基于DSP和CPLD的電力參數(shù)檢測(cè)終端的設(shè)計(jì)

摘??? 要：本文介紹了電力參數(shù)檢測(cè)終端的硬件結(jié)構(gòu)以及參數(shù)的計(jì)算，著重講述了采樣脈沖的產(chǎn)生過(guò)程、抗混疊軟件濾波、缺相檢測(cè)原理、測(cè)頻方法和諧波計(jì)算原理。
關(guān)鍵詞：DSP；軟件濾波；缺相檢測(cè)；諧波分析；FFT

引言
在供電系統(tǒng)中，對(duì)諧波、負(fù)荷電流、功率因數(shù)等電力參數(shù)進(jìn)行合理的估算并采取相應(yīng)的措施是非常必要的。本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP和CPLD的電網(wǎng)質(zhì)量的監(jiān)控裝置。該裝置通過(guò)采集這些參數(shù)，計(jì)算并判斷電能質(zhì)量的優(yōu)劣，同時(shí)與監(jiān)測(cè)主站進(jìn)行通訊，接收主站下達(dá)的各種命令，傳送主站所需的各種參數(shù)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。本文詳細(xì)分析了DSP的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)、FFT算法的實(shí)現(xiàn)、諧波分析、軟件濾波、參數(shù)計(jì)算以及由CPLD實(shí)現(xiàn)的缺相檢測(cè)、采樣脈沖產(chǎn)生、鍵盤(pán)消抖、地址譯碼等邏輯實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

硬件設(shè)計(jì)
變壓器監(jiān)測(cè)終端首先把經(jīng)過(guò)CT、PT的三相電壓和電流轉(zhuǎn)換為標(biāo)稱值為100V和5A的電壓、電流，再把該信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為跟隨式的標(biāo)稱值為5V的電壓信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器生成頻率相同的方波，以利于測(cè)頻和實(shí)現(xiàn)缺相檢測(cè)。同時(shí)由CPLD和DSP控制可同時(shí)對(duì)ADS7864完成六路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。然后由DSP完成軟件濾波、FFT運(yùn)算以及各電網(wǎng)參數(shù)的計(jì)算檢測(cè)并進(jìn)行各種判斷，將需要的數(shù)據(jù)存貯于掉電保護(hù)的NVRAM中。系統(tǒng)時(shí)鐘由可編程萬(wàn)年歷時(shí)鐘芯片DS2000提供，同時(shí)由控制中心精確對(duì)時(shí)。如果判斷讀出的數(shù)據(jù)值越限，DSP就控制相應(yīng)的輸出繼電器動(dòng)作，進(jìn)行外部電容器的投切及報(bào)警信息的發(fā)送。終端與主站通過(guò)RS-232、RS-485傳送信息，RS-232主要做為當(dāng)?shù)卣{(diào)試接口，RS-485用于遠(yuǎn)程通訊。系統(tǒng)配有鍵盤(pán)輸入和LCD顯示。

信號(hào)調(diào)理電路
RC濾波器的輸出信號(hào)范圍為-5V~+5V，而ADS7864的模擬輸入信號(hào)范圍為0~+5V，因此需要進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理。

采樣脈沖的產(chǎn)生
本系統(tǒng)中采用以數(shù)字鎖相環(huán)為核心的采樣脈沖產(chǎn)生器。將待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器LM339，得到一個(gè)方波作為數(shù)字鎖相環(huán)的輸入。設(shè)輸入信號(hào)頻率為fi，反饋頻率為ff，輸出信號(hào)的頻率為fo。根據(jù)閉環(huán)控制理論ff=fi，需要128倍頻，通過(guò)分頻器選擇分頻比(128倍分頻器由CPLD實(shí)現(xiàn))，使ff=(1/128)fo，從而得到f0=128fi。所以采樣信號(hào)周期T=156.25ms(設(shè)基頻為50Hz)。將f0=128fi做為采樣頻率送至ADS7864的采樣保持輸入引腳。

A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864
ADS7864是TI的6通道全差分輸入雙12位A/D轉(zhuǎn)換器。這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器能以500kHz的采樣率同時(shí)進(jìn)行六通道信號(hào)的采樣。ADS7864的六路輸入通道可以分成三對(duì)，分別用于電網(wǎng)的三相電壓和三相電流的輸入，并可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成DSP或微處理器所需的數(shù)字信號(hào)。輸入到片內(nèi)六個(gè)采樣-保持放大器的信號(hào)經(jīng)過(guò)全差分可在ADC輸入期間保持，以使其在50kHz時(shí)仍然提供高達(dá)80dB的良好模抑制比，這一點(diǎn)對(duì)高噪聲時(shí)的輸入噪聲抑制可起到非常重要的作用。另外，ADS7864特有的并行接口能夠與六個(gè)FIFO寄存器進(jìn)行連接，從而可以更快速地捕獲數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)中將f0=128fi接至ADS7864的采樣保持信號(hào)HOLDa、HOLDb、HOLDc。當(dāng)其為0時(shí)，可以同時(shí)保持六路輸入信號(hào)，然后按工作模式設(shè)定的先后次序分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為了提高系統(tǒng)的效率，將ADS7864的/BUSY信號(hào)接至CPLD，由其判斷ADS7864產(chǎn)生三個(gè)/BUSY信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)中斷，通知DSP一次性讀走ADS7864的FIFO中六個(gè)轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。

