摘  要: 針對(duì)目前電能質(zhì)量分析儀存在的不足,，結(jié)合硬件與軟件的優(yōu)點(diǎn)，提出采用Linux+DSP的設(shè)計(jì)方案,，不僅方便外圍設(shè)備的擴(kuò)展,，也利于算法及應(yīng)用程序的移植，可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境采用不同的算法及數(shù)據(jù)分析軟件,，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)也加強(qiáng)了對(duì)數(shù)據(jù)的組織與管理,。此方案開(kāi)放性、互操作性好,，整合了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，極大地提高了電能質(zhì)量分析儀的網(wǎng)絡(luò)化、智能化,、集成化水平,。
關(guān)鍵詞: Linux； DSP,； 電能質(zhì)量,； HHT

    伴隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，新能源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)蓬勃發(fā)展導(dǎo)致更多的電力電子非線(xiàn)性設(shè)備接入電網(wǎng),，如大規(guī)模電力電子整流器,、逆變器等，這些非線(xiàn)性,、沖擊性大功率負(fù)荷設(shè)備是電力系統(tǒng)諧波污染源,，電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)峻[1]；數(shù)字技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)化程度的提高及控制理論的發(fā)展,，越來(lái)越多的基于微處理器的精密數(shù)字化用電設(shè)備投入運(yùn)行,，這些設(shè)備對(duì)電磁干擾較為敏感，無(wú)疑對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求,?？梢?jiàn)，對(duì)電能的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),、統(tǒng)計(jì)和分析并制定相應(yīng)的調(diào)整措施以提高電能質(zhì)量是十分必要的,。
    目前電能質(zhì)量分析儀主要是基于DSP或者DSP+MCU構(gòu)成[2-3]，也有學(xué)者提出DSP+CPLD[4]、DSP+PC的組合方案,。無(wú)論何種組合,其實(shí)質(zhì)都是雙CPU結(jié)構(gòu),，DSP負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)處理，另一CPU負(fù)責(zé)外圍設(shè)備接口的管理,。但眾多設(shè)計(jì)研究者陷入了比拼硬件的誤區(qū),，而忽略了電能質(zhì)量分析儀的核心是算法。硬件是基礎(chǔ),，而算法才是靈魂,。本文提出基于Linux+DSP的電能質(zhì)量分析儀的研究方案，該方案利用Linux操作系統(tǒng)的模塊性,、層次性,，可擴(kuò)展性好，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要增減相應(yīng)的外圍設(shè)備,。最為主要的是可以采用不同的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，不同的算法對(duì)應(yīng)于操作系統(tǒng)中不同的進(jìn)程，用戶(hù)可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的算法,。
1 電能質(zhì)量檢測(cè)概述
    電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要是對(duì)電能的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、統(tǒng)計(jì)分析并制定相應(yīng)決策?，F(xiàn)代電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：可靠性,、頻率偏差、電壓偏差,、三相不平衡,、短時(shí)電壓中斷、短時(shí)電壓上升,、短時(shí)電壓下降,、電壓波動(dòng)與閃變、諧波,、間諧波、暫時(shí)過(guò)電壓,、瞬態(tài)過(guò)電壓等,，不同的指標(biāo)需采用不同的算法。電能質(zhì)量檢測(cè)要求能快速捕捉暫態(tài)干擾波形,，能測(cè)量各次諧波及間諧波的幅值,、相位，能建立有效的分析和自動(dòng)辨識(shí)系統(tǒng),。在線(xiàn)監(jiān)測(cè),、實(shí)時(shí)分析、網(wǎng)絡(luò)化和智能化是電能質(zhì)量分析儀的發(fā)展方向。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)采集及處理模塊
    整體硬件電路龐大,，限于篇幅,，本文只闡述設(shè)計(jì)的大體框架及思路，一些小的電路模塊不再詳細(xì)說(shuō)明,。本設(shè)計(jì)方案核心DSP采用TI公司C28x Delfino浮點(diǎn)系列TMS320F28335,該系列為實(shí)時(shí)控制應(yīng)用帶來(lái)了領(lǐng)先的浮點(diǎn)性能和集成度,，可滿(mǎn)足嚴(yán)苛的實(shí)時(shí)應(yīng)用。TMS320F28335是一款高性能32位CPU,，采用靜態(tài)CMOS技術(shù),，高達(dá)150 MHz時(shí)種速率，具備浮點(diǎn)單元,，外設(shè)豐富,。由于TMS320F28335具備采樣保持、ADC模塊,，電壓,、電流經(jīng)電壓互感器、電流互感器后的信號(hào)直接送入ADC接口,，框圖如圖1所示,。

