0 引言
隨著國家工業(yè)規(guī)模的擴大和科學技術的發(fā)展，電網負荷結構發(fā)生了很大的變化，一方面，非線性、沖擊性和不平衡負荷的大量增長使得電能質量" title="電能質量">電能質量惡化；另一方面，隨著信息技術的發(fā)展。越來越多的敏感負載對電能質量的要求也越來越高。這就要求電能質量檢測分析設備具有實時檢測、快速分析、實時顯示的能力。采用高性能數(shù)字信號處理器(DSP" title="DSP">DSP)和嵌入式計算機系統(tǒng)(ARM" title="ARM">ARM)雙處理器架構設計電能質量分析儀" title="電能質量分析儀">電能質量分析儀能滿足上述要求。DSP系統(tǒng)實現(xiàn)電壓、電流信號的實時采集處理，通過加窗傅里葉變換和小波算法得到電能質量參數(shù)；ARM嵌入式平臺運行WinCE" title="WinCE">WinCE操作系統(tǒng)完成人機交互、數(shù)據(jù)存儲、實時顯示等功能。該系統(tǒng)為儀器的可擴展性和智能化建立了良好的軟硬件平臺。
1 硬件系統(tǒng)設計
便攜電能質量分析儀硬件系統(tǒng)設計應以功能實現(xiàn)和便攜式設計為基礎，并兼顧系統(tǒng)的可擴展性。
1．1 硬件系統(tǒng)總體設計
該硬件系統(tǒng)包括信號調理、數(shù)據(jù)采集與處理、ARM嵌入式平臺、協(xié)控制器和電源系統(tǒng)5個模塊，系統(tǒng)框架如圖1所示。電網電壓電流信號經調理電路預處理；采用高速ADC數(shù)字化后由DSP處理器系統(tǒng)實現(xiàn)緩存及快速、準確的分析計算；采集到的波形數(shù)據(jù)和分析計算結果通過FIFO傳遞到ARM嵌入式平臺；采用LCD實現(xiàn)波形和分析結果顯示；采用SD卡或USB存儲設備來存儲大量的數(shù)據(jù)以便回放或進一步深入分析；利用鍵盤或觸摸屏實現(xiàn)人機交互功能；設置RS 232、USB和網絡接口，便于實現(xiàn)電能質量分析儀的系統(tǒng)化和網絡化擴展。
系統(tǒng)中采用CPLD芯片設計了協(xié)控制器。它的作用主要是產生A／D轉換器所需要的采樣時鐘、完成采樣通道的時序控制、綜合FIFO讀時鐘邏輯、網卡地址控制邏輯和DSP啟動模式的設置。系統(tǒng)硬件電路配有多種電源，通過對系統(tǒng)各模塊電源進行控制，以及使DSP按測量需求工作在節(jié)電模式等措施實現(xiàn)了系統(tǒng)低功耗設計。系統(tǒng)采用電池供電，滿足便攜式儀器要求。
1．2 數(shù)據(jù)采集和處理模塊
電能質量分析儀需要有較高的測量準確度，并且電網電壓電流信號除了50 Hz工頻分量以外，還包含電壓瞬變、短時電壓驟升驟降等因素引起的高頻分量；按照一般電網測試要求，需要檢測8路信號(4路電壓和4路電流)；這里需要高速、高分辨率、多通道、低功耗的ADC芯片。 TI公司出品的AD7655" title="AD7655">AD7655是一款低成本、4通道、1 MSPS采樣率、16位ADC芯片。該芯片典型功耗為120 mW，采樣率為10 KSPS時只有2．6 mW，滿足系統(tǒng)低功耗要求；芯片內有兩個低噪聲、寬頻帶的采樣保持器和相應的模擬開關，允許兩個通道同時采樣。選用兩片AD7655可滿足系統(tǒng)設計需要。
數(shù)字信號處理器選用ADI公司的ADSP-21161N32" title="ADSP-21161N32">ADSP-21161N32位浮點DSP芯片。該芯片采用超級哈佛結構，擁有多條內部總線、高速運算單元、大容量存儲器、靈活多樣的外部接口。它的內核工作頻率可達100 MHz，外部總線工作頻率可達50 MHz，運算處理速度可高達600 MIPS，以較低的工作頻率實現(xiàn)了較高的處理能力，同時降低了功耗。而ADI公司提供的根據(jù)處理器量身制作的IDE環(huán)境極大的方便了DSP軟件開發(fā)，最大程度上發(fā)揮了處理器的性能。
