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基于DSP和WinCE的电力参数测量系统


华北电力大学(保定) 硕士学位论文 基于DSP和WinCE的电力参数测量系统 姓名:杜崇高 申请学位级别:硕士 专业:信号与信息处理 指导教师:尚秋峰 20090508

华北电力大学硕士学位论文摘要





本论文设计开发了一种基于DSP和WinCE的电力参数测量系统。该测

/>量系统可对电压、电流有效值、功率等电力参数进行实时测量。该系统采用 模块化设计,通过适当的扩展,可以作为电力系统中电网信号分析或电能表
校验的一个便携式通用平台。论文详细阐述了构成电力参数测量系统的数据

采集模块和系统主控模块的硬件电路设计、系统软件设计。整个测量系统采 用了ARM和DSP的双处理器结构。DSP和高精度ADC作为数据采集模块 的核心,完成电网数据的采集、处理和传送;ARM9核芯片作为系统主控模
块的核心,运行WinCE 5.0嵌入式操作系统,为用户提供良好的人机交互界

面。经试验证明本论文设计的参数测量系统已达到预期精度。 关键词:电力参数,DSP,ARM,WiⅡCE,测量平台

ABSTRACT
DSP and ARM is
as

A measurement system 0f electric parameters based

0n

designed and implemented in this paper.The electric parameters,such

the

RMS

Value

of

Voltage

and current,

power,

can

be

real?time measured.



modularization technique is applied in the design.The measurement system be


can

common portable platform 0f testing equipment for eIectric energy meters

and analysis system of power—line signal,by cxtending proper functions.Thc design of hardware and software is proposed in this paper. The system is

composed of two parts:data acquisition module and system superVise module. Acquiring, processing and transferring thc signal data Of power-line
a are a

completed in the data acquisition module,whose high—precision ADC. A convenient
user

core

ICs

are

DSP and in

interface

is

supplied

system

superVise module,on which

WinCE

5.0 runs.An ARM9 lC is its core.Tests

proVe that the system has achieved the expected precision.

Du

Chonggao(Signal

and lnformation

Processing)

Directed by prof.Shang Qiufeng

KEY

WoRDS:

electric

parameters,

DS只ARM,WinCE,

measurement

platfom

华北电力大学硕士学位论文摘要





本论文设计开发了一种基于DSP和WinCE的电力参数测量系统。该测

量系统可对电压、电流有效值、功率等电力参数进行实时测量。该系统采用 模块化设计,通过适当的扩展,可以作为电力系统中电网信号分析或电能表
校验的一个便携式通用平台。论文详细阐述了构成电力参数测量系统的数据

采集模块和系统主控模块的硬件电路设计、系统软件设计。整个测量系统采 用了ARM和DSP的双处理器结构。DSP和高精度ADC作为数据采集模块 的核心,完成电网数据的采集、处理和传送;ARM9核芯片作为系统主控模
块的核心,运行WinCE 5.0嵌入式操作系统,为用户提供良好的人机交互界

面。经试验证明本论文设计的参数测量系统已达到预期精度。 关键词:电力参数,DSP,ARM,WiⅡCE,测量平台

ABSTRACT
DSP and ARM is
as

A measurement system 0f electric parameters based

0n

designed and implemented in this paper.The electric parameters,such

the

RMS

Value

of

Voltage

and

current,

power,

can

be

real?time measured.



modularization technique is applied in the design.The measurement system be


can

common portable platform 0f testing equipment for eIectric energy meters

and analysis system of power-line signal,by cxtending proper functions.Thc design of hardware and software is proposed in this paper. The system is

composed of two parts:data acquisition module and system superVise module. Acquiring, processing and transferring thc signal data Of power-line
a are a

completed in the data acquisition module,whose high—precision ADC. A convenient
user

core

ICs

are

DSP and in

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is

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WinCE

5.0 runs.An ARM9 lC is its core.Tests

proVe that the system has achieved the expected precision.

Du

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Directed by prof.Shang Qiufeng

KEY

WoRDS:

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DS只ARM,WinCE,

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platfom

尸 声



本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《基于DsP和winCE的电力 参数测量系统》,是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间,在导师指导下进行
的研究工作和取得的研究成果。据本人所知,除了文中特别加以标注和致谢之

处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得华
北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名:

关于学位论文使用授权的说明

本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定,即:①学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;②学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文;③学校可允许学位论文被查阅或借 阅;④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文;⑤同意学校可以用
不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。

(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)

作者签名: 日

期:碑蚴



期:

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第一章

引言

1.1电力参数测量的研究背景及其意义
在工业生产和日常生活中,电力对社会和个人有着密切的关系和重要的意义。 但随着近年来电力电子技术的迅速发展,在化工、冶金、电力传送、电气化铁道等 行业,以及家用电器中非线性负荷的使用日渐增多,特别是一些大功率整流设备和 电弧炉的大量应用,导致在电力系统中产生大量谐波,并引起电压、电流波形发生
畸变。电网中的畸变、电力谐波等不仅会严重危害供用电设备和电气仪表,影响电 能计量设备不能准确地反映电力系统运行的真实情况,同时也会对电力系统本身造 成不良影响和危害,使供电质量不断下降,损害电力用户的利益IlJ。因此,深入、

系统地研究畸变、谐波对电能表和电能计量的影响具有十分重要的意义。我们只有
对电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等电力参数有准确、快速的检测和

监控,才可以及时掌握供电线路和设备运行状态,发现电网中的故障或隐患,也才
能够更好地了解在畸变和谐波环境中电能计量装置和其他电力设备的运行状况,保

证电网平稳经济地运行。 因此,研制一种多功能的便携式的电力参数检测装置具有非常重要的意义,它
需要对如电压、电流、功率、功率因数等电力参数进行实时测量。

1.2电力参数测量的国内外研究动态
1.2.1国内外电力参数测量系统的发展


目前,国外微机化电力参数测量仪器的技术已经比较成熟。而数字信号处理、 大规模集成电路、计算机领域中的虚拟仪器等几项新兴技术的引入,推动着微机化 电力参数测量仪器向着更高的水平发展。
1)广泛用于通信、语音和图像处理等领域的数字信号处理器和各种数字信号 处理算法在微机化电力参数测量仪表中的应用,进一步增强了仪器的数据处理能

力,使得实时的电网多相电量高精度测量、谐波分析等功能的实现成为可能12J。例 如,美国FLUKE公司推出的基于DSP技术的多功能功率分析仪可以根据用户自定
义的公式完成功率分析。 2)基于专用集成电路(ASlC)、片上系统(System 0n Chip,SOC)、混合信号

等技术的电量测量专用芯片的应用使得电测仪器的设计更加方便快捷、体积更小且 性能更高。近两年来,随着数字信号处理器的广泛应用和多种单、三相电能专用集 成电路芯片的成功开发,将电能表检测校验仪的发展推向了高潮。美国ADI(模拟

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器件)公司提供的一种校验仪方案,采用“DSP+MCU+高精度ADC”的解决方 案,在不减少功能的前提下,缩小了体积、功耗,可靠性明显提高。同时,若增加 具有扩展功能的外围辅助电路,并采用相应的软件,便可满足客户的特定功能需求, 灵活性大大提高。
3)基于计算机软件组态技术的虚拟仪器(Ⅵrtual Instmmentation,VI)技术的

出现,也为电测仪器的研发提供了新的思路。VI是计算机技术与仪器技术深层次结 合的产物,其核心是在数据采集硬件和通用计算机支持下,通过软件设计实现仪器 的全部功能。以数据采集系统、便携式计算机、组态软件组成的便携式的虚拟仪器 系统,由使用者根据现场实际情况配置仪器的功能与用户界面,大大增加了仪器使
用的灵活性与方便性。

在国内,近几年来数字信号处理器(DSP)芯片以其强大的数字运算能力被越 来越多地用于电力信号的检测。但由于一般的数字信号处理器芯片的控制功能不如 单片机(MCU),大多数电力参数测量系统都采用单片机和数字信号处理器芯片相
结合的双CPU结构。测量系统的硬件结构主要由主CPU(微控制器MCU)、从CPU

(数字信号处理器DSP)、模数转换电路、数据存储、通讯电路和控制输出电路组 成13.41。MCU是测量系统的核心,完成系统配置和管理、人机交互、数据通信及DSP
的控制。DSP芯片接收数据采集电路送来的数字信号,对其进行计算,完成各种算

法,以实现功率因数、频率、谐波及各项电能指标的计算和分析,并将结果送回主
CPU进行显示,或者通过测量系统的通讯接口传输至上一级系统,以完成更为强大

的数据处理和分析功能。MCU和DSP之间常通过双口l认M实现数据交换和协同

工作。现有的大多产品都是在免费的心傩一Ⅱ或开源的£切职、从Z加麒等嵌入式
操作系统之上进行软件系统的设计开发,使用自制的或者开源的人机界面软件套件 (例如MiniGUI,Microwindow等)完成人机交互,软件运行界面普遍比较简单。 1.2.2电力参数测量的算法介绍 电能质量指标的主要分析方法可分为时域仿真、频域仿真和基于数学变换的分
析方法三种。在这三种方法中,时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛, 主要用途为利用时域仿真程序对电力系统电能质量扰动现象进行研究分析。频域分

析方法主要用于电力系统中谐波问题的分析,包括频谱分布、谐波潮流计算等。基 于数学变换的分析方法主要指傅立叶变换方法、短时傅立叶变换方法、小波变换方 法和瞬时无功理论等。最近,人工智能方法也被用于对电力参数的测量和电能质量
的分析上15,们。 1)时域仿真法

时域仿真法是利用时域仿真程序对电力系统电能质量扰动现象进行研究分析。



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目前较通用的时域仿真程序主要有EMTP、EMTDC等系统暂态仿真程序。利用暂 态仿真程序可以对电容投切造成的暂态现象、电弧炉造成的电压波动等电能质量问
题进行分析,还可以对电力系统的各种控制器以及控制策略进行仿真分析。但时域

仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模拟的最大频率范围,因此必须事先知
道暂态过程的频率覆盖范围。 2)频域仿真法17l 频域分析方法主要用于电能质量中谐波问题的分析,利用常规的谐波潮流计

算,分析谐波在系统中的分布情况。 在谐波分析中,线性网络可用:
L一匕己乙, 表示。 式中:L为注入电流源矢量; 匕为节点导纳矩阵; 【,.为节点电压矢量; 班为谐波次数。 其中,对应每个谐波频率的匕都要单独生成。通过向所需研究的节点注入幅值 为1的电流,其余节点的注入电流置为零。求解上式,所得电压即为该节点谐波输 入阻抗和相应各节点间的转移阻抗。
(历=J,2;3…...,J11) (1-1)

当注入电流频率在一定范围内变动时,可得相应谐波阻抗一频率的分布图,从
图中曲线的谷值和峰值可确定节点发生串、并联谐振的频率。对应每个谐波频率, 从各非线形负载电流中取出相应的频率分量,将这些分量合成,又可得各节点电压