缺相檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)
CPLD對(duì)經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器整成方波的三相信號(hào)進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果，選取某一相信號(hào)送入到倍頻電路，同時(shí)把判斷的結(jié)果傳送給DSP，由DSP根據(jù)結(jié)果發(fā)出報(bào)警。在此給出CPLD的A相判斷程序。
process(reset,f42,Fa) ----------------f42=610.352Hz
begin
if reset='0' then
?? sum5<=0;
?? sd(0)<='1';
elsif (f42'event and f42='1') then
?????????? if(Fa='0')then
??????????????? if sum5=9 then
?????????????????? sd(0)<='0';
?????????????????? sum5<=0;
???????????????? else
??????????????????? sum5<=sum5+1;
???????????????? end if;
?????????? else
???????????????? sd(0)<='1';
???????????????? sum5<=0;
????????? end if;
end if;
end process;
假設(shè)在16.384ms內(nèi)沒(méi)有高電平信號(hào)就判斷為該相無(wú)信號(hào)，即本系統(tǒng)的測(cè)量頻率下限為30.52Hz。

數(shù)據(jù)結(jié)果的傳輸與判斷
DSP根據(jù)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后得到的結(jié)果保存在掉電不丟失的RAM里，根據(jù)上行站點(diǎn)的要求通過(guò)GSM引擎模塊發(fā)送出數(shù)據(jù)，或通過(guò)RS-232串口直接從系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)。DSP也根據(jù)設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用計(jì)算所得的數(shù)據(jù)與之比較，判斷各種參數(shù)是否合格。如果不合格則做出相應(yīng)的動(dòng)作，如控制電容的投切、向上行站點(diǎn)報(bào)警、記錄不合格數(shù)據(jù)等，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人監(jiān)控。

信號(hào)的軟件濾波
本系統(tǒng)的頻率測(cè)量范圍以A級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)，截止頻率選為2.5kHz，并在頻帶寬度內(nèi)特性應(yīng)盡可能平坦。當(dāng)頻率高于截止頻率時(shí)應(yīng)盡快衰減。

DSP的FIR濾波器的差分方程為：y(n)=h(k)×x(n-k)。用Matlab可以算出濾波器系數(shù)：h=fir1(n,w)。其中n為濾波器階數(shù)，w為歸一化截止頻率，0.0<w<1.0，1.0對(duì)應(yīng)于半抽樣速率，w對(duì)應(yīng)幅值為-6dB，返回值h為一個(gè)N+1維矢量，即濾波器系數(shù)。

TMS320F206有544字的雙口片上RAM(B0、B1、B2)，其中有288字(B1、B2)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，256字(B0)可以通過(guò)設(shè)定片上DARAM配置位CNF而分配成程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。為了有效利用MACD指令，將CNF置為1，即將B0分配成程序存儲(chǔ)器。整個(gè)濾波器程序的兩條核心指令就是：
RPT? NM1
MACD (PAM)，(DMA)
指令RPT NM1使下一條指令執(zhí)行N-1次(N為濾波器長(zhǎng)度)；而指令MACD (PAM)，(DMA)則完成以下的操作：a.用PAM裝載程序計(jì)數(shù)器；b.將數(shù)據(jù)空間地址為DAM(片上B1)的數(shù)據(jù)與程序空間地址為PAM(片上B0)的數(shù)據(jù)相乘；c.將前次乘積加至累加器；d.將指定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址中的內(nèi)容復(fù)制到下一高地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，且程序指針指向下一個(gè)濾波器系數(shù)。按照?qǐng)D4的分配方式存放輸入采樣值和沖擊響應(yīng)就可以正確利用上面的兩條指令。
?

參數(shù)的計(jì)算
DSP初始化各個(gè)參數(shù)后，首先檢測(cè)是否缺相，接著檢測(cè)頻率，依次再采集電壓電流參數(shù)。在對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，計(jì)算各個(gè)電參數(shù)和FFT，最后計(jì)算諧波分量并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。另外，各種參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定、通訊等功能都由各自的子程序去實(shí)現(xiàn)。&

（包盛花|）

[1].CPLDdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2].100Vdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/100V_1748275.html.
[3].ADS7864datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ADS7864_1076289.html.
[4].RS-232datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS-232_584855.html.
[5].RS-485datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS-485_584821.html.
[6].LM339datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/LM339_1060635.html.
[7].TMS320F206datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F206_17297.html.
[8].N-1datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/N-1_1997158.html.
[9].PAMdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PAM_1643521.html.