兩片AD7655與DSP通過“三線”SPI接口連接，DSP對數(shù)據(jù)進行緩存并進行一系列運算，將計算結果通過LINK PORTS接口發(fā)送給FIFO實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。ADC的采樣時鐘、每個ADC中的通道切換和雙ADC調度等控制邏輯由協(xié)控制器實現(xiàn)。
1. 3 協(xié)控制器
協(xié)控制器邏輯電路框圖如圖2所示。圖2中，采樣時鐘發(fā)生器為A／D轉換器提供采樣時鐘；ADC通道輪換控制電路協(xié)調8個通道的數(shù)據(jù)轉換次序，協(xié)助DSP準確地讀取各相電壓電流信號；DSP啟動模式控制電路協(xié)助DSP上電初始化程序從FLASH自啟動；FIFO讀時鐘邏輯電路由ARM嵌入式平臺控制，產生讀時鐘，完成DSP與ARM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；網卡地址控制邏輯為CS8900網卡提供讀寫邏輯。
1．4 ARM嵌入式平臺
ARM嵌入式平臺硬件配置如圖1所示。選用三星公司S3C2410芯片，外擴64 MB SDRAM和64 MBFLASH。該嵌入式平臺有眾多外設接口：SPI接口用于和DSP命令傳輸；LCD接口用于TFT液晶屏的驅動；USB接口適用于多種即插即用設備；SD卡接口可插入大容量SD卡用于數(shù)據(jù)存儲；觸摸屏接口可實現(xiàn)觸摸屏控制。為了實現(xiàn)儀器的網絡化，該系統(tǒng)擴展了網卡芯片CS890OA；為了系統(tǒng)調試的安全性，將RS 232接口進行隔離處理。
ARM與DSP之間通信和數(shù)據(jù)傳輸通過SPI接口和FIFO實現(xiàn)。ARM通過SPI接口發(fā)送命令，使DSP進行相應的數(shù)學運算及傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設定ARM為主
設備，DSP為從設備。FIFO用于傳輸DSP的計算結果和波形數(shù)據(jù)；FIFO芯片采用低功耗異步芯片SN74ALVC7805，數(shù)據(jù)傳輸率可達50 MHz，數(shù)據(jù)存儲深度為256 B。
ARM嵌入式平臺移植了WinCE操作系統(tǒng)。WinCE操作系統(tǒng)在實時管理、圖形界面、開發(fā)環(huán)境等方面有著特有的優(yōu)勢，這為便攜式電能質量分析儀的人機交互和網絡化擴展提供了便利。
2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計包括ARM部分WinCE操作系統(tǒng)定制、應用程序設計和DSP部分數(shù)據(jù)處理程序設計。
2．1 WinCE操作系統(tǒng)定制及應用程序設計
WinCE是模塊式、多任務、實時嵌入式操作系統(tǒng)，微軟公司提供了功能強大的開發(fā)工具，WinCE操作系統(tǒng)定制包括操作系統(tǒng)內核定制、各相關驅動程序編寫等。其內核的定制使用PB(Platform Builder)軟件，相應的驅動程序開發(fā)使用EVC(Embedded Visual C++)。
系統(tǒng)應用程序是在WinCE5．O上由VS 2005(Visual Studio 2005)開發(fā)的C#窗體應用程序，其主要功能為：實現(xiàn)良好的人機界面、合理的功能設定、數(shù)據(jù)的接收顯示及存儲、對DSP和系統(tǒng)電源的控制等。
電能質量分析儀應用程序的界面是根據(jù)不同的測量用途來劃分的，分為示波器、功率和能量、諧波、向量圖、驟升驟降、閃變和瞬態(tài)等顯示界面，不同的顯示界面運行著不同的顯示線程，每一個顯示線程都有一個對應的數(shù)據(jù)傳輸模式。ARM根據(jù)這個數(shù)據(jù)傳輸模式來給DSP處理器發(fā)送命令，進行相應計算和傳輸相應的數(shù)據(jù)。
2．2 數(shù)據(jù)處理程序設計