的时域波形。这种方法简单,适用于大多数情况,因此在实际谐波潮流计算中的应
用较多。谐波仿真法的缺点是适用范围太窄,一般只用于谐波问题。

3)基于数学变换的分析方法 基于数学变换的分析方法主要指傅立叶变换方法、短时傅立叶变换方法、小波
变换方法和瞬时无功理论等。

I.傅立叶变换方法:作为经典的信号分析方法,傅立叶变换具有正交、完备
等许多优点,而且具有快速傅立叶变换(FFT)这样的经典算法。在电能质量分析

领域,傅立叶变换主要用于频谱分析【8,91,~般对电压及电流两个时间信号同时进 行采样,同时做频谱分析,以便快速给出它们的谐波幅度、相角以及谐波功率等。 但傅立叶变换必须获得信号在时域中的全部信息,对信号的局部畸变没有标定 和度量能力,因此无法充分描述时变非平稳信号的特征;无法反映信号在局部时间 范围内和局部频带上的谱信息。为解决上述问题,Dennis Gabor提出了短时傅立叶 变换(亦即窗口傅立叶变换)110l。与傅立叶变换相比,短时傅立叶变换考虑了信号


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频谱中时间的变化,将不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的组合,突破了傅立 叶变换只能用于平稳信号分析的局限。但是短时傅立叶变换只适合于分析特征尺度 大致相同的过程,不适合分析多尺度过程和突变过程。而且,这种方法的离散形式 没有正交展开,难以实现高效算法。 II.小波变换方法:小波变换是一种多尺度分析,对时间序列过程从低分辨率 到高分辨率,既能显示过程变化的全貌,又能剖析局部变化特征,因此很适合对电 能质量领域的非平稳时间序列进行时域分析【11,12】。小波理论用于电能质量分析主要
是应用小波变换以下两个特点:

(1)小波理论的多分辨率分析可以将信号分解到不同的频带,从而可以在不 同的频率带内分析信号。 (2)小波变换在信号的奇异点处对应着局部模极大值(即小波变换的奇异性
检测原理)。 但是,小波分析方法在实际应用中却存在着以下不足: (1)小波变换的分析结果与小波函数的选取密切相关,当小波函数选取不当

时,分析结果会产生很大的误差甚至错误。
(2)小波变换对各类噪声和微弱信号的识别都非常敏感,但其鲁棒性不好,

故在实际应用中必须和其他有效的去噪方法相结合,因此实现起来比较复杂。 Ⅲ.瞬时无功理论:目前瞬时无功理论主要应用在谐波和无功电流的实时检测
方面。首先对含有噪声的信号进行小波去噪和差变处理来确定扰动的位置和持续时 间。将去噪后的单相电压信号通过移相.60。得到三相电压,并用三相电压代替三相

电流,利用瞬时无功功率理论计算出瞬时有功功率,进而计算出瞬时电压幅值,根
据扰动的持续时间和扰动的幅度对扰动类型进行识别。 4)人工智能方法

目前在电能质量分析中人工智能方法主要用来对电能质量扰动分类,一般利用 傅氏算法和小波变换的方法对电能质量扰动进行了特征提取后,再利用人工智能方
法进行识别。除了用人工智能方法对电能质量的扰动进行分类分析外,也有文献考

虑用人工智能方法提高电能质量113,141,包括用模糊方法实现电压和无功功率的控 制、用专家系统、遗传算法和模糊集理论实现电容器组的最优分布、用模糊逻辑分 析扰动对敏感负荷的作用等。

1.3课题研究的目标及其任务
本论文设计实现了一种新型的基于双处理器、主控软件运行winCE 5.O操作系 统的高准确度电力参数测量系统。整个测量系统分为两个模块:数据采集模块和系 统主控模块。数据采集模块使用TI公司的数字信号处理芯片TMS320VC5409和ADI


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公司的16位高速模数转换芯片作为其核心,完成采集和处理数据,并把处理后的

结果数据传送到系统主控模块;主控模块使用三星公司的具有ARM9核的 S3C2440A作为其核心,在GEc2440开发板的基础上完成测量系统的系统平台的搭 建,采用winCE 5.0作为主控模块的操作系统,并实现具有对数据采集模块的操作 控制、数据显示和管理测量数据的功能。
本论文提出了整个测量系统的总体设计,设计和实现了系统中数据采集模块的

硬件和软件,也完成了在开发板上的系统主控模块的软件开发。
本论文需要完成的数据采集系统的测量精度要求为:

电流、电压、有功功率、有功电能准确度等级达到0.1级(使用内置互感器)。 无功功率、无功电能准确度等级达到0.2级。
本测量系统的软硬件平台具有方便的可扩展能力,和强大的运算处理能力,能

够达到较高测量精度。如果在其硬件和软件的基础上扩展不同的功能,则可以完成
诸如电能表校验、电能质量监测等任务。此测量系统可以作为对电力系统中电网信 号分析和电能表校验的一个便携式通用平台。

1.4本文的结构安排
论文共分为六章: 第一章:主要介绍了课题研究的背景和意义,以及电力参数测量系统的国内外

发展现状,也对电力参数测量算法进行了简单的介绍。最后提出了本课题的主要研
究内容和需要完成的性能指标。 第二章:为了增加测量系统的可扩展性,本论文将整个系统划分为两个功能模

块:数据采集模块和系统主控模块。本章介绍了整个系统和两个模块的设计思路,
并给出了总体功能框图。

第三章:详细介绍了数据采集模块的功能,给出相关的硬件原理图和软件流程 图,分析了其工作过程。 第四章:详细介绍了系统主控模块中的功能子模块的硬件设计,结合截取的软
件图形界面,介绍了系统主控模块实现的功能。

第五章:首先简要介绍了误差的概念、来源,和系统的调试平台,并对系统进 行了测试。测试结果表明系统满足预期的准确度等级要求。 第六章:总结了本文所做的工作,并对后续工作提出了展望。



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第二章

电力参数测量系统总体设计

2.1测量系统的总体框架
整个电力参数测量系统采用模块化设计,分为数据采集模块和系统主控模块。 模块化设计可以降低系统的设计难度,也为以后能以本系统作为电力系统校验或监 测的基础平台上做功能扩展提供了方便。当其中一个模块出现问题或者需要更新硬 件时,不必更换整个系统,能降低系统的使用和升级成本。系统开发者只需定义好 模块之间的通信接口和协议标准,保证模块之间有快速高效的通信环境,即可方便
地扩展测量系统的功能。

数据采集模块主要完成电网信号的输入调理、采集、计算,并接受系统主控模 块的控制,并与主控模块间传输测量数据。 系统主控模块提供与用户直接交互的界面,主要完成接受用户的操作指令,对 测量得到的电力参数数据进行显示和管理。
系统的总体框图如图2.1:

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嗍络接口/|l

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{鼠标/键盘,


信号调理 采集/计算

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传 输

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I。盛簇板’

数据采秦模块
图2.1系统功能总框图

2.2数据采集模块设计简介
数据采集模块应该可以在任何时刻对电网信号进行数据采样,能够准确地分析 包括电压、电流在内的电力基本参数。但电网中的电压电流信号并不适合电子电路 系统直接对其进行信号分析和处理,所以首先需要将其变换成幅值等各输入参量处 .于信号处理系统允许范围内的信号,这需要模拟信号输入调理电路。ADC将调理后 的模拟信号转换成数字信号,送给信号处理分析模块。由于电网中不可避免地会出


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现抖动,导致电网信号频率在短时间内会出现随机的变化,为了完成对其每周期采

样固定点数的要求,不能直接进行简单的定时采样,而需要对电网信号的频率进行 跟踪,可以使用硬件锁相环来产生精准的采样脉冲。为了满足实时和精确的信号处
理分析,以DSP芯片在信号处理领域内的明显优势,以及性能的增加和成本的下降,

使得DSP芯片具有较好的性价比。但DSP内部的存储器容量不大,当片上资源不
能满足系统的程序和数据空间要求时,需要外扩存储器。整个采集模块中的逻辑控

制信号可由CPLD(复杂可编程逻辑器件)产生。 综上,测量系统中的数据采集模块需要有:
1)信号输入和调理电路:包括电网中电压、电流信号的输入和调理电路,在 本系统的设计中,电压信号通过采用精密电阻网络分压输入,电流信号通过电流互

感器输入。 2)同步采样电路:由硬件锁相环构成频率同步电路。6路信号有可能并不会全 部有效,所以需要通过模拟选择器在6路电网信号中选择一路有效信号作为锁相环
的输入。

3)数据采样和处理电路:为数据采集模块的核心电路。为保证整个系统的高
精度和易扩展性,本课题选用ADI公司的16位高精度6通道的模数转换采样芯片

AD7656。核心处理芯片需要具有较快的运算能力和方便的通信接口,以与主控模块
进行数据传输。本课题选用Tl公司的DSP芯片TMS320vC5409。

4)与主控模块通信的接口电路:系统主控模块通过此接口电路对数据采集模
块进行控制,可以启动或者停止数据测量工作。采集模块也通过此接口向主控模块 传输数据。在模块间的接口电路中需要加入总线驱动芯片,以增强信号的抗干扰和 驱动能力。

5)与硬件设计相一致的采样与处理程序、数据传送程序。使用Tl公司的DsP
开发工具CCS3.3进行数据采集模块的程序开发。

2.3系统主控模块设计简介
为满足系统的可扩展和高性能的需求,本论文的主控模块硬件使用三星公司的 S3C2440A为主控芯片,它拥有一个ARM9核,可稳定运行在405MHz,并配置网 络接口、USB接口和串行接口,以用于与其他设备进行通信。在软件上,系统主控
模块运行WinCE 5.O嵌入式操作系统。用户可以使用键盘、鼠标或触摸板作为操作

指令的输入方式,通过模块间通信接口电路传送来的测量数据可以显示在程序界面 上,在主控模块的程序中也能完成对测量数据进行简单管理。 系统主控模块的设计包括: 1)为满足系统的可扩展和高性能的需求,并给用户提供一个友好易用的操作


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界面,首先需要选择合适的开发板作为主控模块的基础硬件平台。硬件平台上需要 有强大运算能力的主控芯片,和足够的ROM和RAM空间以运行winCE 5.0操作系 统,也需要支持液晶屏显示,uSB接口、串行接口。本课题选用广嵌科技的GEC2440 开发板。需要定义与数据采集模块通信的控制和数据总线接口。
2)根据所选择的开发板,构建能在其上运行的winCE 5.O嵌入式操作系统。根

据系统主控模块需要实现的功能,使用微软公司的Platf0姗Builder软件定制winCE
5.0,对所需功能进行增添或裁减,并将最终生成的二进制映像烧进开发板。还需生
成对应的SDK,搭建好应用软件的开发平台。