    電源模塊由變壓器、壓敏電阻,、保險(xiǎn)絲,、三端穩(wěn)壓芯片、過(guò)壓保護(hù)單元和濾波電容組成,，可提供3.3 V和1.8 V兩路電源,。電壓、電流互感器采用霍爾傳感器,，盡管傳統(tǒng)的電磁式互感器具有價(jià)格低,、技術(shù)成熟、可靠性高,、工頻特性好等優(yōu)點(diǎn),，但由于電磁型互感器存在漏磁和線(xiàn)圈阻抗，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢,，通常要10 ?滋s～20 ?滋s, 傳遞頻帶窄,，無(wú)法真實(shí)反應(yīng)一次側(cè)待測(cè)電壓和電流的諧波情況?；魻杺鞲衅骶哂芯雀?、線(xiàn)性度好、響應(yīng)快,、頻帶寬,、過(guò)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),。TMS320F28335的BootLoader支持多種啟動(dòng)方式，本方案采用SPI從ARM控制的外設(shè)存儲(chǔ)器模塊啟動(dòng),，以選擇不同的算法,。
2.2 外圍設(shè)備模塊
    外圍設(shè)備模塊主要用于與用戶(hù)交互，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),、圖表顯示,，以及數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)通信等功能,，主要由觸摸屏液晶顯示器,、USB接口、串口,、以太網(wǎng)及存儲(chǔ)器組成,，這些設(shè)備受外圍CPU控制。外圍CPU采用Samsung公司的S3C2440A處理器,，S3C2440A采用ARM920T內(nèi)核,，低功耗、簡(jiǎn)單優(yōu)雅的全靜態(tài)設(shè)計(jì)為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供了低功耗,、高性能的解決方案,。S3C2440A采用增強(qiáng)ARM構(gòu)架MMU,具備SDRAM、Nand Flash控制器,支持WinCE,、Linux等操作系統(tǒng),，同時(shí)具備DMA、LCD,、USB,、RTC、觸摸屏等接口,極大地方便了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。外圍設(shè)備主要模塊圖如圖2所示,。

