感器輸出的mA級(jí)弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成適合DSP采樣的電壓信號(hào)?；ジ衅鳂?gòu)成了信號(hào)檢測(cè)部分，電壓?jiǎn)卧獮殡妷夯ジ衅鱌T，電流單元為電流互感器CT，具體電路如圖3.2和圖3.3所示。下面說(shuō)明電流采樣電路，電壓采樣電路和電流采樣電路類似，在這里就不多做說(shuō)明了。由電流互感器副邊輸出的是交流信號(hào)，存在正負(fù)特性。此電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻采樣后轉(zhuǎn)化為-3.3V～+3.3V之間的電壓信號(hào)，由于所用的A／D轉(zhuǎn)換器是單極性的，而電流檢測(cè)信號(hào)是雙極性的，故交流模擬量信號(hào)在經(jīng)過(guò)電流、電壓轉(zhuǎn)換后，還要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓為+3.3V，因此偏移電壓取1.65V，使得偏移后的信號(hào)范圍在0至+3.3V之間。再把信號(hào)送入到A／D轉(zhuǎn)換口。圖3.2電流采樣電路圖3.3電壓采樣電路3.2.2頻率測(cè)量電路由于系統(tǒng)的測(cè)量是通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行周期采樣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此其準(zhǔn)確性不僅來(lái)源于采樣的準(zhǔn)確性還來(lái)源于系統(tǒng)頻率測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此加入測(cè)頻電路是必不可少的。測(cè)頻電路設(shè)計(jì)如圖3.4所示：選擇三相電壓電流6路信號(hào)的其中一路作為基準(zhǔn)進(jìn)行跟蹤，這里選擇1路電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前端由LM324構(gòu)成的射極跟隨器，射極跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，然后通過(guò)由LM339構(gòu)成的過(guò)零比較電路將其轉(zhuǎn)換成與電壓信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)以采集頻率信息。圖3.4頻率測(cè)量電路3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度與A／D轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)有很大關(guān)系，A／D轉(zhuǎn)換器是整個(gè)數(shù)字電路的核心器件，在整個(gè)電氣測(cè)量系統(tǒng)中占有重要地位，因此必須首先合理地選擇A／D轉(zhuǎn)換器。眾所周知，A／D轉(zhuǎn)換器的種類繁多，性能各異，主要包括以下幾種：雙斜積分型、逐次逼近型和閃電式A／D轉(zhuǎn)換器。其中閃電式A／D轉(zhuǎn)換器速度最快，價(jià)格也最昂貴，但閃電式AD轉(zhuǎn)換器通常準(zhǔn)確度、分辨率不高，不宜用在高準(zhǔn)確度采樣系統(tǒng)；雙斜積分型準(zhǔn)確度高、價(jià)格低廉，但速度最慢；逐次逼近型居中，速度較快、價(jià)格適中、準(zhǔn)確度較高，它的優(yōu)點(diǎn)是能保證高分辨率、高速轉(zhuǎn)換。這得益于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)上述分析，在此選用逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。而選擇AD轉(zhuǎn)換器需要先確定AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)及信號(hào)的采樣頻率，所以在設(shè)計(jì)硬件電路之前需要確定這兩個(gè)參數(shù)的理論值。由于要研制的測(cè)試儀器電壓電流的測(cè)試精度預(yù)計(jì)達(dá)到0.05％RG(量程)，所以A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)至少要達(dá)到12位。同時(shí)，本裝置在設(shè)計(jì)中，需要在5個(gè)周波中采樣1024個(gè)點(diǎn)，采樣頻率需要大于10500Hz。我們要檢測(cè)的信號(hào)包括三相電壓、三相電流共6路，在監(jiān)測(cè)中，除了要知道每路信號(hào)值的大小之外。還要知道信號(hào)彼此之間的相位關(guān)系，這就要求采用同步采樣技術(shù)來(lái)獲得準(zhǔn)確的信息。同步采樣也是信號(hào)頻譜分析的前提條件。同步采樣模塊一般采用多個(gè)采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和高速分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換囂來(lái)構(gòu)成，這樣構(gòu)成硬件開(kāi)銷很大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且同步效果不一定理想，如果能找到合適的A／D轉(zhuǎn)換芯片，具有6通道，且6通道能夠同時(shí)采樣，則可以省去多個(gè)采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，使設(shè)計(jì)工作大為簡(jiǎn)化，且使準(zhǔn)確度得到保證。