3)完成对系统主控模块软件的编写。主控模块的软件包括3个程序模块:电 力参数测量、电力波形显示和测量数据管理。在电力参数测量界面中,可以控制采 样测量的开始和停止、动态显示测量数据、保存当前测量值到数据库中;在电力波 形显示界面中,可以动态显示电网中的电流、电压信号波形,用户可以直观地观察 到采集的原始电网数据;在测量数据管理界面中,用户可以完成查看通过测量界面 中保存的测量数据、删除测量记录、保存数据记录到文件、添加记录文件到数据库 和以时间为条件查询测量数据的操作。使用微软公司的winCE应用程序开发软件
Embedded Visual

C++4进行主控模块应用程序的开发。



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第三章

测量系统中数据采集模块的设计与实现

3.1数据采集模块的功能
数据采集模块的设计中需要考虑的要求有: 1)本模块采集的对象是电网中的信号,应该有相应的信号输入和调理部分。 2)本模块设计每周期采集电压、电流波形数据均为512点,应该选择高速的模 数转换器。


3)本模块需要最多同时对6路信号进行采集,所以选择的模数转换器最好具有
多通道同时采样的功能。

4)本模块最重要的部分就是数据的处理部分,它要完成多路数据的采集、运算, 与主控模块进行数据传输,所以选择合适的ADC和数据处理芯片是本模块设计的
重点。 在本课题中,选用ADl公司的16位高速6通道ADC—AD7656,和TI公司的

54x系列DSP芯片一TMS320VC5409。
根据以上的讨论,本文设计的电力参数测量系统中数据采集模块的功能框图如 图3.1所示:

图3.1数据采集模块功能框图

在本系统中,利用DSP强大的数据处理功能完成电网信号的采集和运算,并通


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过Tl公司DSP自身提供的HPl.8接口,完成数据采集和系统主控两个模块之间的
数据传输。SRAM作为DSP的扩展程序空间和数据存储空间。在以后实际的工作环 境中,可以通过DSP运行烧写程序,向Flash烧写进通过调试的具有完善功能的程

序代码,由DSP自动加载Flash中的程序代码,完成自启动。硬件锁相环实现对输 入信号的同步采样,能减小由于采样不同步而产生的采样误差。CPLD则为整个系 统提供逻辑转换和配合锁相环产生ADC采样脉冲。各个部分的详细说明请参见本
章相应小节。

3.2数据采集模块的硬件设计
3.2.1电网信号输入及调理电路 电网中的电压信号经过电阻分压网络,电流信号经过内置或钳型电流互感器, 均变换成交流电压信号,再经过电压跟随和简单的RC滤波电路之后,进入模数转 换芯片进行信号的量化采样。
电压信号调理电路原理图如图3.2所示。精密电阻R2和R3组成电阻分压网络,

将输入的电网电压信号经分压后,传递给u3(OP27)和R1组成的电压跟随器,使 输入信号与负载电路隔离,最后经过由R4和C14构成的一阶低通滤波电路,完成
电网电压信号的调理过程。经过调理后的UA信号进入ADC采样芯片输入通道。 例如有效值为380V、220V的输入电压经过如图3.2的调理电路后,分别变换为幅 值为4.03V、2.33V的交流电压信号,均在ADC芯片的允许电压范围之内(±5V)。

B相、C相电压信号采集与调理电路与此相同。

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图3.2电压信号调理电路(A相)



电流信号选择和调理电路原理图如图3.3所示。JD3为继电器,QBA和CTA分

别是钳型电流互感器和内置电流互感器的输出信号,通过KZl2信号控制继电器的
10

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开合(低电平时选择QBA,高电平时选择CTA)来选择不同的互感器信号进入后级 处理。内置的电流互感器输入范围为0.05A~10A,准确度等级为0.01级;钳型

电流互感器可选5A、10A、20A、50A、100A、500A等量程,准确度等级为O.2级。
因为在本系统实际测试时使用的内置电流互感器输出为有效值为±3V的交流电压 信号,所以电流信号调理电路与电压信号调理电路相同,故不赘述。B相、C相电 流信号选择和调理电路与此相同。

图3.3电流信号选择和调理电路(A相) 图3.3中继电器的开合需要较大的电流(本文使用的继电器工作电流需要 28.1mA)【15】,而常用的控制芯片能够提供的电流较小,需要MCl413116J作为控制继 电器的驱动电路,驱动电路如图3.4。S l旺1和S Kz2是由DSP中的McBSP2(多 通道缓冲串口2)中设置为GPlO功能的C

BCLlⅨ2、C BCLl@2引脚通过CPLD

驱动后发出的控制信号,其高电平为3.3V,与工作电压为5V的MCl413之间需要 加入一个SN74LVC244A芯片,用作3.3V/5V的电压转换和总线驱动。

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图3.4继电器控制驱动电路

华北电力大学硕十学位论文

3.2.2硬件同步采样电路 由于电网频率通常会有一定的波动,在一个变化的电网周期内,如果采用定时
采样,将不会恰好采集到所需的固定点数,导致测量结果不准确。为了确保每周期

内的均匀采样,本论文采用了锁相环倍频的方法。这部分电路主要包括锁相环输入
信号切换电路和锁相环倍频电路两部分。

3.2.2.1锁相环输入信号切换及整形电路 为确保整个采集工作的正常运行,必须保证锁相环的输出的准确性和稳定性, 那么也就必须保持输入信号的稳定【17】。但是在实际的电力系统测量中,会出现缺相 的问题,如果将锁相环的输入与调理滤波后的某一路信号直接固定相连,很有可能 当这路输入信号为空时,会导致锁相环的输出失真甚至为零,进而使整个测量系统 瘫痪。因此,设计了锁相环输入信号的切换及整形电路,其原理图如图3.5。 电路中使用了一片多路模拟开关芯片HCF4051(U12),其输入端就是经滤波后 的三相电流及三相电压共6路信号,由核心处理器控制选择某一路信号作为输出。
输出端就是锁相环的输入,当核心处理器DSP判断锁相环的输入不正确或为空时, 对控制端引脚(A、B、C)写入相应的控制字切换到下一路,直到判断到锁相环输

入正确。其具体切换方法在软件设计部分有相关的介绍。 因为锁相环对输入信号非常灵敏,并且关系到以后的采样信号的准确性,所以 需要对其输入信号进行整形处理,滤除杂波,并变换成与有效电网信号同频率的
3.3v方波信号,作为锁相环的输入信号。

图3.5电网信号选择及整形电路

3.2.2.2锁相环倍频电路
12

华北电力大学硕七学位论文

同步采样法就是整周期等问隔均匀采样,要求被测信号周期T与采样时问间隔
&及一周内采样点数Ⅳ之间满足关系式r一Ⅳ?出,即:采样频率为被测信号频率的

Ⅳ倍。这就需要我们先跟踪被测信号的频率,达到同步,采用锁相倍频电路。锁相
的意义是相位同步的自动控制,能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统

叫做锁相环,简称PLL。锁相环示意图如图3.6所示。当没有基准(参考)输入信 号时,环路滤波器(LPF)的输出为零(或为某一固定值)。这时,压控振荡器(Vco) 按其固有频率.,:,进行自由振荡。当有频率为厶的参考信号输入时,比开和Ⅳ。同时加
到鉴相器(PD)进行鉴相。如果厶和.f,相差不大,鉴相器对比。和“。进行鉴相的结 果,输出一个与“R和“。的相位差成正比的误差电压H。,再经过环路滤波器滤去“。中

的高频成分,输出一个控制电压比,,比。将使压控振荡器的频率无(和相位)发生变
化,朝着参考输入信号的频率靠拢,最后使,l,一厂膏,环路锁定。环路一旦进入锁定

状态后,压控振荡器的输出信号与环路的输入信号(参考信号)之间只有一个固定
的稳态相位差,而没有频差存在,这时就称环路已被锁定。当锁相环入锁时,它还

具有“捕捉一信号的能力,压控振荡器可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化,
如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化,锁相环能捕捉到输人信号频

率,并强迫压控振荡器锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活,如果输入信号频 率厂霄不等于压控振荡器输出信号频率厂0,而要求两者保持一定的关系,例如比例关
系或差值关系,则可以在外部加入一个如图所示可选的运算控制单元,以满足不同

工作的需要。例如,如果需要.厶=512×.厶,则可以在输入和鉴相器之间的运算控制 单元中放入一个512倍分频器,使得在鉴相器的两个输入端信号频率相等。

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图3.6锁相环示意图

运算控制 (可选)




本论文设计中使用的是Fairch订d半导体公司的74VHC4046,采用SOICl6封装, 压控振荡器的最大工作频率是12MHz(阮c=4.5y),并且具有良好的线性度和温度 稳定性,拥有快速的比较器响应时间(25.30咒s)。其引脚分布及结构框图如图3.7
所示【181。

13

华北电力大学硕士学位论文

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图3.7

74vHC4046引脚分布及结构框图

74VHC4046第1脚是相位输出端,环路锁定时为高电平,环路失锁时为低电平。 第2脚是相位比较器l的输出端。第3脚是比较信号输入端。第4脚是压控振荡器 输出端。第5脚是禁止端,高电平时禁止,低电平时允许压控振荡器工作。第6、7
脚外接振荡电容。第8、16脚分别是供电电源的负端和正端。第9脚压控振荡器的

控制端。第10脚是解调输出端,用于FM解调。第11、12脚外接振荡电阻。第13 脚相位比较器lI的输出端。第14脚信号输入端。第15脚是相位比较器III的输出
端。

图3.8锁相环电路

设计中的锁相环电路如图3.8。PLLIN信号由信号频率整形电路的模拟选择器
14

华北电力大学硕十学位论文

HCF4051选择电网上的电压或电流信号,经过放大器和施密特触发器调理整形后,

形成一个与选择的电网信号频率一致的方波PLLIN。PLLREF是锁相环vcO的输出 PLLOUT经过可编程逻辑器件512×20分频后产生的参考频率信号。当锁定时,
PLL0uT的频率就是PLLIN的512×20倍。在可编程逻辑器件CPLD中对PLLOUT

信号20分频后生成采样信号SPSIG控制ADc进行采样操作,以完成对电网信号的 每个周期512点采样(可以通过在CPLD中改变分频系数来更改每个周期的采样点 数)。由于74VHC4046能随着频率的改变而做出相应改变并最终锁定,所以这个锁 相倍频电路不需要软件的干预,节省了DSP处理器的软件资源,又因为此电路所有
功能均为硬件完成,还提升了检测的速度。使用此电路设计方法,能够为数据采集

提供很精确的触发脉冲,从而提高了检测的精度。例如,当向PLUN引脚加入

k;4y的50Hz工频信号时,PLLREF的信号频率为50Hz,PLLOUT信号的频率
为512.5KHz,ADC采样信号SPSIG为25.6KHz。
3.2.3

ADC采样电路

模数转换器ADC作为数据采集模块的一个核心器件,其性能和工作方式是决定 整个系统性能和精度的重要因素之一。本系统的采样指标考虑如下: 1)分辨率要求:整个系统的精度要求为0.1级(相对误差<±0.1%),考虑到系 统其余部分存在误差,因此ADC的理论分辨率至少要比总精度要求高一个数量级。 再考虑到ADC固有的偏移误差、增益误差和非线性误差,以及外界噪声干扰等因

