[摘要] 提出將DSP技術(shù)應(yīng)用到電力諧波分析中，并介紹了一種以單片機(jī)(AT89C51)為主控機(jī)，TMS320VC5402為數(shù)據(jù)處理芯片的電力系統(tǒng)諧波分析儀，詳細(xì)介紹了該裝置的整體結(jié)構(gòu)、工作原理和軟、硬件設(shè)計(jì)思路。 關(guān)鍵詞 DSP 電力系統(tǒng) 諧波分析 AT89C51. 0 引言 目前，電力系統(tǒng)諧波分析通常都是通過(guò)快速傅立葉變換(FFT)實(shí)現(xiàn)的。國(guó)內(nèi)測(cè)量?jī)x器可靠性和精度方面尚未嚴(yán)格考核過(guò)，主要適用于諧波測(cè)量方面，處理功能較差，運(yùn)算速度較慢，不能滿足電力監(jiān)測(cè)高實(shí)時(shí)性的要求。 針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)(Mcu)為主機(jī)，DSP為從機(jī)的便攜式電力系統(tǒng)諧波分析儀。該分析儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快、易于操作、成本低等特點(diǎn)。 1 整體設(shè)計(jì)方案 作為一個(gè)電力諧波檢測(cè)裝置，它必須具有以下幾種功能：在任何時(shí)刻能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣； 具有快速、準(zhǔn)確地分析包括電流、電壓和功率在內(nèi)的各種電力基本參量； 能夠以文本和圖形兩種方式顯示分析結(jié)果(如各種參量的波形圖，諧波含量柱狀圖等)； 在必要時(shí)，能夠?qū)⒎治鼋Y(jié)果打印出來(lái)； 整個(gè)檢測(cè)裝置必須功耗低，以滿足采用電池供電的要求，從而實(shí)現(xiàn)便于攜帶的目的。基于上述情況，筆者提出如圖1所示的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如下：把來(lái)自電網(wǎng)的電壓(或電流)，經(jīng)過(guò)降壓，抗混疊濾波后，由A／D采樣轉(zhuǎn)換成DSP可以處理的離散數(shù)據(jù)；然后由DSP執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序(如FFT)，計(jì)算出結(jié)果，并存儲(chǔ)在DSP的內(nèi)部RAM 中，再由單片機(jī)來(lái)讀取這些數(shù)據(jù)，并把結(jié)果顯示在液晶顯示屏上或打印出來(lái)，可以使用按鍵來(lái)選擇顯示的電力參數(shù)和翻頁(yè)顯示。圖1中的電壓、電流信號(hào)必須為經(jīng)過(guò)TV、TA，且經(jīng)過(guò)抗混疊濾波處理的低壓或小電流信號(hào)，使其能符合A／D轉(zhuǎn)換和D SP處理的需要。 在本方案中，單片機(jī)作為主控器完成整個(gè)系統(tǒng)的控制和鍵盤(pán)處理，分析結(jié)果顯示與打印功能，并實(shí)現(xiàn)與DSP的通訊。按鍵輸入則用于通過(guò)鍵盤(pán)選擇要顯示或打印的電力參量等。FLAsH與DSP相連接，用于引導(dǎo)和儲(chǔ)存信號(hào)處理程序。而D SP實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流信號(hào)的采集及對(duì)其進(jìn)行FFT變換和其他相關(guān)計(jì)算。 2 硬件設(shè)計(jì) 為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低成本，本裝置中的單片機(jī)采用美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的AT89C5 1，它是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個(gè)4k字節(jié)的Fla sh可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS一5 1兼容。該單片機(jī)主要用來(lái)完成人機(jī)交互和整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，而DSP則用來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集和處理。單片機(jī)和DSP之間的通信(數(shù)據(jù)交換)是利用先進(jìn)的DSP主機(jī)接口技術(shù)(HPI)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)8位的并口，提供了D S P和主處理器的接口。本設(shè)計(jì)中的DSP采用TI公司生產(chǎn)的低功耗芯片TMS320VC5402，它具有運(yùn)算速度快、功耗小、性價(jià)比高、片內(nèi)RAM 容量大等特點(diǎn)。在整個(gè)方案中，以單片機(jī)作為主機(jī)，DSP作為從機(jī)，用單片機(jī)來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)，所以單片機(jī)和DSP之間的主從式連接是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。接口電路圖如圖2。 數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換也是本設(shè)計(jì)的另一個(gè)重點(diǎn)。這里A／D采用TI公司的TLV1570ADC，它是1個(gè)8通道10位串行的帶自動(dòng)掃描的A／D轉(zhuǎn)換器，它與DSP構(gòu)成的信號(hào)采集和處理系統(tǒng)具有硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性好的特點(diǎn)。在該A／D轉(zhuǎn)換電路中，使用了DSP的多通道緩沖串口(McBSPs)，采用了TMS320VC5402的DMA通道讀取TLV1570ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果， 用定時(shí)中斷時(shí)間來(lái)觸發(fā)DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， 在設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸完畢后，觸發(fā)DMA中斷，CPU響應(yīng)DMA中斷進(jìn)行后續(xù)處理。