綜合以上因素考慮，我們選擇了非常適合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的ADS8364數(shù)據(jù)采集芯片。ADS8364為250kHz、6通道同步采樣的16位逐次逼近ADC，是TI公司專為同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高速、低功耗A／D轉(zhuǎn)換芯片。ADS8364有6個(gè)模擬輸入通道，分為A、B、C三組，每組包括2個(gè)通道，分別由HOLDA、HOLDB和HOLDC啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。當(dāng)三個(gè)保持信號(hào)同時(shí)被選通時(shí)，六通道同步采樣。模擬電源為單+5V供電，將ADS8364的REFin和REFout引腳接到一起可以輸出+2．5V的參考電壓提供給差分電路。ADS8364的時(shí)鐘信號(hào)由外部提供，轉(zhuǎn)換時(shí)間為20個(gè)時(shí)鐘周期，最高頻率為5MHz，在5MHz的時(shí)鐘頻率下ADS8364轉(zhuǎn)換時(shí)間為3.2us，相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間為0.8us，每個(gè)通道的總的轉(zhuǎn)換時(shí)間為4us，A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC。數(shù)字電源供電電壓為3V～5V，既可以與3.3V供電的微控制器接口，也可以與5V供電的微控制器接口。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果為16位，數(shù)據(jù)輸出方式很靈活，分別由BYTE、ADD與地址線A2A1A0的組合控制。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取方式有三種：直接讀取、循環(huán)讀取和FIFO方式。根據(jù)BYTE為0或者為1可確定每次讀取時(shí)得到的數(shù)據(jù)位數(shù)，根據(jù)ADD為O或者為1可確定第一次讀取的是通道地址信息還是通道A／在本系統(tǒng)中，模擬信號(hào)采用差分輸入方式，要滿足雙極性輸入就需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，由于采樣時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了電平轉(zhuǎn)換。所以可以直接輸入到AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。由于ADS8364與TMS320VC5502都是，TI公司提供的高速芯片，兩者在速度上能夠完全匹配，實(shí)現(xiàn)芯片間的無(wú)縫連接。ADS8364的BYTE和ADD引腳都接地，因此選擇16位數(shù)據(jù)輸出方式，并且對(duì)每個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取通過(guò)地址線A2、A1、A0來(lái)選擇。ADS8364的REFIN和REFOUT引腳接到一起輸出+2．5V的參考電壓。ADS8364采用+5V模擬電源(AVDD)和數(shù)字電源(DVDD)。為了實(shí)現(xiàn)ADS8364六個(gè)通道的同步采樣，ADS8364的A、B、C三組啟動(dòng)控制信號(hào)HOLDA、HOLDB和HOLDC接在一起，由TMS320VC5502的定時(shí)器O的輸出信號(hào)統(tǒng)一控制，只要定時(shí)時(shí)間到就可以同時(shí)啟動(dòng)ADS8364的六個(gè)通道，從而實(shí)現(xiàn)六通道的同步采樣。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC通過(guò)FPGA引入TMS320VC5502的中斷引腳INT0上，每一次轉(zhuǎn)換完后就引發(fā)TMS320VC5502中斷，VC5502在中斷服務(wù)程序中讀取16位轉(zhuǎn)換結(jié)果。3.4處理器部分設(shè)計(jì)由于本裝置在測(cè)量中，大量使用乘法累加運(yùn)算，如有效值運(yùn)算、功率計(jì)算、FFT變換等，選用一般的51系列單片機(jī)是無(wú)法勝任的，又因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中沒(méi)有復(fù)雜的控制功能，因而選用了適合于高速數(shù)據(jù)運(yùn)算的TI公司的55xx系列DSP中的TMS320VC5502作為主處理器。TMS320VC55X是TI公司推出的新一代定點(diǎn)DSP芯片，TMS320VC5502就是基于這一代CPU處理核的定點(diǎn)DSP芯片。它通過(guò)提高并行性及降低片內(nèi)資源的功耗達(dá)到高性能低功耗的目的。CPU的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)由一條程序總線，三條數(shù)據(jù)讀總線，兩條數(shù)據(jù)寫總線及用于外設(shè)和DMA控制器的總線構(gòu)成。