素,最好应选择16bit的~D转换器,最好提供有并行接口。
2)采样速率要求:由奈奎斯特.香农采样定理可知,只有采样频率大于原始信 号频谱中最高频率的两倍时,采样结果才能复现原始信号的特征。实际中,一般要 求采样频率为被测信号频率的5~10倍。考虑到以后系统扩展的设计要求,需要 能够测量2~51次或者更高次的谐波参数,因此采样频率至少要大于 50×51×5=12.750KHz,又考虑到采样间隔不能太短,应留有足够的时间来对采样数

据进行处理,所以采样频率也不能太高。综合考虑后,设计采样频率为25.6 即每个电网周波采样512个点。

KHz,

3)采样触发方式的选择:~D转换器的采样触发方式一般有两种,一种是由控 制芯片发出信号触发采样,另一种则是~D转换器对输入的一个时钟信号进行内部 分频后得到触发信号。第一种方式较灵活,能够达到较快的运算速度和较小的运算 量,控制器可根据需要实时更改采样频率,在硬件上实现同步采样。第二种方式中, 时钟信号一旦确定,则采样频率也随之确定,系统工作期间不易再进行更改,有同 步误差问题。前文已经讨论,本论文设计采用第一种硬件同步采样方式。 4)采样通道数目的选择:系统要求能够测量三相六路信号,因此采样通道最好

15

华北电力大学硕士学位论文

不少于六路。此外,要求六路信号能在同一时刻被采样,这保证各路电压和电流的 采样数据间没有相位延迟。 综合考虑以上要求,本设计选用美国ADI公司的16位六通道同步采样高速ADC 芯片一一AD7656,芯片具有以下功能119J:
1) 2) 3) 4) 5)

内部集成有6个16位独立的SAR ADC,每通道均有采样保持电路。 每个通道均为双极性模拟输入端,具有低噪声、宽输入带宽。 输入信号电压范围可通过引脚选择±5V或者±10V。 最高采样速率可达250
kS/S。

拥有并行和高速的多种串行接口(与SPI/0SPI/MICROwIRE/DSP接口兼
容),和菊花链接口通信模式。

AD7656的功能框图如图3.9。

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AD7656功能框图

ADC采样电路原理图如图3.10所示:

16

华北电力大学硕士学位论文
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图3.10ADC采样电路

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图3.11 AD7656输入端去耦电容

lA、IB、IC、UA、UB、UC为经过信号调理电路之后的电压信号,接入到AD7656 的六个独立ADC的双极性输入端。与DsP间采用并行接口,AD【15..O】是AD7656 转换后的16位数字信号输出,直接与DsP的16位数据线相连。SER/PAR sEL引 脚和w届引脚均置低,选择16位字并行接口输出。图3—11是依据AD7656数据手 册上的说明,为保证每对ADC上参考缓冲,为REF【A,B,C】引脚加入了10uF和 100nF的去耦电容。布线时去耦电容应该尽量接近相应引脚。为保证采样的高精度, 置低WR瓜EFEN,使AD7656屏蔽内部的参考电压源,而通过REFIN引脚接入由

MAXlM公司的MAX6225产生的2.5V外部参考电压源,%一2.5y。参考电压源电
路原理图如图3.12所示。ADC芯片的RANGE引脚选择ADC输入端可接受的模拟
17

华北电力大学硕十学位论文

信号电压范围。当接入高电平时,端口可接受的电压范围为±2×%一±5矿。H/S

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引脚置低,ADC处于硬件选择方式,由CONVST【A,B,C1控制信号的采样。将 CONVST【A,B,C1三根采样控制引脚连在一起,由CPLD输出的与电网频率SPslG 信号来启动6路ADC同时采样。由CPLD根据DsP的控制产生ADCS舞片选信号。 RANGE(27)置高,表示输入的模拟信号的范围为±2×VREF,即±5v。ADBUSY 连接到DSP的INT0中断上,使用中断方式来启动对ADC转换完成后数据的读操
作。

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图3.12外部参考电压源电路

3.2.4核心信号处理器电路
本装置选用TI公司的16位定点数字信号处理芯片TMS320VC5409。除了DSP 通用的结构特点以外,它还具有I加l:16K×16位的片上ROM,32K×16位的片上

双寻址RAM,程序代码的单指令循环和块循环操作,增强程序和数据管理的存储器 块搬移指令,可以有32位长字的操作数的指令,条件存储指令,快速中断返回, 并行存储和加载的算术指令,拥有丰富的片上外设:软件可编程等待周期发生器
(SWWSR),可编程分区转换逻辑电路(BSCR),片上锁相环时钟发生器,3个多 通道缓冲串行口(McBSP),增强的8位并行主机接口HPl.8,可以完全访问所有片 上RAM,6通道的DMA控制器。芯片也可在低功耗情况下工作。

图3.13为C5409除芯片电源和地之外的电路连接图,其中【C--A22-A0】是DSP
的23根地址线,fC D15.D0】是DSP的16根数据线。因为使用8位HPI接口,所

以HPl.8的8根数据线【HD7.HD01和主控模块的数据线相连。而HAS接高电平, HR厂w、HCNTLO、HCTNLl、HBIL、HDSl和HDS2由主控模块控制。HINT、HRDY 分别是DSP和主控模块的中断信号和速度匹配信号。HPIENA和HPll6可由拨码开 关控制。其中HPll6也单独引出,可由其它处理器控制,实现HPll6通信。接入
CPLD中的部分串口,在程序设置成GPlO口,用来控制模拟选择器选择3相6路

信号的某一路作为锁相环的输入和其它用途。/ADBUSY是ADC的忙信号,当ADC

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华北电力大学硕士学位论文

转换量化完成时,信号变低,连接到CPLD中的ADBUSY上(在CPLD的内部, ADBuSY连接到C INT嘴,也就是DSP的中断0引脚上),使用中断方式控制数据

的读操作。本设计中使用的是10M的晶振,晶振的输出引脚连接到DSP的x2引脚, x1悬空。CLKMD【0,1,2】都连接到高电平,表示DSP启动时的运行频率为1/2倍 CLKIN(在即5MHz),这是因为设计初期,首先验证功能的完整性,待到硬件功能
测试完成之后,再花更多的精力考虑运行效率;同时,如果考虑到从Flash启动程

序时,刚开始的时候也应该降低DSP启动时的运行频率,因为刚复位之后需要从外
部Flash读取启动代码到RAM中运行,如果DSP运行速度很快,而Flash的读写速

度较慢,两者之间的速度的不匹配并不会让系统获得好的性能,反而有可能导致程 序的错误,故应该等到程序代码转移到RAM中完全运行起来之后,再更改DSP的 运行频率,使之运行在较高的速率上,才会让整个系统获得较为满意的性能。/DS、
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图3.13核心DSP电路

/IS、/MSTRB、/lOSTRB作为控制信号连接到CPLD的引脚上,经过一定的逻辑变
19

华北电力大学硕士学位论文

换以后作为外部存储器和ADC的片选信号。MP/Mc也接到拨码开关上,可选择加
载方式。依据TI的数据手册,READY、EMU0、EMUl、HOLD、NMI、BIO、INT0~ INT3引脚都应该加上拉电阻。

3.2.5存储器扩展电路 如果只是在DSP内部进行运算,则可以不扩展外部存储器。但是在本测量系统 的设计中,如果每周期采样512个点,一共收集6路信号,每点使用16位ADC采 样后的数据,则每周期的原始数据就需要(512×6×16=)3K字。加上程序和计算

结果所占用的空间,和为以后的功能扩展需要,最好在数据采集模块中外扩l认M
存储器。现在常用的有CY7C1021CV33(容量为64K×16bit)和CY7C1041CV33 (容量为256K×16bit)的SRAM。因为VC5409程序空间可寻址范围为8M,为了

以后的扩展方便,本设计中采用CY7C1041CV33.12(后缀.12表示向此RAM芯片 输入需要读取数据的地址始,到数据线上数据有效为止的最长时间是12ns)作为程
序和数据空间。采用SST39VF400A(容量为256K×16,读取时间为70ns)为Flash, 作为上电启动的程序存储器。

图3.14详细展示了设计中的存储器扩展电路。DSP的18根地址线直接连接到
SRAM和Flash的【A17.A0】引脚上,16位数据线也直接连接到相应的【D15.D0】,最

多寻址256K字。I乙州CE作为SRAM的选通信号,FLASH
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图3.14存储器扩展电路

信号,均由CPLD产生,方便修改。Flash的读写信号FLASH』E、FLASH—RD,
换产生。

RAM的读写信号洲一WE、I认M—OE也都是由DSP上的MⅣ信号通过CPLD变
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华北电力大学硕十学位论文

3.2.6与主控模块的通信接口电路 本测量系统使用TI DSP提供的增强型8位主机接口(Host
Pon

Interface)作为

与主控模块间的通信接口。VC5409中的主机接口是标准8位主机接口的增强版本,
也提供有与数据线复用的HPll6模式,称为HPl8/16f201,是处理器间通信的8位并

行端口。它的基本功能包括:1)顺序传输,或随机传输;2)主机中断;3)方便 接口灵活性的多个数据测试点和控制引脚。HPI.8相对于一般HPl提供的增强功能
有:1)可以通过DMA总线存取片上所有的RAM;2)在仿真中断的时候可以继续

传输数据;3)在非复用模式下可以传输16位地址和16位数据信息。HPl8/16的功

存取外部的存储器。主机和DSP都可以在任何时候存取片上删,主机的存取一
直与DSP的时钟同步。存取同一个位置的时候,主机具有优先权,从机DSP只有 等待一个HPl8/16周期。

能是作为一个从机,允许主机存取5409的片上所有的存储器空间,但不能通过它

图3.15是5409的HPI存储器映射,其中的0080h.7FFFh是片上RAM,均可 以被主机通过增强型的主机接口存取。

图3.15

5409的HPI存储器映射

TMs320C5409芯片的HPI接口分为HPl.8(8位主机接口)和HPll6(16位主 机接口)两种,其应用方式大同小异,本文主要介绍测量系统使用的HPI.8。HPl.8 实际上是一个8位的并行端口,主机通过它可以直接访问DSP片内的一段RAM。
当主机和DSP同时访问同一地址时,主机优先。由于TI的DSP芯片都是16位的,

而HPI.8只有8根数据线,所以数据的传输必须以字节为单位。在DSP与主机传送 数据时,HPI能自动地将从外部接口传来连续的8位数组合成16位数后传送给主机。
HPl。8主要由以下五个部分组成:

HPl存储器(D鼬}淤M):HPI l淤M主要用于DSP与主机之间传送数据,也可 以用作通用的双寻址数据或程序RAM。

HPI地址寄存器(HP认):它只能由主机对其直接访问。该寄存器中存放着当
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华北电力大学硕士学位论文