    電源由主控電源及電池組成，S3C2240A的核心及外設(shè)電壓也為1.8 V,、3.3 V,，即S3C2440A和TMS320F28335可共同使用一個(gè)電源模塊，減小了成本,，也縮小了印制板的面積,，減小了電能質(zhì)量分析的重量及體積。當(dāng)S3C2440處于低功耗休眠狀態(tài)及掉電時(shí),，電池為實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊提供電源,。時(shí)鐘采用外設(shè)晶振12 MHz,，觸摸屏采用TFT觸摸屏,，以太網(wǎng)芯片采用DM9000,，RS232接口采用MAX232芯片。電能質(zhì)量分析儀采集的數(shù)據(jù)量大,，加之算法及分析軟件也較復(fù)雜,需要大量的存儲(chǔ)空間,，S3C2440A具備1 GB的尋址空間，可以擴(kuò)展SROM,、SRAM,、SDRAM、Nand Flash,、Nor Flash,鑒于SDRAM,、Nand Flash存儲(chǔ)容量大、速度快,、價(jià)格相對(duì)便宜的特點(diǎn),，本方案采用SDRAM、Nand Flash,，即保證了性能,，也降低了成本。
2.3 抗干擾設(shè)計(jì)
　電能質(zhì)量分析儀工作的環(huán)境范圍廣,，可能處于各種惡劣的電磁輻射條件下,，必須采取一些抗干擾設(shè)計(jì)措施以提高其抗干擾能力?？垢蓴_設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)中非常值得重視的一個(gè)環(huán)節(jié),，沒(méi)有抗干擾設(shè)計(jì)電路，儀器設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)可能無(wú)法工作,。硬件設(shè)計(jì)上要注意強(qiáng)弱電隔離,、數(shù)模信號(hào)分離、增加濾波電路及電磁屏蔽單元,，設(shè)計(jì)PCB要顧全局,，綜合考慮各項(xiàng)因素。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 算法部分
    目前電能質(zhì)量分析儀采用的算法主要有快速傅里葉變換[5],、小波變換[6],、HHT(Hilbert-Huang Transform)變換[7]。傅里葉算法具有計(jì)算速度快,、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn),，但是需要一定時(shí)間的電流值，計(jì)算量大,，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng),，檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)性差。此外,傅里葉變換算法對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的處理能力不足,，對(duì)間諧波檢測(cè)的精度有限,，且存在頻譜泄漏和欄柵現(xiàn)象,。小波分析具有時(shí)頻局部化的特點(diǎn)，適合于突變信號(hào)和不平穩(wěn)信號(hào),，具有多分辨能力,，號(hào)稱(chēng)“數(shù)學(xué)顯微鏡”，但是存在頻率混疊現(xiàn)象,，同時(shí)小波基選取不同會(huì)導(dǎo)致結(jié)果差異較大,。HHT是一種全新的信號(hào)處理方法, HHT變換首先采用EMD(Empirical Mode Decomposition)方法將信號(hào)分解成若干個(gè)IMF(Intrinsic Mode Function)分量之和，然后對(duì)每個(gè)IMF分量進(jìn)行Hilbert變換得到瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值,，對(duì)于處理非線(xiàn)性,、非平穩(wěn)信號(hào)有清晰的物理意義，能夠得到信號(hào)的時(shí)間-頻率-能量分布特征,，可以有效地處理非平穩(wěn)信號(hào),。
    對(duì)于一個(gè)時(shí)間序列x(t)，其經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解過(guò)程如下：
    (1)確定原始信號(hào)x(t)的所有極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn),；
    (2)采用樣條函數(shù)求出x(t)的上,、下包絡(luò)線(xiàn)，并計(jì)算均值m(t),；
    (3)作差h(t)=x(t)-m(t),；
    (4)判斷h(t)是否滿(mǎn)足終止條件，若不滿(mǎn)足,，則將h(t)作為新輸入信號(hào)轉(zhuǎn)至第(1)步,，否則轉(zhuǎn)為第(5)步；
    (5)令c=h(t),，c即為一個(gè)IMF分量,，作差r=x(t)-c；
    (6)判斷r是否滿(mǎn)足終止條件,，若不滿(mǎn)足,，則將其作為新的輸入轉(zhuǎn)至第(1)步，否則EMD分解過(guò)程結(jié)束,，不能提取的為殘余量,。
3.2 內(nèi)核部分
    Linux是一種自由和開(kāi)放源碼的類(lèi)Unix操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于Posix和Unix的多用戶(hù),、多任務(wù),、支持多線(xiàn)程和多CPU的操作系統(tǒng)。Linux以其穩(wěn)定性,、高效性和靈活性著稱(chēng),，模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使其可以運(yùn)行于多種處理架構(gòu)；支持豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,，多種外設(shè)驅(qū)動(dòng)接口,；擴(kuò)展性,、定制性好，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求可以對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪,。
    本方案采用Linux內(nèi)核2.6.30版本，根據(jù)硬件電路單元,，編寫(xiě)觸摸屏,、DMA、USB,、電源管理,、以太網(wǎng)、存儲(chǔ)單元驅(qū)動(dòng)程序,；應(yīng)用層采用Qt實(shí)現(xiàn)GUI,，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)組織管理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。

    本方案將多種算法融合于操作系統(tǒng)中,，根據(jù)用戶(hù)的設(shè)定，操作系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的算法及數(shù)據(jù)分析工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖4所示,。

    本文提出了Linux+DSP的電能質(zhì)量分析儀的設(shè)計(jì)方案。該方案結(jié)合軟件與硬件的優(yōu)點(diǎn),，整合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，電能質(zhì)量分析儀不僅有多種算法可供選擇，增廣應(yīng)用范圍,，同時(shí)操作系統(tǒng)的模塊性,、高效性、穩(wěn)定性方便各種外圍設(shè)備的擴(kuò)展,，提高了設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化,、智能化和集成化水平，這也是未來(lái)儀器與儀表的發(fā)展方向,。由于當(dāng)前技術(shù)的限制,，本文沒(méi)有加入云存儲(chǔ)服務(wù)。
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