這些總線使得C55x能在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)完成三次數(shù)據(jù)讀操作和兩次數(shù)據(jù)寫操作。3.4.1TMS320VC5502的主要外設(shè)TMS320VC5502內(nèi)部集成了許多外圍設(shè)備，以便于控制與片外的存儲(chǔ)器、協(xié)處理器、主機(jī)及串行設(shè)備的通信。其主要外設(shè)包括：(1)外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)(2)通用異步接受／發(fā)送器(UART)(3)C控制接口(4)主機(jī)接口(HPI)(5)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)控制器(6)三個(gè)全雙工的多通道緩沖串口(MCBSP)(7)四個(gè)定時(shí)器(8)片內(nèi)可編程鎖相環(huán)（PLL）時(shí)鐘發(fā)生電路(9)多個(gè)通用FO引腳和一個(gè)輸出引腳XF其中EMIF支持對(duì)異步存儲(chǔ)器，如EZPROM，SRAM，及高速同步存儲(chǔ)器SDRAM的無(wú)縫連接。MCBSP支持對(duì)一系列工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行設(shè)備的無(wú)縫連接。DMA控制器獨(dú)立于CPU工作，為數(shù)據(jù)移動(dòng)提供六個(gè)獨(dú)立的通道。HPI是一個(gè)8／16位的并行接口，可訪問(wèn)C5502內(nèi)部存儲(chǔ)器的32K字，HPI支持對(duì)一系列主處理器的無(wú)縫連接。3.4.2TMS320VC5502芯片的主要特性如下．(1)200／300MHZ的時(shí)鐘周期，每個(gè)周期可以執(zhí)行一條或兩條指令。(2)兩個(gè)MAC單元，一個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行兩次乘累加運(yùn)算。(3)一個(gè)40bit的ALU，執(zhí)行高精度的算術(shù)邏輯運(yùn)算。(4)一個(gè)16bit的ALU，與40比特的ALU并行運(yùn)算。(5)一個(gè)40bit的桶狀移位器，可以將結(jié)果左移31bit或右移32bit。(6)四個(gè)40bit的累加器，保留計(jì)算的結(jié)果。(7)16K字節(jié)的指令緩沖區(qū)。(8)32Kxl6bit的片內(nèi)RAM，分為8塊4K×16bit的雙訪問(wèn)RAM(9)16Kxl6bit的片內(nèi)ROM，支持多種自舉裝載模式。(10)8M×16bit的最大可訪問(wèn)外部存儲(chǔ)空間。(11)32bit的外部并行總線存儲(chǔ)器，支持外部存儲(chǔ)器接口。(12)可編程的省電模式，各個(gè)模塊可獨(dú)立編程。(13)3.3V的I／0電壓，1.26V的內(nèi)核電壓。3.5外部存儲(chǔ)器電路的設(shè)計(jì)在進(jìn)行DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)外部存儲(chǔ)器接口的設(shè)計(jì)很重要，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)資源的空間分配。本系統(tǒng)擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器包括SDROM和FLASH。EMIF(ExternalMemoryInterface)是外部存儲(chǔ)器和TMS320VC5502片內(nèi)其他單元間的接口，CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器的時(shí)候必須通過(guò)EMIF。TMS320VC5502內(nèi)外空間都統(tǒng)一編址，整個(gè)EMIF空間分為四個(gè)部分CE0--CE3，每個(gè)CE空間彼此獨(dú)立，可以進(jìn)行不同的訪問(wèn)控制，每個(gè)空間的大小為4M字節(jié)片內(nèi)的存儲(chǔ)器自動(dòng)跳過(guò)。設(shè)計(jì)中將SDRAM配置在CE2和CE3空間，將CEl空間分配給FLASH用。3.5.1SDRAM接口電路設(shè)計(jì)SDRAM是SynchronousDynamicRAM的縮寫，即同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中同步技術(shù)的出現(xiàn)，使得讀寫速度從以往的60ns～70ns提升到了目前的6ns～7ns，提高了將近10倍，而且價(jià)格便宜，在需要選用大容量存儲(chǔ)器時(shí)，它的性價(jià)比非常高。本系統(tǒng)中采用SDRAM作為外接存儲(chǔ)器之一，它是DSP單元存儲(chǔ)A／D轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算輸出的中間及最終結(jié)果的場(chǎng)所。在DSP上電后需要對(duì)SDRAM進(jìn)行自檢，以避免SDRAM單元出錯(cuò)造成以后監(jiān)測(cè)儀工作不正?；驍?shù)據(jù)出錯(cuò)。本系統(tǒng)中選用的SDRAM為HYNIX公司的HY57V643220CT，芯片容量是2Mx32位，覆蓋TMS320VC5502的CE2和CE3子空間。