前寻址的HPl存储单元的地址。

HPl数据锁存器(HPID):它也只能由主机对其直接访问。如果当前进行读操 作,则HPlD中存放的是要从HPI存储器中读出的数据;如果当前进行写操作;则 HPID中存放的是将要写到HPI存储器的数据。
HPI控制寄存器(HPIC):DSP和主机都能对它直接访问。 HPl控制逻辑:用于处理HPI与主机之间的接口信号。 HPI控制寄存器(HPIC):对HPI的工作模式进行控制,HPIC必须在进行HPl 访问前由主机初始化。当主机要随机访问HPI RAM时,必须先发送一个地址到HPIA (HPI地址寄存器),然后访问该地址所指向的RAM单元。当主机需要连续访问一 段HPI RAM中,则需要发送该段首地址到HPIA,然后以地址自增的方式访问。这

时候主机每访问完一个存储单元后HP认自动指向下一个单元。主机可以通过置位 HPIC中的DSPlNT位来中断DSP芯片;DSP芯片也可以通过置位HPIC中的HINT 位来中断主机,此时HPI的引脚HINT被置位低电平;从而向主机发出中断请求。 主机可以通过置位HINT来屏蔽此中断。HPl的数据、控制引脚都是专用的,它保 证了HPI和DSP操作的并行性。HPI的引脚在无主机访问时呈高阻态,因此可以直
接挂在主机数据总线上,使得硬件电路特别简单。 HPl-8引脚由以下几部分组成: (1)HD0~HD7:双向并行三态数据总线。当不传送数据(HDSx或HCS=1) 或EMUl/oFF=0时,HDO~HD7均处于高阻态。

(2)HCS:HPI片选信号。作为HPI的使能输入端,在每次寻址期间必须为低
电平,而在两次寻址之间也可以停留在低电平。

(3)HAS:地址选通信号,此信号用于主机的数据线和地址线复用的情况。当
不用时此信号应接高。

(4)HBlL:字节识别信号,用于识别主机传送过来的是第一个字节还是第二 个字节。当HBIL=0时为第一个字节。HBIL=1时为第二个字节。 (5)HCNTLo、HCNTLl:主机控制信号,用来选择主机所要寻址的寄存器。 当HCNTLl/HENTL0为OO时,表明主机访问HPIC;当为01时,表明主机访问用 HPIA指向的HPID,每读一次,HP队事后自增1,每写一次,HP认事先增1;当

为10时,表明主机访问HP认;当为11时,表明主机访问HPID,而HP认不受影
响。

(6)HDsl、HDS2:数据选通信号,在主机寻址HPl周期内控制数据的传送。 (7)HINT:HPI中断输出信号,受HPIC中的HINT位控制。当相应位置1时,
HINT引脚输出低电平,可以向主机发出中断信号,但这位的清除需要主机向HPIC

寄存器相应位写1。

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(8)HRDY:HPI准备好信号。高电平表示HPI已准备好执行一次数据传送; 低电平表示HPI正忙于完成当前事务,用于连接高速主机。

(9)HR刖:HPI读写信号。高电平表示主机要读HPI,低电平表示写HPl。
(10)HPIENA、HPll6:分别为HPI允许信号和HPI.16使能信号,若系统需

要使能HPI则将HPIENA引脚置高,否则悬空或接低电平;当系统需要使用16位
HPI模式,则将HPll6引脚置高。

主机访问HPI的一个字包括两个步骤:首先访问第一个字节,此时HBIL为O; 然后访问第二个字节,此时HBIL为1;这两步组成一个访问单元。这个访问单元
不可被拆开或颠倒。不管当前访问的是HPIA、HPlC还是HPID。 HPl有两种工作方式: 共用寻址方式(SAM):这是常用的操作方式。在SAM方式下,主机和DSP都

能寻址HPl寄存器,异步工作的主机的寻址可以在HPl内部得到同步。如果DSP 与主机的周期发生冲突,主机有优先权。
仅主机寻址方式(HOM):在HOM方式下,只能让主机寻址HPI存储器,DSP 则处于复位状态或所有内部和外部时钟都停止的IDLE2空转状态(最小功耗状态); 虽然HPll6的操作更简单,但VC5409的HPIl6数据并不比HPI.8快很多,因为它 每次送地址,才能读取数据,而且没有了DSPINT中断。而HPI.8采用地址递增的

方式后,只要给了初始地址后,以后只需要读取数据就行了。故我们采用HPI.8接
口。

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图3.16模块阀通信接口

图3.16是DSP的HPI-8与主控模块的接口电路。使用LVCHl62245来增强信
23

华北电力大学硕士学位论文

号的驱动能力,同时也可以利用245的方向和使能信号来控制传输的起始。U25中 的fHD0.HD7】是DSP主机接口的数据线。与主控模块中的ARM核心芯片的数据总

线【a咖HD0.a咖HD71相连。而主控模块中的地址线farmA2.a皿A51可以控制
HCNTL0、HCNTLl、HlVw和HBIL。如果ARM读取数据非常快,那么就需要通 过HRDY信号线匹配两个模块之间的速率,反之,则可以不用HRDY。HINT接到
ARM的外部中断EINT23上,当DSP已处理好数据时,就可以向HPIC中的HINT

位写1,HINT脚置低,从而触发ARM中断,这样ARM就可以通过HPI.8接口读 出数据。注意:当主控模块与采集模块间的数据传输完成后,主控模块需要向HPIC 中写相应位,以清除HINT,置高HINT引脚。 3.2.7采集模块电源电路
系统设计中的电源包括:AD7656需要两套供电电源,模拟电源(±12V,+5V)

和数字电源(5V),并且中间不能有干扰。模拟选择器HCF4051需要±5V的电源。 DsP芯片VC5409的核心工作电压为1.8V,I/0工作电压为3.3V。系统中的其他芯 片均可工作于3.3V电压下。本论文设计的电源电路分为数字部分电源,和模拟部分
电源,分别如图3.17和图3.18。

图3.17数字部分电源电路

图3.17中的P8为输入电源接口,有±12V,±5V四种电压,和GND。D+5V 是数字部分的+5V输入电压,经U6转换成1.8V,作为DSP核心供电电源。同时, 设计有一个电源指示灯,当VCC供电正常时,会点亮发光二极管D2。将输入的± 12V和+5V电压,送到AD7656,作为模数转换器核心的供电电源。其中由78L05 将输入的+12V变换成+5V,和由7905S将输入的.12V变换成.5V,以产生多种供电

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电源满足模拟部分的供电要求。

O UF

A-12V

图3.18模拟部分电源电路 数字电源系统D±5V、GND与模拟电源系统A±5V,AGND之间用磁珠隔离。 模拟地和数字地在设计时是分开的,通过磁珠(上图中L1)将模拟地和数字地接在 一起。每个电压输出端都应该接有100uF或10uF的电解电容和0.01uF的瓷片电容, 以滤除高频干扰和电压不稳而引起的电源质量问题。

3.3数据采集模块的软件设计
3.3.1系统主程序 数据采集模块中的软件主要是将ADC采集的量化后的电网数据经过计算处理,
得出相应的参数值,并通过HPI.8接口将结果或者原始数据值传送到主控模块进行 进一步处理。其总体流程图如图3.19。

主程序首先需要对CPU、复用引脚和中断进行初始化:设置CPu的运行频率、
中断初始化地址、跨界读取存储器的延时周期和McBSP中引脚复用为GPl0等。然

后使能中断,包括采样中断和主控模块与采集模块之间传输数据所需要的HINT中
断。

检查主控模块设置的启动测量标志量,如果主控模块并不需要采集模块进行采 集测量,则主程序不做任何工作,仅仅等待而已。如果主控模块启动测量,则主程 序首先选择有效的信号通道作为锁相环的输入,然后通过DSP的HP.8接口传送主
控模块需要的数据。

华北电力大学硕+学位论文

图3.19主程序流程图

3。3。2选择信号通道程序 当主控模块需要启动测量时,则首先通过模拟选择器选择信号通道作为锁相环 的输入信号。在软件中判断此通道的信号是否稳定有效的方法为:如果在此通道采
样得到的值一直为0或者一直都较小,则说明此通道的信号发生错误,不能作为锁

相环的输入信号,随即选择下一个通道……如此,直到选择到合适的信号通道。因 为VC5409的通用IO不是很多,所以此切换是由DSP的一个由与McBSP引脚复用 为通用输出口通过CPLD的3个引脚来连接到模拟开关的A、B、C端,来选择相 应通道(模拟选择器的输入端有8个,但设计中使用的只有6个,最后两个未用的 接地),其原理图如图3.20。程序流程图如图3.21所示。



COU脏R

26

华北电力大学硕士学位论文 图3.20 GPIO控制模拟开关原理图

主程序

叫兰茎茎笙茎


一 一 Y懂 与瓢
一孤磊x—x—x翌㈣
即\N/厂舯\r即 N/种_\/ N~舯\Y一蚴拟
返回到主程序

图3.21选择信号通道流程图

3.3.3数据采集子程序 数据采集子程序是在数据采集中断中完成的。ADC的片选信号ADCS由DSP 的地址引脚和lO空间片选信号IS通过CPLD产生,如图3.22所示。当IS与A15
置低、A14和A11置高时,ADCS为低,即ADC的地址是在DSP的IO空间0】【4800~

ox48FF。ADC的读信号RD是由DSP的读写指示信号RW(读操作为高,写操作为 低)与IO空间读写标志端10STRB(读写IO空问时为低,其余时间为高)产生,
如图3.23。即当DSP读IO空间地址为0x4800~0x48FF时,即选通ADC并对其

进行读操作。SPSIG与CONVST【A,B,C1相连,控制6路信号的同时采样。当SPSlG 变高启动采样时,BUsY信号也随之变高。BUsY信号的高电平脉宽一般为3脚,表 示ADC内部正在进行数据的采集和量化。当BUSY出现下降沿时,表示ADC的采 样量化完成,DSP芯片可以从数据线上依序来读取6路数据。DSP与AD7656是由 并行接口相连的,其读并行数据时序图如图3.24。ADC芯片的采样完成信号BUSY

27

华北电力大学硕士学位论文

引脚与DSP芯片的INTO引脚相连。BUSY变低时,DsP也进入了数据采集中断服 务子程序。
馥<‘’…‘。。:


c.A” c_一14
C—A'5

图3.22产生ADC片选信号CS原理图

C RW 10STRB


图3.23产生ADC读信号RD原理图

∞∞∞ "N“




西面



闩脚2z甩,口揖一加他r缸口伯竹岣n咖mfW擅=却
图3.24AD7656并行接口读时序图

在数据采集中断服务子程序中,首先需要判断是否完成5个周期信号的采样。 如果已完成5个周期的采样,则进行电力参数的计算,并存入相应变量,同时累计 电能;如果还未完成,则退出中断,进行下一次的采样。当完成5周期采样计算之 后,需要将其计算所得的电力参数数据通过累加平均计算后存入到一个计算缓冲区 中,使得每经过50周期采样后,在计算缓冲区中得到的是此50次电网周期内的平 均的电力参数数据。此计算缓冲区中的数据在下一个50电网周期内(即b左右) 可以作为电力参数数据传送给主控模块,实现大约每秒更新一次测量数据的效果。 整个过程中有两个缓冲区,一个作为数据计算缓冲区,需要每5周期更新一次:另 一个就作为主控模块软件所需数据的缓冲区,数据传送程序从中传送数据到系统主 控模块。每50周期两个缓冲区交换一次功能。缓冲区中的数据存储格式为:三相 电压、三相电流的采样点值(每周期每通道信号采样512点,int型),经过计算的 测量数据(电压、电流有效值,三相有功、三相无功,三相视在功率,三相各自电 能,合电能,每个参数均为double型)。

