引言

電能質量是衡量電網質量的標準,電能質量問題包含電壓凹陷(sag)、電壓隆起(swell)、尖峰脈沖(spikes)、諧波畸變(harmonic aberration)和電氣噪聲(electric yawp)等,其中對電能質量影響最大的就是諧波畸變。因此,本系統的設計就是以對諧波畸變分析為主要目的。這方面的研究比較多,而且也開發出了相應的設備。以往的配電網監測設備多以51、96系列單片機為處理器,在精度和速度方面都不能滿足電力系統的要求,還有就是用TI公司的DSP作為處理器,并配合ADC來完成系統設計。

ADI公司先后上市了ADE7753、ADE7758等電力測量專用芯片,并成功地將它們應用到電網當中。最近,ADI公司又推出了高性能的強強組合,即DSP+ADC的電力測量方案。此監控系統就是采用這一組合實現的。

圖1 系統硬件設計框圖

圖2 軟件框圖

ADC簡介

AD73360是ADI公司推出的一款專門應用于電能質量監測的IC,與一般ADC相比,AD73360有如下優勢:6路獨立的A/D轉換通道,不僅互不干擾,而且嚴格保證采樣同步；高精度,6個16位轉換精度轉換通道非常適合電能質量監測的需要。采樣速率可在8KHz、16KHz、32KHz范圍內編程設置,適應范圍廣。AD73360為適應不同的場合提供了直流/交流、單端/差動4種不同的輸入方式；采用串行接口,與DSP芯片的連接非常簡單。

無論從精度、速度、采樣路數或者同步采樣的實現來考慮,在電力監測系統中使用AD73360都是比較理想的選擇。

DSP簡介

系統采用的DSP處理芯片ADSP2191M是ADI公司的16位定點DSP。ADSP2191M處理器具有的資源概括如下:可訪問的存儲空間大小為16M words,分為256頁,每頁的大小為64K words,其中第0頁是內部RAM,第255頁是內部ROM,其它空間被分為4個部分,并由ms0～ms3進行選擇。有256頁I/O存儲區間,每頁的大小為1K words,其中前8頁為內部I/O存儲區間,其它為外部I/O存儲區間。處理器有一個主機接口、3個同步串行接口、兩個SPI接口、16個可編程標志引腳、1個異步串行接口和3個32位定時器。

與AD73360連接必須采用串行總線方式,ADSP2191M就有3個這樣的同步串口。

硬件電路設計

整個系統的硬件設計以ADSP2191M和AD73360為核心,再配以周邊電路完成。硬件設計的框圖如圖1所示。

由圖1可以看出,系統的硬件設計非常簡單,而且沒有最麻煩的同步保持電路和系統存儲空間的擴展。這是因為AD73360能夠實現多通道的同步轉換,免除了同步保持電路的設計、ADSP2191M內部具有64K RAM,能夠滿足系統設計的要求。在系統硬件設計中,傳感器用來將配電網參數的電能信號轉化為ADC的輸入信號,然后送到AD73360進行同步采樣,轉換后的采樣數據通過同步串口傳入DSP處理器,進行數據處理、諧波分析和其它操作。最后,處理器將分析結果送到LCD進行顯示,并通過串口送到PC進行相應的處理。Flash用來存放系統代碼。

整個系統設計中,Flash和LCD為基本的系統擴展,異步串口為基本的開發,這里只介紹一下DSP處理器與ADC的連接。它們必須通過串行接口,其中ADSP2191M為6線串行方式,而AD73360為5線的串行方式,它們的區別在于前者的串行時鐘分為串口發送時鐘和串口接收時鐘,是彼此獨立的,而后者合二為一。比較時序圖會發現,二者時序基本相同,但要控制AD73360,處理器還必須能夠滿足下面的要求:串口工作方式可設置為外部時鐘模式,串口字長可達到16bit,發送和接收的每個字都有同步幀信號,對處理器而言,接收同步幀信號為輸入信號,發送同步幀信號為輸入信號,幀同步信號產生在串口字高位出現的前一個時鐘周期,幀同步信號為高有效。