它具有以下特點(diǎn)：1）最高工作頻率高達(dá)166MHz；2)標(biāo)準(zhǔn)3.3V供電；3)32位數(shù)據(jù)總線：4)管腳可與1]阻器件兼容；由于同步動(dòng)態(tài)RAM是通過(guò)EMIF接口與DSP進(jìn)行連接的，工作時(shí)的時(shí)鐘脈沖由DSP提供，TMS320vC5502的最高時(shí)鐘頻率為200MHz，EMIF接口提供的最高頻率是1OOMHz，從這一點(diǎn)來(lái)看，HY57V643220的166MHz是完全達(dá)到要求的。3.5.2FLASH接口電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是一個(gè)需要脫機(jī)運(yùn)行的DSP系統(tǒng)，用戶代碼需要在加電后自動(dòng)裝載運(yùn)行。DSP系統(tǒng)的引導(dǎo)裝載(Bootload)是指在系統(tǒng)加電時(shí)，DSP將一段存儲(chǔ)在外部的非易失性存儲(chǔ)器的代碼移植到內(nèi)部的高速存儲(chǔ)器單元中去執(zhí)行。這樣既利用了外部的存儲(chǔ)單元擴(kuò)展DSP本身有限的ROM資源，又充分發(fā)揮了DSP內(nèi)部資源的效能。盡管用戶代碼在一段時(shí)間相對(duì)是固定的，但是如果直接將其掩膜到內(nèi)部ROM中去的話，一方面受容量以及價(jià)格的限制，另一方面在系統(tǒng)軟件升級(jí)上顯得不是很靈活方便。FLASH是一種高密度、非易失性的電可擦寫存儲(chǔ)器，而且單位存儲(chǔ)比特的價(jià)格比傳統(tǒng)的EPROM要低，十分適合于低功耗、小尺寸和高性能的便攜式系統(tǒng)。除了可以采用專用的硬件編程器把代碼灌入FLASH中之外，也可以利用現(xiàn)成的DSP通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的功能。系統(tǒng)中選用的Flash存儲(chǔ)器是SST39VF400A，該芯片的容量是256Kx16bit，它是一種低電源電壓芯片，工作電壓為3.3V，速度是70ns，數(shù)據(jù)保存時(shí)間超過(guò)100年，它具有容量大、掉電后數(shù)據(jù)不丟失、可在線快速讀寫、可整片或者分頁(yè)擦除等特點(diǎn)。3.6通信接口部分設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，本文設(shè)計(jì)RS-232通信接口，主要完成數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的通信。本儀器選用的DSP芯片TMS320VC5502中帶有通用異步串行通信。由于數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)系統(tǒng)的控制器是工控機(jī)，采用的是232電平，而數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)采用的是TTL電平，兩者之間不能直接進(jìn)行通訊，這里我們采用MAX232芯片來(lái)完成電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片是常用的RS-232C與TTL電平轉(zhuǎn)換芯片，它的內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需+5V電源便可實(shí)現(xiàn)RS-232C與TTL電平轉(zhuǎn)換，使用起來(lái)十分方便，一個(gè)芯片可連接兩對(duì)收，發(fā)信號(hào)線，接口電路如下圖圖3.5通信接口電路3.7鍵盤和顯示部分設(shè)計(jì)3.7.1鍵盤電路設(shè)計(jì)鍵盤在人機(jī)交互系統(tǒng)中是一個(gè)很重要的部分。輸入數(shù)據(jù)、查詢和控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，都要用到鍵盤。鍵盤是最簡(jiǎn)單的輸入設(shè)備，是人工干預(yù)計(jì)算機(jī)的主要手段，與顯示器同屬人機(jī)通信部分。鍵盤的工作方式一般有程序控制掃描方式、定時(shí)掃描方式和中斷掃描方式3種。在本文的設(shè)計(jì)中，根據(jù)具體應(yīng)用情況，選擇了矩陣式鍵盤，鍵盤的工作方式選擇了程序控制掃描方式。程序控制掃描方式是利用處理器在完成其它工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序，來(lái)響應(yīng)鍵輸入要求。在執(zhí)行鍵功能程序時(shí)，處理器不再響應(yīng)鍵輸入要求。程序控制掃描程序一般應(yīng)具備下述幾個(gè)功能：①判斷鍵盤上有無(wú)鍵按下；②去除鍵的抖動(dòng)影響；⑧掃描鍵盤，得到按下鍵的鍵號(hào)。在選用了矩陣式鍵盤系統(tǒng)中的程序控制掃描方式之后，所設(shè)計(jì)的矩陣鍵盤電路如圖3.6所示。圖3.63x3矩陣鍵盤接口電路圖中行線IOPE4～I(xiàn)OPE6通過(guò)3個(gè)上拉電阻接電源端VCC，處于輸入狀態(tài),稱為輸入口；IOPEI～I(xiàn)OPE3控制鍵盤的列線電位作為鍵掃描口，處于輸出狀態(tài)。按鍵設(shè)置在行列線交叉點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。