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缓冲区使用示例如图3—25。第一个50周期内,1作为计算缓冲区,2作为传送 缓冲区,此时2为空;在第二个50周期内,2作为计算缓冲区,1作为传送缓冲区,
如果主控模块有需要,则在此期间传送1中的数据……如此往复。

I I

I I

l I

I I

田:团:田:团: .一.j【....._L——.JL一.....上……

团!田i团}田{
I I I I I I l I


图3.25缓冲区使用示例图 数据采集中断子程序的流程图如图3.26所示。

图3.26数据采集中断予程序流程图

3.3.4电力参数的测量算法 如前所述,本测量系统采用硬件同步采样方法来采集数据,这样提高了测量速
29

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度,也减小了软件的运算量。本系统使用的计算方法是基于同步采样原理下的电力
参数测量算法。 1)电压、电流有效值算法:

基于模拟算法的电流有效值,定义为:
I=

(3.1)

r为周期,砸)是r时刻电流的瞬时值。

设每一工频周期内同步采样次数为Ⅳ,则基于离散数值算法的电流有效值,d的
计算公式为:
ld I

(3.2)

(3.2)中,七为采样序列顺序号,f0)为七时刻电流瞬时值,瓦为采样间隔,以下
定义相同。

为了便于观察或读取数据,一般需要l~3秒的显示数据刷新周期,因此,为了
使测量数据尽可能真实地反映该数据刷新周期时间段内的实际电流有效值,需要对

研个供电周期采样数据进行平滑滤波。平滑滤波后的电流有效值,d删的离散数值计 算公式为:
,,


-d4p

(3?3)

在电工理论中对周期电压U的有效值定义类似于电流,的定义:
U=

(3.4)

Z为周期,嚣O)是f时刻电压的瞬时值。 则基于离散数值算法的电压有效值U。的计算公式为:

乩=
平滑滤波后的电压有效值【,d栅的离散数值计算公式为:

(3.5)

U a”l

(3.6)

2)有功功率和视在功率算法:

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令电路两端所加电压“O)一√2u siII耐,流过电路的电流为iO);√打siIl(甜一驴),

令f时刻的瞬时功率为po),o一吾)时刻的瞬时功率为p13f一吾)。
pO)=“O)fO)_√2u sin“√甜sin(耐一驴) =研(cos驴一cos(2耐一驴”
(3.7)

∞一扣岍和一争而sin(耐一三)扫Sin(耐一三刊(3-8)
一U-,(cos驴+cos(2甜一伊))

将前两式相加,得到:

po)+po—j)I捌cos伊
,2P

(3.9)

整理后得到基于两点瞬时功率的平均功率表达式:


z三(po)+po一吾”
(3-lo)

根据上式,可以得到离散值表示的七时刻平均功率及m点平滑后的平均功率表达 式如下:

丑一三@似一等y(七一等)+搿@y@))

屯,=去薹@@一铷一争m)f(蚴
该采样数据恰好为当前采样时刻七前900的数据。

(3-…

式中“(七一等)、i@一等)分别表示采样序列中@一鲁)时刻的电压及电流瞬时值,
(3.11)式确定的平均有功功率所需的数据量最少,对平均功率变化的响应也最 快。 视在功率的定义为:

S;们
其中的,,U由(3.3)和(3.6)定义。

(3.12)

3)无功功率、视在功率算法
无功功率Q的定义为:

Q=们sin妒 根据三角函数性质,将上式变换为:

(3-13)

Q。讲sin伊;Ⅵcos(900一缈);们cos@一90。)

(3-14)

与有功功率的推导类似,可以得出七时刻平均无功功率及朋点平滑后的平均无
31

华北电力大学硕士学位论文

功功率计算表达式如F:

Q。=三@@一等y@)一“@y@一筹”

(3.15)

既。a去薹㈨一和一例七一和
3)电压电流间的相位差算法:

(3.16)

本文使用的是基于电压或电流瞬时采样数据的只∥一幺一,算法。 则以数值算法表示的电压与电流之间的相位差表达式为:

因为t卸妒一号,
(3.17)

…ct柚誓
4)电能累计算法:

在一个校验周期内累计的有功电能,可由以下数值积分表示:

‰,-硅只一哇㈣晰啦铷一和
在一个校验周期内累计的无功电能,可由以下数值积分表示:

(3.18)

‰,=疃"嚷@@一铷Ⅲ㈣一》
。 ’

(3.19)

膏I丘n

鼻-鼻0

3.3.5产生电能脉冲子程序
因为本测量系统使用的高准确度测试设备只能根据由被测系统输入的电能脉冲

计数来与自身比对而得到误差值,所以需要开发能产生电能脉冲的功能。电能脉冲 是电子式电能表的重要输出信号,其基本原理是将计算得到的有功、无功功率转换 成与之成正比的脉冲信号。本测量系统中使用软件来产生电能脉冲,其原理如下:
设有功功率为尸,电能脉冲常数为M(即M个脉冲代表一度电),则脉冲当量为:

D一姗/肘×100—3600×1000/M×100=3.6×108/M,单位为0.0m

以有功电能脉冲为例,设置定时器定时中断频率为厂,每经过一个时钟中断,就累

加一次电能时,累加电能耽与半个脉冲当量D/2进行比较,若大于半个脉冲当量,
则改变电能输出脉冲状态,并从累加电能中减去半个脉冲当量,剩余电能记入下一
次累加电能中,否则继续累加。

电能脉冲可以分为内部高频脉冲,Ⅳ和低频脉冲^,一般高频脉冲与低频关系 为:,日一105×,工。在本测量系统中高频脉冲使用的引脚是C—BDx0,低频脉冲使用
的引脚是C BFSXO,在此测量系统中,它们执行的是McBsP0端口引脚的GPIO功 能。其程序流程图如图3.27。
32

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定时中断入口

We+=Wf





we>D|2 t

改变电能脉冲状态

(退出中断)
、。-.-___,__-___--.___-_______一,

图3.27软件产生电能脉冲程序流程图

3.3.6数据传送子程序
当系统启动测量后,数据采集模块需要每秒传送一次电力参数数据或者电力波 形数据到系统主控模块,即主控模块软件界面中的电力参数数据将有一秒一次的动

态刷新率。过快的刷新率会导致用户看不清数据,太慢会让用户觉得系统的实时性 不够,刷新率一般可以设置为1~3秒每次。

图3.28数据传送子程序流程图
33

华北电力大学硕士学位论文

数据传送子程序的流程图如图3.28。

传送子程序首先判断是否完成采样计算50个周期的数据,因为输入的电网信号 频率为50Hz左右,50个信号周期就是b左右,符合一秒一次的数据刷新率。如果 未完成50个周期数据的采样、计算,数据传送子程序则等待其完成。 当50个周期的采样、计算完成后,数据传送模块需要判断向系统主控模块传送 数据的类型,这些数据与系统主控模块软件实现的功能有关。在本论文中,可以传 送三种数据: 1)电力参数测量数据,数据类型标识为1,包括电流、电压有效值,有功功率、 无功功率、视在功率、功率因数角等电力参数;
2)三相电压波形数据,数据类型标识为2;

3)三项电流波形数据,数据类型标识为3。 第一种数据可以在系统主控软件的“电力参数测量’’子界面中显示,第二、三
种数据可以在系统主控软件的“电力波形显示一子界面中通过下拉框选择显示。

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第四章

测量系统中主控模块的设计与实现

4.1系统主控模块的功能
系统主控模块的功能框图如图4.1所示:

图4.1系统主控模块功能框图

系统主控模块从数据采集模块获取所需的数据,用户可以通过键盘、鼠标或触 摸板等方式向主控模块发出操作命令,主控模块在液晶屏上显示命令结果。 主控模块使用的是广嵌科技的GEC2440开发板,使用其提供的扩展接口设计了 与数据采集模块间的通信接口。为了能给使用者提供美观的用户界面,系统主控模

块采用了微软公司的winCE 5.O作为其嵌入式操作系统。

4.2系统主控模块的硬件设计
系统主控模块是以广嵌科技的GEC2440开发板为基础,完成开发工作。广嵌 GEC2440开发板外观如图4.2,外观图中标明了开发板上的各个功能模块。
以后各小节根据本设计系统的硬件要求,对平台所涉及的必要硬件进行参数指 标介绍,诸如处理器(S3C2440A)、存储器(SDRAM,NAND
Flash, NOR Flash)、

各种接口控制器(uART异步串口、uSB接口、CSA8900A以太网口、JTAG接口、
LCD接口)等。

35

华北电力大学硕士学位论立
¥日口1

10坐

堂_!蜱

”雌H摒i口

●n一~

目4.2 GEc2“0开发板外观图

4.2.1核心处理芯片s3c2440A
核心处理芯片采用的s3c2“0A微处理器,是一款由三星半导体公司为移动设 备等相关应用设计的低功耗、高集成度的微处理器,采用289脚FBGA封装,包含

一个ARM920T内核。内部功能框图如图4.3所示,其内部包古以下功能模块剐;
1)1.2v内部供电,1.8v,2.5v/3.3v存储器,3.3v外部ⅣO供电。具有16Ⅺ}指 令缓存/16KB数据缓存,MMu。 2)具有外部存储器控制器(sDRAM控制和片选逻辑)。 3)LcD控制器(支持高达4K色的sTN屏和256K色的TFT型液晶屏,具有1 路LcD专用DMA;4路DMA,具备外部请求引脚。 4)3路uART(支持IrDAl.0,64字节的发送FIFO,64字节的接收FlFO),2 通道sPl。 5)1路多主模式的IIc总线,1路IIs音频总线控制器。 6)兼容v1.O的sD主接口协议和v2.11的MMc卡协议。 7)2路全速usB主设备,其中1路可以作为usB从设备(v1.1)。 8)4路PwM定时器和一路内部定时器具有看门狗定时器。

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9)共提供130个通用I/O.24路外部中断源。

10)电源拧制:正常模式,sL0w模式,空闲模式和掉电模式。 11)8路10位ADc,其中2路可以作为触摸屏接[1。

12)具有H历功能的盯c时钟。
13)片内倍频锁相虾。

14)提供摄像头接几,最大可支持4096×4096像素输入,2048×2048像素的缩


F■m'洲Ⅲock
4.2

D岫r?”