作為AD73360的同類處理器,ADSP2191M可以通過設置輕易地達到上述要求。

圖3 硬件系統分析與理論分析對比

系統軟件設計

系統的軟件設計比較復雜,分為A/D采樣控制、LCD控制、串口傳輸、數據處理和諧波分析算法等幾個部分。整個軟件框圖如圖2所示。

其中,諧波分析算法代碼量最大,也最重要,系統對配電網電能質量的分析就由它來完成；Flash驅動代碼用于對Stm29w040進行驅動,它不在系統監測中使用,而是用來實現程序代碼的下載。在系統開發代碼的語言選擇上,采用DSP匯編語言和C語言相結合的方式,以C語言為主,匯編語言為輔。

219x_int_文件的處理:在介紹整個系統流程之前,先介紹一下219x_int_文件。當軟件主函數存在于C文件的時候,219x_int_ 文件被系統默認為項目的一部分,并對項目進行中斷向量初始化。當中斷發生后,程序指針跳轉到該文件的相應位置,通過___lib_int_determiner函數來尋找中斷服務程序的入口,一旦找不到服務程序入口,就會造成程序死鎖,無法正常運行,而采用C語言實現中斷函數比較復雜。為了提高系統開發速度,減少系統程序代碼,系統開發時要先對219x_int_中的中斷向量表進行修改,將中斷服務程序入口直接給中斷向量表就可以完成該函數的功能。系統軟件的開發工具為ViusalDSP++3.0。

在軟件設計中,最重要的是諧波分析算法的設計。因為它是軟件設計的核心,不僅代碼量比較大,而且也是系統測量精度的決定性因素之一。本方案采用成熟的FFT(快速傅立葉算法)作為系統的諧波分析算法,同時,為了抑制FFT算法自身的柵欄效應和頻譜泄露問題,加入了漢寧窗和插值算法。由于代碼量較大,這里就不給出源代碼了。

在系統的軟件設計中,用到了兩個中斷:同步串口發送中斷和同步串口接收中斷。前者用來實現對AD73360的配置,后者用來實現從AD73360讀取轉換后的采樣數據。它們的代碼也不在此詳述了。

除此之外,系統還開發了異步串口、可編程標志引腳和LCD控制等待,使整個系統更加智能化、人性化。這里就不一一介紹了。

系統分析與軟件分析的比較

系統開發完畢后,為了對系統分析的結果進行檢測,使用與軟件分析進行比較的方法。將時域原始數據導入Matlab軟件,通過該軟件內的FFT算法對數據進行分析,可以得到一組相應的時域波形、幅值譜和相位譜圖形。將這些圖形與系統硬件分析在DSP系統中所得到的對應圖型進行比較,就可以看出本設計的硬件系統分析與理論分析的差異。圖3就是這些圖形的對比情況。

DSP硬件系統與Matlab軟件所分析的原始數據是相同的,但是它們所采用的分析方法是不同的:一個是系統開發的算法、一個是軟件自帶的工具,所以,可以通過對比來審核開發系統算法的可靠性。可以看出,在對比圖中,開發系統得到的時域信號的波形和幅值、相位譜與Matlab軟件的分析結果具有相當的一致性。限于篇幅,最終的分析數據不再詳述了。

為了比較系統的可信度,可采用多次分析的方法,分析比較數據可以看出,雖然采用不同的分析系統,但是二者結果誤差很小,基本相同,這就說明系統的硬件監測結果有相當的可靠性。

結語

以AD73360和ADSP2191M處理器為系統硬件核心,系統具有如下特點:

?系統硬件設計簡潔,不僅容易實現而且成本較低。

?系統沒有外部擴展SRAM,對硬件要求比較低。

?使用DSP處理器未用接口資源,系統軟件方便升級。

?系統的軟件設計采用匯編和C語言相結合的方法和加窗插值FFT算法,可以提高代碼的開發速度和系統整體的測量精度。由比較結果來看,該方案符合電力系統的要求,可靠性高,而且至少可以滿足每周期160點的實時采樣