3.7.2顯示電路本系統(tǒng)采用SHARP公司的LM32019T型128·64圖形液晶顯示屏，其驅(qū)動(dòng)模塊是北京精電蓬遠(yuǎn)顯示技術(shù)有限公司制作的內(nèi)嵌SEDl335控制器的圖形液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊，液晶顯示屏由128×64點(diǎn)陣構(gòu)成，具有高分辨率、接口方便(5V或3.3V)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便(內(nèi)嵌控制器)、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，常常用于各種便攜式設(shè)備顯示前端。此設(shè)計(jì)中的液晶顯示模塊接口控制時(shí)序采用了8080時(shí)序，讀寫信號(hào)獨(dú)立，與VC5502A之間的接口電路如圖3.7所示。其中，VC5502的IOPB0～I(xiàn)OPB7用作數(shù)據(jù)接口，與液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)線DB0～DB7相連，完成與SEDl335問(wèn)的數(shù)據(jù)傳送；IOPA4與／WR相連，寫SEDl335時(shí)，置IOPA4為低；IOPA5與瓜D相連，讀SEDl335時(shí)，置IOPA5為低；IOPA6與／C時(shí)，置IOPA6為低；IOPA7與A0相連，通過(guò)對(duì)IOPA7寫O或1，與IOPA4和IOPA5配合來(lái)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)SEDl335接口部指令輸入緩沖器、數(shù)據(jù)輸入緩沖器、數(shù)據(jù)輸出緩沖器和標(biāo)志寄存器的訪問(wèn)。VOUT為液晶控制板上的DC-DC模塊輸出電壓(+26V)，V0為液晶顯示對(duì)比度調(diào)整電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電位器，可以調(diào)節(jié)液晶屏的顯示對(duì)比度。圖3.7液晶顯示接口電路3.8本章小結(jié)本文設(shè)計(jì)的電力參數(shù)測(cè)試儀采用模塊化設(shè)計(jì)，本章首先對(duì)整個(gè)電力參數(shù)測(cè)試儀硬件體系設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。然后在分析電力參數(shù)對(duì)硬件的要求下，對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示和通信系統(tǒng)等相關(guān)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較詳細(xì)的說(shuō)明。通過(guò)各模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力參數(shù)測(cè)試儀的硬件電路。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)主程序流程如圖4.1所示。程序首先完成一系列的初始化工作，然后啟動(dòng)定時(shí)器0，由定時(shí)器0啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換完成后由轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)觸發(fā)DSP中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取采樣數(shù)據(jù)；當(dāng)達(dá)到預(yù)定的采樣次數(shù)后，調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理子程序，進(jìn)行計(jì)算得出測(cè)量結(jié)果。當(dāng)上位計(jì)算機(jī)(數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)系統(tǒng))發(fā)出通訊命令時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)串行口中斷進(jìn)行接收，根據(jù)不同的命令，向上位計(jì)算機(jī)發(fā)送不同參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于采樣數(shù)據(jù)讀取中斷和串口接收中斷，中斷的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為采樣數(shù)據(jù)讀取中斷的優(yōu)先級(jí)高于串口接收中斷。按照中斷的概念，低優(yōu)先級(jí)中斷不能打斷高優(yōu)先級(jí)中斷，而高優(yōu)先級(jí)中斷可以隨時(shí)打斷低優(yōu)先級(jí)中斷。在安排上述兩個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)時(shí)，主要考慮到數(shù)據(jù)處理過(guò)程中用到的采樣數(shù)據(jù)必須是在一定的時(shí)間內(nèi)連續(xù)采樣得到的，采樣數(shù)據(jù)讀取過(guò)程不能被其他事件中斷：而串口接收中斷是用來(lái)接收上位機(jī)發(fā)送來(lái)的命令的，數(shù)據(jù)處理完成后系統(tǒng)根據(jù)接收到的命令向上位機(jī)傳送不同的計(jì)算結(jié)果。