數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖3所示，程序啟動后，DSP通過SetiaIs中斷讀取ADC采樣數(shù)據(jù)，同時接收SPI中斷，根據(jù)ARM系統(tǒng)的命令進行相應的電能質量指標計算，將計算數(shù)據(jù)通過Link Port傳送給FIFO供ARM系統(tǒng)讀取；IRQ0中斷用于控制數(shù)據(jù)傳送的節(jié)奏和數(shù)據(jù)同步。
2．3 數(shù)據(jù)處理算法介紹
電能質量分析儀需要對電力信號進行穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析。穩(wěn)態(tài)分析包括檢測三相電壓、電流的有效值，電網頻率，電壓、電流的各次諧波及諧波總畸變率，電壓、電流中的正序和負序分量；三相不平衡等的計算。暫態(tài)信號分析包含電壓瞬變、短時電壓驟升、驟降、電壓閃變、短時嚴重波形畸變等檢測內容。相對于穩(wěn)態(tài)分析，暫態(tài)電能質量分析需要對信號進行快速、實時、準確的測量與分析。
FFT變換是電能質量分析的重要工具，為提高采用FFT變換的計算精度，需要通過硬件或軟件方法實現(xiàn)整周期采樣。整周期采樣就是要求采樣的數(shù)據(jù)剛好是信號的整個周期或是倍數(shù)，也就是假如信號周期為T，就是要保證：N／fs=L×T其中，L為整數(shù)；fs為采樣頻率；N為采樣點數(shù)。
為簡化硬件設計本文采用非整周期采樣，通過加窗傅里葉變換來減小頻譜泄露和干涉。通過加窗傅里葉變換法可以精確計算出50次以下諧波的幅值和相位。從諧波分析結果進一步計算可以得到三相系統(tǒng)各相的有效值、頻率、功率、相位差、失真度和不平衡度等基本電參數(shù)。
微分算子可以檢測瞬變，而小波濾波器的N階消失矩和N次卷積微分算子具有等價關系。在此原理基礎上設計了基于小波變換" title="小波變換">小波變換的電壓瞬變檢測算法。在短時電壓驟升驟降和浪涌電流檢測中，使用了實時真有效值計算方法，通過有效值與閾值的比較來判斷有無事件發(fā)生。電壓閃變的評估使用了IEC推薦的同步檢波法，通過IEC測試數(shù)據(jù)對閃變測量值進行校準。在此硬件平臺所設計的暫態(tài)電能質量分析軟件可實現(xiàn)對電壓瞬變、短時電壓驟升驟降、浪涌電流、諧波、三相不平衡度、電壓閃變等項目的測量。
3 系統(tǒng)測試結果
搭建了以Chroma 61702功率信號源及三相交流電機組成的Y型接法測試系統(tǒng)，對本檢測系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析功能和暫態(tài)分析功能進行檢測。實測表明該系統(tǒng)具有較高的測量精度，能夠精確測量電壓電流有效值、功率能量值、最高50次諧波分量、三相不平衡度、短時閃變值和長時間閃變值，各項測試指標滿足設計要求。
該儀器可以捕捉電網實時真有效值并顯示結果，方便觀測者檢測電網電壓事件，同時本儀器可以實時捕捉電壓電流波動與閃變、電壓跌落等事件，并將事件存儲于SD卡中以便用戶隨時讀取。
4 結語
本文從便攜式儀器設計的角度出發(fā)，設計了一種電能質量分析儀。該儀器用DSP實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理，快速準確的計算出各項電能質量指標，能夠進行穩(wěn)態(tài)分析和暫態(tài)分析；用ARM嵌入式平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、人機界面及系統(tǒng)控制，結合WinCE操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性，為實現(xiàn)電能質量分析儀智能化及網絡化提供了良好的平臺。通過實際測試，表明該儀器各項指標均滿足IEc電能質量測量標準。通過選用低功耗器件，以及采用電源控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗；系統(tǒng)硬件設計簡潔，集成度比較高，實現(xiàn)了系統(tǒng)的便攜式設計。