這樣DMA 以后臺(tái)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)需CPU進(jìn)行控制， 提高了CPU的效率。圖3為T(mén)LV1570和TMS320VC5402的接口電路。在實(shí)際使用中， 必須保證A／D采樣頻率和串行口傳輸速率設(shè)置的相互協(xié)調(diào)， 從而確保DSP有足夠的時(shí)間讀取當(dāng)前采樣的數(shù)據(jù)。由于TMS320VC5402內(nèi)部的ROM較小，而用戶能用的部分更少，故要外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器FLASH。本系統(tǒng)中使用的FLASH是SST公司推出的256k×16位產(chǎn)品SST39VF400A，它具有以下主要特點(diǎn)：可直接與3．3V的高性能DSP接口，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的電源要求；最快的存取速度高達(dá)90ns，CMOS工藝，具有1 0 次寫(xiě)入／擦除壽命、低功耗、塊保護(hù)功能等。在電路啟動(dòng)時(shí)，由TMS320VC5402內(nèi)部ROM 中的引導(dǎo)程序?qū)⒋鎯?chǔ)在FLASH中的工作程序轉(zhuǎn)移到0SP中的SRAM 里，提高程序運(yùn)行效率，降低對(duì)外部ROM的速度要求。這樣，不僅可以提高系統(tǒng)硬件的成本，而且可以提高系統(tǒng)的整體抗干擾性，這就需要運(yùn)用DSP自舉引導(dǎo)功能。TMS320VC5402引導(dǎo)方式：主機(jī)接口HPI、并口、標(biāo)準(zhǔn)串口、8位串行E 2PROM及I／O口自舉引導(dǎo)方式。圖4為SST39VF400A和DSP的接口電路。 3 軟件設(shè)計(jì) 整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想。在軟件算法方面， 系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的FFT， 對(duì)采集的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行頻譜分析， 進(jìn)而得出有關(guān)諧波的各項(xiàng)值。系統(tǒng)軟件流程框圖設(shè)計(jì)如圖5。其中顯示模塊用于選擇分析結(jié)果的顯示輸出方式：文本方式、波形方式或諧波柱狀圖等。打印模塊主要用于將各種顯示的值打印出來(lái)。MCU讀取數(shù)據(jù)模塊將按照?qǐng)D6所示的流程來(lái)讀取數(shù)據(jù)。圖6為單片機(jī)和D S P 數(shù)據(jù)交換的流程圖。單片機(jī)和TMS320VC5402之間的通信是通過(guò)HPI接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)增強(qiáng)的8位HPI允許主機(jī)處理器對(duì)DSP的片內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)，通過(guò)兩個(gè)連續(xù)的8位字節(jié)組合在一起形成一個(gè)1 6位字傳輸。當(dāng)主機(jī)設(shè)備執(zhí)行與HPI寄存器的一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，HPI控制邏輯自動(dòng)執(zhí)行對(duì)內(nèi)部DSP的RAM訪問(wèn)已完成數(shù)據(jù)傳輸，DSP然后可以在它的存儲(chǔ)空間訪問(wèn)數(shù)據(jù)。主機(jī)對(duì)HPI內(nèi)存的尋址必須通過(guò)HPI的寄存器(HPIA、HPIC和HPID)來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般的步驟是：初始化HPIC，接著初始化HPIA為主機(jī)希望尋址的HPI內(nèi)存地址，即主機(jī)欲訪問(wèn)DSP片內(nèi)RAM，需要先發(fā)送一個(gè)16位地址到HPI地址寄存器(HPIA)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)寄存器(HPID)訪問(wèn)該地址所指向的存儲(chǔ)單元。若主機(jī)欲連續(xù)訪問(wèn)一段RAM 空間，則要先送該段的首地址到HPIA，然后以地址自動(dòng)加1的方式訪問(wèn)，即主機(jī)每訪問(wèn)一個(gè)存儲(chǔ)單元后HPIA 自動(dòng)指向下一個(gè)單元。 4 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) 為驗(yàn)證該裝置的正確性與精確度， 本系統(tǒng)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的仿真試驗(yàn)， 采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波作為A／D的輸入信號(hào)， 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 該信號(hào)具有所有的奇次諧波， 而該系統(tǒng)濾去了高次諧波， 計(jì)算次數(shù)最高為2 0次， 因輸入為方波，故顯示最高為1 9次諧波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。 由表1可知， 計(jì)算值與該函數(shù)的傅立葉級(jí)數(shù)的各實(shí)際值非常接近。故本裝置具有可靠性高、計(jì)算精度高、速度快等特點(diǎn)， 適合在電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)的應(yīng)用。 5結(jié)束語(yǔ) 在電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題日益嚴(yán)重的情況下，使用本系統(tǒng)可以為諧波的抑制和消除提供依據(jù)，為電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電力電子裝置的安全提供保障。但由于傅立葉分析有其局限性，故不可避免地存在由時(shí)域截?cái)喽�產(chǎn)生的能量泄漏問(wèn)題，這是有待于進(jìn)一步解決的問(wèn)題。