實(shí)時數(shù)字信號處理、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,，不斷地推動著數(shù)字信號處理器性能的提高，使其在信號處理,、軍事及民用電子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用,，其應(yīng)用廣度和深度也在不斷地擴(kuò)展和深化。數(shù)字信號處理相對于模擬信號處理有很大的優(yōu)越性,，主要表現(xiàn)在精度高,、靈活性強(qiáng)、可靠性好,、易于大規(guī)模集成及存儲等方面,，而且可以采用多種性能優(yōu)良的數(shù)字信號處理方法和算法。實(shí)時數(shù)字信號處理技術(shù)的核心和標(biāo)志是數(shù)字信號處理器,?？焖俑道锶~變換等實(shí)用算法的提出，促進(jìn)了實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的發(fā)展,。數(shù)字信號處理在于運(yùn)算處理的實(shí)時性,。

       電能表作為電能的計量工具，多年來一直倍受國家電力部門的重視，電能表生產(chǎn)企業(yè)更是不遺余力地致力于設(shè)計與開發(fā),，但目前我國電能表設(shè)計水平仍比較落后,，高精度電能表主要依靠進(jìn)口,傳統(tǒng)的4位、8位單片機(jī)因?yàn)樽陨硇阅艿木窒?，在高精度電能計量方面難免捉襟見肘,，而DSP技術(shù)在電能表中的應(yīng)用為電能計量精度的大幅度提高帶來了新的希望。

  DSP在電能表中的應(yīng)用

       根據(jù)電能表的功能和誤差精度的需求,，我們選用了TI公司的TMS320VC5402芯片,，在程序設(shè)計上除了完成快速數(shù)據(jù)處理工作以外，還針對系統(tǒng)非線性失真進(jìn)行了修正和補(bǔ)償,。

       采集數(shù)據(jù)處理與計算

       在實(shí)際應(yīng)用中,，電力信號通過互感器采集到電能表中，通過一個6通道16位模擬輸入前端處理器（AD73360）進(jìn)行（A/D）模數(shù)轉(zhuǎn)換,，變成數(shù)字信號并傳輸?shù)紻SP中,，然后對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。在DSP中應(yīng)用采樣技術(shù)需要快速ADC,，即以非?？斓乃俣葋聿蓸幽M信號，并且需要快速DSP來執(zhí)行數(shù)字低通濾波和抽取,。在數(shù)字信號處理中,，濾波占極其重要的作用，它解決了模擬濾波器無法克服的電壓漂移,、溫度漂移和噪聲等問題,，從而改善了數(shù)字信號的跳動，使得電壓電流信號的波形趨于理想狀態(tài),。電能表原理框圖示于圖1,。

圖 1   電能表的原理框圖

       在采樣過程中，首要的問題是采樣頻率的選擇,，Nyquist采樣定理指出：若連續(xù)信號x（t）是有限帶寬的,，其頻譜的最高頻率為fc，對x（t）采樣時,，若保證采樣頻率fs≥2fc,，那么，就可由采樣信號恢復(fù)出x（t）,。在實(shí)際對x（t）作采樣時,，首先要了解x（t）的最高截止頻率fc，以確定應(yīng)選取的采樣頻率fs,。若x（t）不是有限帶寬的,，在采樣前應(yīng)使用抗混疊（anti－aliasing）濾波器對x（t）作模擬濾波,，以去掉f＞fc的高頻成分。因此,，在A/D轉(zhuǎn)換前就需要模擬低通濾波器具有尖銳的滾降特性,，來限制模擬信號的頻譜。一個理想的濾波器應(yīng)能讓所有低于fs／2的頻率通過,，而完全阻隔掉所有大于fs／2的頻率,。通常，濾波器和采樣頻率的選擇是將我們感興趣的頻帶限制在DC和fs／2之間,。

       首先對電壓電流輸入信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和RC濾波網(wǎng)絡(luò)濾波,，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷,，在中斷服務(wù)子程序中讀出每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果,，作為數(shù)字低通濾波的輸入。DSP的輸入是A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號,，DSP對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行處理,，并經(jīng)過一定的計算和轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的能量。在DSP處理器中是按以下式進(jìn)行運(yùn)算的：