图4.3 s3c2440A框图

2存储器分配
本设计所选用的s3c2440A处理器可以对8个BANK进行寻址,每个BANK的

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最大空间为128M,所以最大的寻址空间为1GB。为了使处理器对各个设备的访问

互不干扰,我们将不同类的设备映射到不同的BANK中。在GEC2440平台上,存

储器BANK分配如表4.1所剥22】:

表4.1 GEC2440开发板存储器BANK分配 片选信号
nGCS0

地址范围
Ox0000

说明
NAND

0000~

nash启动模式下,B00t SRam的有效地址:

0x0020 0000

0x0000 0000~0x0000 0FFF

非NAND Flash启动模式下,

NOR

flash的有效地址

空间为:ox0000 0000~0x0020
nGCS3 nGCS6
0x19000300

0000

CS8900的IO基址

Ox3000

0000~

SDI认M空间

0x3400 0000

0x4000 0000~
0x4000 0FFF

NAND

Flash启动模式下该空间没有被使用。
SRam

非NAND F1ash启动模式下,该空间为B00t

1)SDRAM存储器 GEC2440中的核心板包含64MB

SDI认M,用于设置程序堆栈和存放各种变量。

由两片16位数据宽度的SDRAM存储器并联为32位数据宽度的SDRAM存储,并
映射到S3C2440中的BANK 6,地址范围为0】【3000 OOOO~Ox3400
2)NAND Flash存储器
OOOO。

S3C2440A提供了能够从NAND Flash启动系统的Steppingstone机制,因此2440

系统可以采用1片NAND Flash同时作为启动ROM和系统程序存储ROM。系统所
有开发的程序、文件系统或WinCE的二进制映像文件,都可以放在这个64M×8 的NAND Flash存储器上。
3)NOR Flash存储器
bit

GEC2440中的核心板包含1MB的NOR Flash存储器(AM29LV800),内部可存

放少量启动代码。NOR Flash存储器映射到S3C2440的BANK0,地址范围为:
0x0000

0000~0x01 00

0000。

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4.2.3系统接口
4.2.3.1

U√6衄异步串行口



GEc2440开发板上提供2个串行端口,其中P1串口具有7路信号:RxD、TxD、
DTR、GND、DSR、l玎S和CTS;P2串口具有5路信号:RXD、TXD、RTS、CTS

和GND。这样的设计,使串口适合与Modem设备接口。S3C2440A芯片的U舢玎0 与P1串口相连,UARTl或UAl玎2可以通过跳线与P2串口相连。通过跳线,也可 以使用U削[玎2进行红外线通信。
4.2.3.2

USB接口

S3C2410A带有2个USB接口,一个固定为Host(采用DP0,DN0信号),另一
相可以通过跳线配置成Host或者Device(采用DPI,DNl)。在进行系统软件设计、

在线调试时,PC机开发平台与系统主控模块中固定的Devjce进行连接,并通过
ActiveSvnc 4.5(微软提供的智能系统与开发平台之间的同步软件)进行连机调试和

程序同步。 4.2.3.3以太网接口 以太网接口的主控芯片为CS8900A,其最大传输速度为10M,系统硬件设计的 片选采用nGCS3,中断请求采用EINT9,在进行通信时,可以用交叉网线通过lU45

网络通讯接口与Pc开发平台直接相连,也可以采用直通网线连接到.HuB来将系统
接入到网络进行测试。 CS8900A网络主控芯片主要具有如下主要特性123】: 1)单芯片IEEE 802.3以太网控制器。 2)3v工作电源,最大工作电流55mA。

3)全双工操作,片上收发帧的RAM缓存区。 4)10BASE.T端口,具备隔离变压器。
5)边界检测和还回测试,具备待机和挂起模式。 6)可编程的传输/接收特性。
4.2.3.4

JTAG接口

本系统主控模块配备了1个20芯遵循Multi.ICE标准的JTAG接口,各针脚引 用标准如表4.2,支持Multi.1CE兼容仿真器的调试,支持SDT2.51,ADS 1.2等开 发环境的使用。支持采用广嵌科技提供的JTAG小板将程序烧录入Flash。
39

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表4.2
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

JTAG

20针接口定义
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 VCC3.3V GND GND GND GND GND GND GND GND GND

VCC 3.3V nTRST TDl

TMS
TCK

(下拉电阻)
TDO nRESET NC NC

4.2.3.5

LCD接口

TFT型LCD屏(一般与50针接口相连)。50针LCD接口提供了TFr型液晶屏接

口所需要的全部信号线,并引出触摸屏接口。可以支持最高24bpp(bpp:每像素位数) 即16M色,屏幕分辨率最高可达800×600像素,可以通过修改BsP包的TFT型液 晶的驱动程序来改变分辨率大小。本论文中使用的是三星320×240像素的液晶屏。
4.2.3.6系统主控模块与数据采集模块问的通信接口

系统主控模块是通过数据采集模块中DSP提供的HPI-8接口完成数据传输和发 送控制指令的。使用到的系统主控模块信号线有:地址线A2、A3、A4、A5,数据 输出使能信号nOE,数据写入使能信号nWE,外部中断引脚ElNT23,和指令延时 等待信号nWAIT。模块间的接口添加了总线驱动器LvCHl62245A来增加信号的驱 动能力和得到更好的信号波形。通信接口的详细介绍可以参看本论文第三章的相关
小节。

4.3系统主控模块的软件设计
4.3.1

WinCE嵌入式操作系统简介
CE

Windows

5.0操作系统是微软公司在2004年7月推出的windows CE嵌入式

操作系统系列中的较新版本,它具有以下特点【24l:

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1)精简的模块化操作系统:、MncE 5是高度模块化的嵌入式操作系统,用户可 以为了满足特定的要求对操作系统进行定制。一个最小的可运行winCE 5的内核只

占用200KB左右;增加了网络支持后需要800l④;增加图形界面支持需要大概4MB。
这样就可以适应一些硬件资源不足的嵌入式设备的要求。但是,WinCE 5的体积小, 并不意味着功能单一。如果把winCE 5的所有可选功能添加进来,那么功能完全可 以与windows 9X系列相媲美。

2)多硬件系统平台支持:嵌入式系统的专用性特点决定了嵌入式系统的硬件设
备必定是多种多样的。winCE 5支持在多种不同的CPu硬件平台上运行,例如本测 量系统所使用的ARM9平台,也包括x86、MIPS及SuperH等嵌入式领域主流CPU 体系。 3)支持有线和无线的网络连接:winCE 5不仅支持传统的有线网络,也支持各 种无线网络标准,包括蓝牙、红外和802.11等。可基于、MnCE 5构造有扩展性的无 线网络平台,将移动设备彼此相连,或连接到现有的设备上,与之共享、更新信息。 4)稳健的实时性支持:winCE 5是一个实时操作系统,它支持中断嵌套;允许 更高优先级别的中断首先得到响应,而不是等待低优先级的中断服务线程(ISR) 完成;更好的线程响应能力;对高级别的中断服务线程(IST)的响应时间上限的

要求更加严格和在线程响应能力方面的改进;最多256个优先级别可使开发人员在 控制嵌入式系统的时序安排方面有更大的灵活性;对系统内的线程数量的控制能力 可以使开发人员更好地掌握调度程序的工作情况。 5)丰富的多媒体和多语言支持。 6)强大的开发工具:可选择的开发工具有eMbedded
Studio visual

C++4(SP4)和visuaI

2003或更高版本,对于操作系统设计定制人员,可以使用Platfo姗Builder 5。

Platf0皿Builder 5是一个嵌入式操作系统的“构建——调试一一发布"三者为一体
的集成开发环境。同时,winCE还提供了多种模拟器,它们可以模拟硬件设备,使
开发人员无需拥有真实的硬件,就可以与硬件开发人员同步进行WinCE 5软件的部 分开发。 此外,在winCE 5中,微软公司与开发人员共享了250万行的winCE操作系统

源代码,使开发人员能够更直接、深入地了解WinCE的工作原理,为更加高效嵌入
式软件的开发和WinCE的应用普及铺平了道路。

由于winCE的以上特性,winCE的应用极为广泛,几乎覆盖了生活中的所有电 气设备:掌上PDA,移动计算设备,电视机顶盒,车载电脑,数字相机,安全系统,
41

华北电力大学硕士学位论文

自动售货机,移动电话,工业自动化仪表和医疗器械等。 4.3.2基于WinCE的嵌入式系统开发流程
图4.4描述了一般的基于WinCE操作系统的嵌入式系统开发流程124,251。

开始系统设计

从0EM厂商购买硬件和 板级支持开发包(BSP)

为自己的硬件
开发BSP



需要0S定制?

定制winCE
操作系统

\\\rf
从0EM厂商得到SDK和

操作系统运行时映像 导出软件开发包
(SDK)

软件开发和蔫试



’’-_.__--___。_________。.--.__.。_。.。。_。/

系统发布



图4.4基于wincE的嵌入式系统开发流程

首先,我们需要确定系统所运行的硬件平台。嵌入式系统硬件设计强调的是“够 用一而不是“功能强大”,在可实现应用功能的前提下,尽量去掉用不到的接口和 外设,节约成本。硬件平台可以自主研发或者从硬件OEM厂商处购买。 得到硬件后,下一步就应该让winCE 5运行在硬件平台上。这需要开发者拥有
针对硬件的板级支持包(BSP,Board
Support

Package),BSP是操作系统与硬件板

卡之间的重要交互接口。如果硬件是从OEM厂商购买,一般他们都会提供winCE 的BSP、默认的运行时映像和软件开发包(SDK),利用OEM提供的BsP就可以在
硬件上运行WinCE 5。如果硬件为自主开发,那么BSP通常也须自主开发。

当获得硬件BSP后,用户就需要决定是否进行操作系统的定制。这也取决于应 用的需求:如果从OEM处获得的默认运行时映像不能满足应用的需求,那么就需

42

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要定制。定制操作系统使用的【.其足PlatforIll

Builder

5,根抓且体的应用需要,选

择需要的操作系统功能组件,然后生成操作系统的运行时映像。

当硬件和嵌^式操作系统都完成之后,剩余的工作就是为[j己的’F台J r发一些 必要的应用程序。在wincE


n卜,编写的应用程序不仅可以像桌mwjndows一样通

过安装包的形式进干J.安装,也可以把应用程序作为操作系统的一个组件打包进入操 作系统的运行时映像中。

4.3.3定制主控模块所需的wincE 5操作系统
本论文设计的系统是在广嵌科技GEcz“O开发板为基础上进行的后续开发。随
开发板提供有wincE
5 O

BsP,但提供的操作系统映像并不适合设计的需要,所以

还需要自己定制wincE

5【2”。

安装PJ毗f0栅Builder 5的过程进入到custom setuD步骤时,需要选择支持的cPu
类型。因为本操作系统使用的是ARM9核芯片,属于ARMv4系列.所以选择 ARMv4I。每种cPu类型的支持文件大约要占用1~2G空蚓,为节省系统资源, 所以只选择安装所开发所需要的cPu类型。本例中选择虚拟器Em山aIor和ARMv4I
两项,如图4—5所示。

圈卫墨墨■雹置E日重墨墨,墨蟹 c~…

‰∞㈣‰bd-_群}p■-b㈣

…’口………㈣

蚕参
菜单下的“Man89e
catalog

二三五ij
BuiIder 5

幽4—5 PIaIform B吲der5安装选项

安装完Platfo珊Bullder 5和相关更新之后,运行Platform

0,选择“File”

Ilcms”,点选“lmpon.”按钮,选择随开发板提供的

smdk2440肛c配簧文件,此cec文件中包含有本设计所使用到的硬件平台中所有的
43

华北电力大学硕士学位论文

硬件配置信息。

新建一个PIatfo珊,选择“File”菜单下的。New Platf0瑚…”,在本文中命名为
“GEc__N0cAM”。在“Available 在“Av枷abIe

BSPs:”中选择“sAMsuNGsMDK2440:ARMwI”,

desjgnt锄plates:”中选择较为常用的“MobileHandheld”(移动手持

设备)作为构建操作系统的基础模板,在后面的“Itcms”中可以进行对操作系统功 能进行添加或裁减。如图4—6。

口■j∞■|■■E■●●■■虢

。絮冀:∞………。.。。。。。…

xⅡⅡ口EⅡE口目■■■■■■■■E赴



9鼍裂盎=端……一一……。。



到—![ii!]

