引言
電能質量是衡量電網(wǎng)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(tǒng)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(fā)出了相應的設備,。以往的配電網(wǎng)監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)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(jiān)控系統(tǒng)就是采用這一組合實現(xiàn)的,。
圖1 系統(tǒng)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(jiān)測的IC,，與一般ADC相比，AD73360有如下優(yōu)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(jiān)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(shù)或者同步采樣的實現(xiàn)來考慮,，在電力監(jiān)測系統(tǒng)中使用AD73360都是比較理想的選擇,。
DSP簡介
系統(tǒng)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(qū)間,，每頁的大小為1K words，其中前8頁為內部I/O存儲區(qū)間,，其它為外部I/O存儲區(qū)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)存儲空間的擴展,。這是因為AD73360能夠實現(xiàn)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(tǒng)設計的要求。在系統(tǒng)硬件設計中,，傳感器用來將配電網(wǎng)參數(shù)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(shù)據(jù)通過同步串口傳入DSP處理器,，進行數(shù)據(jù)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(tǒng)代碼,。
整個系統(tǒng)設計中，F(xiàn)lash和LCD為基本的系統(tǒng)擴展,，異步串口為基本的開發(fā),，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(qū)別在于前者的串行時鐘分為串口發(fā)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(fā)現(xiàn),，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(fā)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)分析與理論分析對比
系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)對配電網(wǎng)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(tǒng)監(jiān)測中使用，而是用來實現(xiàn)程序代碼的下載,。在系統(tǒng)開發(fā)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_tab.asm文件的處理：在介紹整個系統(tǒng)流程之前，先介紹一下219x_int_tab.asm文件,。當軟件主函數(shù)存在于C文件的時候,，219x_int_tab.asm 文件被系統(tǒng)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(fā)生后,，程序指針跳轉到該文件的相應位置，通過___lib_int_determiner函數(shù)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(xiàn)中斷函數(shù)比較復雜,。為了提高系統(tǒng)開發(fā)速度，減少系統(tǒng)程序代碼,，系統(tǒng)開發(fā)時要先對219x_int_tab.asm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(shù)的功能。系統(tǒng)軟件的開發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的軟件設計中，用到了兩個中斷：同步串口發(fā)送中斷和同步串口接收中斷,。前者用來實現(xiàn)對AD73360的配置,，后者用來實現(xiàn)從AD73360讀取轉換后的采樣數(shù)據(jù)。它們的代碼也不在此詳述了,。除此之外,，系統(tǒng)還開發(fā)了異步串口、可編程標志引腳和LCD控制等待,，使整個系統(tǒng)更加智能化,、人性化。這里就不一一介紹了,。
系統(tǒng)分析與軟件分析的比較
系統(tǒng)開發(fā)完畢后,，為了對系統(tǒng)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(shù)據(jù)導入Matlab軟件,，通過該軟件內的FFT算法對數(shù)據(jù)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(tǒng)硬件分析在DSP系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)與Matlab軟件所分析的原始數(shù)據(jù)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(tǒng)開發(fā)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(fā)系統(tǒng)算法的可靠性,。可以看出，在對比圖中,，開發(fā)系統(tǒng)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?shù)囊恢滦浴Ｏ抻谄?，最終的分析數(shù)據(jù)不再詳述了,。為了比較系統(tǒng)的可信度，可采用多次分析的方法,，分析比較數(shù)據(jù)可以看出,，雖然采用不同的分析系統(tǒng)，但是二者結果誤差很小,，基本相同,，這就說明系統(tǒng)的硬件監(jiān)測結果有相當?shù)目煽啃浴?/p>
結語
以AD73360和ADSP2191M處理器為系統(tǒng)硬件核心，系統(tǒng)具有如下特點：
1,、系統(tǒng)硬件設計簡潔,，不僅容易實現(xiàn)而且成本較低。
2,、系統(tǒng)沒有外部擴展SRAM,，對硬件要求比較低。
3,、使用DSP處理器未用接口資源,，系統(tǒng)軟件方便升級。
4,、系統(tǒng)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(fā)速度和系統(tǒng)整體的測量精度。由比較結果來看,，該方案符合電力系統(tǒng)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,。