       * 電壓測量(有效值)計算式：

       式中：U－電壓有效值,，n－每周期采樣點(diǎn)數(shù),，－電壓采樣值。

       * 電流測量(有效值)計算式

       式中：I－電流有效值,，n－每周期采樣點(diǎn)數(shù),，－電流采樣值。

       * 單元件有功功率計算式

       式中： P－單元件有功功率,，n－每周期采樣點(diǎn)數(shù),，－元件上電壓采樣值，－元件上電流采樣值,。

       * 單元件無功功率計算式

       式中：Q－單元件無功功率,，n－每周期采樣點(diǎn)數(shù)，－元件上電壓采樣值,，－元件上電流采樣值(移相后)。

       * 三相四線三元件有功功率計算式：

       式中：－三相有功功率,，－(i=A,B,C)各相有功功率,。

       *三相四線三元件有功功率計算式：

       式中：－三相無功功率，－(i=A,B,C)各相無功功率,。

       數(shù)字濾波的設(shè)計

       數(shù)字濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)的不同,，將會影響系統(tǒng)運(yùn)算的精度、誤差,、速度和經(jīng)濟(jì)性等性能指標(biāo),。在一般情況下，都要求使用盡可能少的常數(shù)乘法器和延遲器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，并要求

運(yùn)算誤差盡可能小,。我們主要采用FIR結(jié)構(gòu)的滑動平均濾波器（MovingAverage Filter),。

       在數(shù)字信號處理應(yīng)用中往往需要設(shè)計線性相位的濾波器，F(xiàn)IR濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求的同時,，很容易做到嚴(yán)格的線性相位特性,。為了使濾波器滿足線性相位條件，要求其單位脈沖響應(yīng)h(n)為實(shí)序列,，且滿足偶對稱和奇對稱條件,，即h(n)=h(N-1-n)和h(n)=-h(N-1-n)。

       由此可見,，F(xiàn)IR濾波器不斷地對輸入樣本x(n)延時后,，再作乘法累加算法，將濾波結(jié)果y(n)輸出,，因此,，F(xiàn)IR實(shí)際上是一種乘法累加運(yùn)算器。在數(shù)字濾波器中,，F(xiàn)IR濾波器的最主要特點(diǎn)是沒有反饋回路,，故不存在不穩(wěn)定的問題；同時,，可以在幅度特性隨意設(shè)置的同時,，保證精確、嚴(yán)格的線性相位,。穩(wěn)定和線性相位特性是FIR濾波器的突出優(yōu)點(diǎn),。下面是FIR濾波器設(shè)計的子程序:

.TEXT
   BEGIN     LDP  80H,DP
      LDI  @STACK_ADDR,SP
      LDI  21,BK
      LDI  19,RC
      LDI  @XN_ADDR,AR1
      LDI  @XNNEW_ADDR,AR2
      LDI  @OUTNEW_ADDR,AR3
   LOOP      LDF  *AR2,R6
      STF  R6,*AR1++(1)%
      LDI  @HN_ADDR,AR0
      CALL  FIR
      STF  RO,*AR3
      BR      LOOP

       數(shù)據(jù)處理方式

       數(shù)據(jù)處理主要是對采集的離散化信號進(jìn)行運(yùn)算處理，利用快速傅里葉算法對電信號進(jìn)行分析（參圖 2所示）,。

圖2  數(shù)據(jù)處理

       在DSP中最常用的方法是頻域分析法,。對于一些序列長度小的，通常采用離散傅里葉變換(DFT的精確定義為:X(m)=),，而序列長度大的,，通常采用快速傅里葉變換(FFT)。FFT的運(yùn)算速度要比DFT的運(yùn)算速度快得多,，但DFT的靈活性比較強(qiáng),。如果需要求出少量的頻域值，DFT方法可以比FFT運(yùn)算量小,，數(shù)據(jù)序列長度可以是任意的,，并且N個輸出值的計算是相互獨(dú)立的。由于DFT的輸出是復(fù)數(shù),，所以實(shí)部和虛部包含在兩個N長度的數(shù)組中,，對于輸出的結(jié)果可以通過計算機(jī)軟件(MATLAB)進(jìn)行仿真,。計算和繪制DFT的輸出結(jié)果，通過FFT在DSP中的應(yīng)用,，計算出N次諧波分量,，從而提高了電能表上的各種技術(shù)參數(shù)。