因此，把讀采樣數(shù)據(jù)中斷設(shè)為較高的優(yōu)先級(jí)。圖4.1主程序流程圖4.2數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由TMS320VC5502片上定時(shí)器0輸出觸發(fā)信號(hào)，作為AD轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)。轉(zhuǎn)換完成后，ADS8364的EOC引腳變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)TMS320VC5502的INT0中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在服務(wù)程序中讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。將讀回的轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在兩個(gè)緩沖區(qū)中，在中斷服務(wù)程序中，設(shè)置一個(gè)標(biāo)志FLAG，當(dāng)標(biāo)志為O時(shí)存放在緩沖區(qū)1中，為1時(shí)存放在緩沖區(qū)2中。中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，程序回到主循環(huán)。程序如圖4.2和4.3所示。圖4.2數(shù)據(jù)采樣流程圖圖4.3A/4.3數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)處理部分主要是對(duì)數(shù)據(jù)采集部分得到的離散信號(hào)進(jìn)行處理，運(yùn)用各種算法實(shí)現(xiàn)各電量參數(shù)的計(jì)算和分析。采樣數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4.4所示。時(shí)域的離散值計(jì)算主要實(shí)現(xiàn)電壓、電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等的計(jì)算。頻域的計(jì)算中，先計(jì)算頻率，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗處理，接下來(lái)完成諧波的計(jì)算。圖4.4數(shù)據(jù)處理模塊流程圖4.4通信模塊TMS320VC5502DSP芯片自帶有通用異步串行通信口，通信接口收發(fā)芯片使用的是MAX232。采用中斷方式接收上位機(jī)的命令，采用查詢方式向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理完成后，查詢發(fā)送標(biāo)志，如成立則根據(jù)不同的標(biāo)志向上位機(jī)傳送不同的測(cè)量數(shù)據(jù)，如不成立則跳過(guò)發(fā)送程序。接收和發(fā)送流程如圖4.5和4.6所示：圖4.5中斷接收流程圖圖4.6發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖異步通信中，數(shù)據(jù)發(fā)送端以固定的字符格式發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)字符包括1個(gè)起始位、5-8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1～2個(gè)停止位。每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸都是從起始位開(kāi)始，隨后是要傳送的數(shù)據(jù)，然后是奇偶校驗(yàn)位，最后是停止位，兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)的傳送可以有我們自己控制。在本儀器的串口通信設(shè)置中，采用8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位和奇校驗(yàn)的格式，波特率采用9600。4.5鍵盤和顯示模塊程序人機(jī)界面的設(shè)計(jì)也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的又一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)儀器人性化的一個(gè)關(guān)鍵部分。包括鍵盤與液晶顯示程序設(shè)計(jì)等。鍵盤與液晶顯示部分流程圖分別如圖4.7和4.8所示：圖4.7鍵盤掃描程序流程圖圖4.8液晶顯示程序流程圖4.6本章小結(jié)本章主要對(duì)裝置所用的軟件進(jìn)行了分析，系統(tǒng)在軟件上著力遵循模塊化設(shè)計(jì)原則。對(duì)于主要的程序在軟件論述中都有較詳細(xì)的流程圖。給出了主程序流程圖、數(shù)據(jù)采集和處理程序流程圖、通信流程圖和鍵盤與液晶顯示程序流程圖。第5章系統(tǒng)誤差分析5.1誤差分析測(cè)試儀器的精確度是衡量?jī)x器特性的主要指標(biāo)，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，它們存在于測(cè)量的各個(gè)環(huán)節(jié)之中。裝置的系統(tǒng)測(cè)量誤差主要來(lái)源于兩方面：硬件電路(包括電壓電流互感器、濾波電路、AD轉(zhuǎn)換器等)誤差和算法誤差?，F(xiàn)結(jié)合本儀器的結(jié)構(gòu)對(duì)誤差進(jìn)行分析。電壓電流互感器部分，為了保證測(cè)量精度，使測(cè)量的電壓和電流信號(hào)不失真對(duì)PT和CT的要求較高，要求其具有較好的頻率特性。這部分電路產(chǎn)生的誤差具有一定的非線性性質(zhì)。信號(hào)調(diào)理部分，這部分電路用來(lái)對(duì)經(jīng)電壓、電流互感器變換后的信號(hào)進(jìn)行加工和處理器件，主要有運(yùn)算放大器和各類電阻電容。這部分電路的誤差具有線性性質(zhì)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的精度主要取決于AD轉(zhuǎn)換器的分辨率。本裝置中模數(shù)轉(zhuǎn)換采用16位AD轉(zhuǎn)換器ADS8364，能分辨出滿刻度的O.0015％。軟件算法誤差，主要是在微處理器根據(jù)各種測(cè)量算法計(jì)算所需要的參數(shù)時(shí)產(chǎn)生的，主要取決于所選用的算法和處理器的性能。本裝置選用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5502完成數(shù)據(jù)處理工作，再加上精確嚴(yán)格的算法，可以將這一部分的誤差大幅度減小。因此，在AD轉(zhuǎn)換器的分辨率己較高，測(cè)量算法已經(jīng)較完善的情況下，系統(tǒng)的誤差主要存在于電壓電流互感器和信號(hào)調(diào)理電路環(huán)節(jié)中，嚴(yán)格的講，互感器的誤差具有非線性的性質(zhì)，但隨著鐵磁材料性能的改善和加工工藝質(zhì)量的提高，其非線性度也在不斷降低。這兩部分誤差均是由于元件參數(shù)和材料特性的離散性造成的。雖然它們都可以通過(guò)完善硬件電路、精選元件特性和利用可調(diào)元件進(jìn)行調(diào)整等方法來(lái)加以降低和消除，但需要較大的硬件開(kāi)銷、繁瑣的參數(shù)測(cè)試和調(diào)試，不適合批量生產(chǎn)?？梢钥紤]用軟件的方法來(lái)補(bǔ)償這些誤差。結(jié)論本文首先分析了電力參數(shù)測(cè)量?jī)x器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，簡(jiǎn)要介紹了目前電力參數(shù)測(cè)量?jī)x器研制過(guò)程中所采用的部分技術(shù)及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，將日益廣泛應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)處理芯片與數(shù)據(jù)處理算法有效地結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了基于DSP的智能電力參數(shù)測(cè)試儀。主要成果有：1、制訂了總體方案并加以論證。2、完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)選用TI公司的TMS320VC5502芯片作為數(shù)據(jù)處理核心，采用16位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，擴(kuò)展了外部存儲(chǔ)器(包括SDRAM和FLASH)。3、完成了相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和通信的功能，系統(tǒng)程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。程序使用了C語(yǔ)言編寫，使程序設(shè)計(jì)思路清晰、可讀性高，可移植性強(qiáng)，保證了執(zhí)行效率?；痉显O(shè)計(jì)要求。4、由于經(jīng)驗(yàn)和時(shí)間由限，還有許多方面需要完善和進(jìn)一步的研究。電參數(shù)測(cè)量?jī)x一般工作在電、磁干擾比較嚴(yán)重，多種干擾并存的復(fù)雜場(chǎng)，例如：本系統(tǒng)在硬件抗干擾和諧波處理方面存在著缺陷、由于時(shí)間問(wèn)題，軟件程序只編寫了A/D轉(zhuǎn)換的程序等

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致謝經(jīng)過(guò)將近半年的時(shí)間，畢業(yè)論文設(shè)計(jì)接近了尾聲。作為一個(gè)沒(méi)有任何設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的本科生來(lái)說(shuō)，本次的設(shè)計(jì)存在著許多考慮不周，需要進(jìn)一步完善的地方。首先我要感謝我的導(dǎo)師——xx老師，從外文翻譯、開(kāi)題報(bào)告、畢業(yè)設(shè)計(jì)正文的初稿到定稿，老師都很是細(xì)心的給我講解，糾正錯(cuò)誤。正是在他的悉心指導(dǎo)下，我才得以順利完成在畢業(yè)設(shè)計(jì)。在找工作上，老師也給予了我極大的支持和關(guān)心。老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、謙和的待人風(fēng)范使我非常敬佩。在此，向魏老師表示衷心的感謝。衷心地感謝所有給予我關(guān)心和幫助的老師、同學(xué)們，謝謝你們

附錄A/D轉(zhuǎn)換程序主程序：//寄存器cesi用于測(cè)試每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果#include“register.h”intADRESULT[16];//定義一個(gè)數(shù)組用于保存A/D結(jié)果volatileunsignedint*j;//定義一個(gè)指針變量jinti=0x00,cesi;//屏蔽中斷子程序voidinlinedisable（）{ asm("setcINTM");}//開(kāi)總中斷子程序voidinlineenable(){ asm("clrcINTM");}//系統(tǒng)初始化子程序voidinitial(){ asm("setcSXM");//符號(hào)位擴(kuò)展有效 asm("clrcOVM");//累加器中結(jié)果正常溢出 asm("clrcCNF");//B0被配置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 SCSR1=0x81fe;//CLKIN=6MHZ,CLKOUT=4CLKIN=24MHZ WDCR=0x0E8;//不使能看門狗，永軟件禁止看門狗 IMR=0x0001;//允許INT1中斷 IFR=0x0FFFF;//清楚全部中斷標(biāo)志，寫1清0}//A/D初始化子程序voidADINIT(){ T4CNT=0x0000;//T4計(jì)數(shù)器清0 T4CON=0x170C;//T4為連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，128分頻，且選用內(nèi)部時(shí)鐘源 T4PR=0x75;//設(shè)置T4的周期寄存器 GPTCONB=0x400;//T4周期中斷標(biāo)志出發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器 EVBIFRB=0x0FFFF;//清除EVB中斷標(biāo)志，寫1清0 ADCTRL1=0x010;//采樣時(shí)間窗口預(yù)定標(biāo)位ACQPS3~ACQPS0為0//轉(zhuǎn)換時(shí)間預(yù)定標(biāo)位CPS為0，A/D啟動(dòng)/停止模式，//排序器為連級(jí)工作方式，且禁止特殊的兩種工作模式 ADCTRL2=0x8404;//可以用EVB的一個(gè)事件信號(hào)觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換//且用中斷模式1 MAXCONV=0x0F;//16通道 CHSELSEQ1=0x3210; CHSELSEQ1=0x7654; CHSELSEQ1=0x0BA98; CHSELSEQ1=0x0FEDC;//轉(zhuǎn)換通道是0～15}//啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換子程序（通過(guò)啟動(dòng)定時(shí)器4的方式間接啟動(dòng)）voidADSOC(){ T4CON=T4CON|Ox40;//啟動(dòng)定時(shí)器4}//若是其他中斷，則直接返回子程序voidinterruptnothing(){ return;}//A/D中斷服務(wù)子程序voidinterruptadint(){ asm("clrcSXM");//抑制符號(hào)位擴(kuò)展 j=RESULT0;//取得RESULT0的地址 for(i=0;i<=15;i++,j++) { ADRECULT[i]=j>>6;//把A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果左移6位后存入規(guī)定的數(shù)組 cesi=ADRECULT[i];//檢驗(yàn)每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果 } ADCTRL2=ADCTRL2|0x4200;//復(fù)位SEQ1，且清除INTFLAGSEQ1標(biāo)志寫1清0 enable();//開(kāi)總中斷，因?yàn)橐贿M(jìn)入中斷總中斷就自動(dòng)關(guān)閉}main(){ disable();//禁止總中斷 initial();//系統(tǒng)初始化 ADINIT();//A/D初始化程序 enable();//開(kāi)總中斷 ADSOC();//啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 while(1) { if(i==0x10)break;//如果已發(fā)生中斷，則停止等待 }//等待中斷發(fā)生 T4CON=T4CON&0x0FFBF;//停止定時(shí)器4，即間接停止A/D轉(zhuǎn)換 while(1) { ; }//死循環(huán)，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可以將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果用于一些運(yùn)算中}基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開(kāi)發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測(cè)量?jī)x的研制基于單片機(jī)的紅外測(cè)油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究HYPERLINK"/detail.htm?3