11J—!刮j

型三兰婴芒纠。兰型
5.0

图4.6wincE 5中MobiIeHandh日d模板内容定制

在程序向导的最后一个界面中点击“Fjnjsh”,即可完成基于模板的wincE 嵌入式操作系统的定制工作。结果如图4.7。

匡f』
图4.7完成基于模板的wincE5.0定制

在图4-7中,左边的①区表示已经加入“GEc__NOcAM”操作系统的功能组件

华北电力大学碗士学位论立

右边的@区表示Platform

Bujlder

5叮以提供的系统功能和驱动程序等纽件。只需在

②区相应的组件上右击,点选“A“toosDesi卵”,即可添加,Ⅱ①区。 在基于模板的定制过程巾,操作系统本身已添加串行接口、叫络接口、触摸液 晶屏的驱动程序。同时,为了支持usB接口的鼠标,键盘(用F?操作系统主控软件
需要),需要添加“core Os.windows CE
deviccs.core Os services.usB Host

S”ppon-USB Human Ioput Devjce(HlD)Cl私s Driver?USB HlD K6yboard and

Mouse”㈣;为了支持对u盘文件的存取(可将测量数据存储到u盘),需要添加
“co|c

0S—WiⅡdows

CE devjces-core OS SeⅣices—USB HosI S”pPon-USB

storagc class

Driver”:为了支持对FAT文件系统的支持(读写u盘时需要).需要
cE devices-Filesystems andData store—storageManager

添加“ConOs-windows
—E^11

FjIesystem和PanitionDriver”;为了支持wincE 5.0自带数掘库的操作(对
cE devices.Filc

测量得到的数据进行常用管理),需要添加“com 0s.windows
Systems and Data S10陀-Database Support”。

以上工作就完成了埘测量系统主控模块使用的wincE



o嵌入式操作系统的定

制工作。点击“Buildos”菜单下的持尽圈,即开始编译新的Platform。编译期间
0ut口ut窗口可以看到许多系统打印信息,通过这些信息可以了解到系统的编译过程。 编译完成后(e丌or数为O),得到nk.bin、nk.nb0、Eboot nb0等-I进制映像文件。至
此,基于GEc2440的wincE 5.0的映像文件及网络启动配置文件已经生成。.一般

而言,

这些文件均位于编译Pl甜f0珊时生成的义件央

wINcE50叭PBworkspaces\GEc_NOcAM\RclDi咄mdk2440_^RMV 4l—Release中。 依照GEc2440开发扳说明书烧写二进制文件nk.nbo到丌发板中的NANDFlash, 并选择启动wjncE 5操作系统后,开机界面如图4.8。

!—!剑F五r剑
斟4—8主控模士史wincE


O开机界Ⅱ

华北电力大学硕士学位论文

4.3.4系统主控模块软件界面及功能介绍
系统主控模块的软件主要由三个程序组成,功能结构图如图4.9:

图4.9系统主控模块软件功能结构图

1)电力参数测量:可以启动或者停止整个测量系统的工作;动态显示当前系统 采集测量到的电力参数(频率、三相电压电流有效值、功率、功率因数等)数据; 可以将当前时间测量到的数据保存到系统内置的数据库中,以备以后调用查看;也 可以转换到信号波形界面查看电网中的电压、电流波形信息。

2)信号波形显示:分为电压和电流两个子界面,动态显示相应的电网信号波形,
也可以转换到电力参数测量界面中查看当前系统采集测量到的电力参数数据。 3)测量数据管理:主要完成系统测量数据的查看和管理任务,可以完成删除当 前或多条记录;保存当前或多条记录数据到文件(支持U盘);可以通过串口发送 记录数据;以时间条件来查询测量数据。 系统主控模块软件的主界面如图4.10。主控模块的程序开发工具是微软公司专 为开发WjnCE嵌入式系统应用软件提供的embeddedⅥsual C++4(SP4)f28'2们。

毕儿电山人学硕f。学位论文

图…一k:一
I l
幽4.10上控软件主界面



,##f.#*iii■fjj五百.r

4.3.4.1模块问通信接口的实现 由第三章可知,模块闻通信接口处于s3c2440A芯片的BANK 1空蚓,选通信
号为nGcsl。当s3c2440A对物理地址为ox0800 0000~oxl000 0000删的任何地

址进行读写时,nGcsl将为有效。但是因为在操作系统wincE

5 0

r,s3c2440A

启动了内存管理单元(MMu),操作系统只能访问到虚拟地址,并不能直接对实际 的物理地址进行读写。如果要在驯动程序中或者应用程序中直接访问设备寄存器或 者实际物理地址,必须建审动态虚拟地址映射。可以调用MmM8pIospace()函数来 实现,或者通过virtuaJAJlo“)和VirtuaIcopy0函数来实现(其实MmM8pJospace() 内部就调用了后者)。 vjnualAlloc()首先会从系统的虚拟地址空间中申请(或者顸留) 准备以后使用。此时可用的物理内存并没有减少,只是虚拟地址少了
块虚拟空间, 块可用的区

域。真正把这块之前预留(feserved)的虚拟空间映射到物理的内存区域是由 vinualcopy0来实现的,此时,MMu的页表就会增加一个ent。y,束表示物理地址 一虚拟地址的映射关系。 vinualAⅡoc()和vinualcopy()的函数声明如表4-3。

LPVOID VlnuaIAlloc(
LPVo】D lpAddreSs,

BOOL virIualcopy(
LPVOID IovDest、 LPVOID IDvSK.

DWoRD dwS;zc. DWoRD
nAllocatlonType,

DWORD nProtect );

DWORD fdwProIect

华北电力大学硕士学位论文 lpAddre鼹:指向需要分配内存空间的 起始地址的长指针 dwSize:需分配内存的空间大小,以 字节为单位 lpvDest:指向已预留的目标内存的 指针 lpvSrc:指向已提交的内存块的指 针 cbSize:区块大小,以字节为单位 fdwPfotec£:对存取访问的保护类型 返回值:TRUE:成功

fI舢location耐pe:空间如何分配的类
型 flProtect:对存取访问的保护类型 返回值:失败,返回NULL;否则为分 配区块的页的基地址

ME:失败

例如下面两条语句:第一句在虚拟内存中分配了一块SIzE大小的预留空间,禁 止对其进行存取操作,v.pHPI指针指向预留空间的起始地址;第二条语句将一块以 HPI-PHYADDRj≥ASE为起始地址、大小为SIzE的物理内存空间映射到以v—pHPI

为起始地址的虚拟内存中的预留空间,并可以通过UHPI对这段物理内存空间进
行读写操作。

V—pHPI=(shon int?)virtua认Jloc(O,S IzE,MEM—RESERVE,PIAGEJNOACCESS);

ⅥrIualc叩y(V—pHPl, (void
PAGE—NocAcHE

’)(HPl—PHYADDR—BAsE

>>

8),

sIzE,PAGE—READwRITE



l PAGE—PHYsIcAL);

由上可知,在winCE下可以通过程序间接地对物理空间进行操作。当上例中的
HPI PHYADDR

BASE设置为0x0800 0000,则将BANKl空间内以0x0800 0000为

始、SIzE字节大小的一段连续空间映射到由v pHPI指针指向的一块虚拟内存。如 果对虚拟内存进行操作,就如同对实际空间进行操作一样。这就完成了实际物理地
址和虚拟地址之间的转换。 因为模块间通信接口使用的是数据采集模块中的HPI-8接口,在主控模块中是

以ARM的地址线、读写信号线作为通信接口的控制线,ARM的数据线作为通信接 口的数据线,故可以通过读写虚拟空间的不同地址,产生不同的控制信号组合,来 实现对模块间通信接口的操作。具体的HPI.8操作细节还需要参考文献【30】中的第4
章:Enh卸ced
8.bit host porl

interface(HPI.8)。因为篇幅所限,在本论文中不详细给

出的模块间通信接口控制程序。 4.3.4.2电力参数显示

点击主控软件主界面中的“电力参数测量",进入到主控软件的主要部分——“电

毕北电力人学硕士学位论文

力参数测量”界面。通过此界断,可以进行启动或者停止测量系统的I一怍,并可以 保存当前的测量数掘到数据库中。 当初次进入电力参数硅示界面时,“停止测量”按钮无效,“丌始测景”按钮有 效,提示现在还未启动测量。点击“t丌_始测量”按钮后,则“停止测量”按钮变为 有效状态,“开始测量”按钮变为无效状态,提示现在处于测量状态。 点击“开始测量”或“停止测量”按钮,主控模块将通过模块M通信接口向采 集模块中DsP的内存的个固定地址置测量标志量,DsP在主程序中会直查询此 标志量:如果允许测量,并且清求的是电力参数数据(测量标志量为1),则数据采 集模块将动态地(1s左右)向主控模块传输测量到的电力参数.并将其显示在界面 上。如图4—11。界面中显示的有三相电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率 和功率因数等电力参数。 点击“保存到数据库”按钮.主控模块将会把界面中显示的所有测量数据保存 为数据库中的一条记录,以各同后查用。

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c相

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e64 340

0口0口430 673


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0口00

0口响

船717 D120 4qi 6叩864 340

丛豳倒摩露了
4.3.4.3电力波形显示



[五i剑

剧4—11电力参数测量界面

点击右上角的“波形”按钮,叮以切换到“电力波形显示”界面。

点击主控软件主界面中的“电力波形显示”.进入到“电力波形晶示”界面。在 启动测量之后,可以在此界面中观察到三相电压电流的动态波形。电力波形显示的
电流和电压显示界面如图4.12和图4—13。

华北【UJJ人々坝}学位论文

互划型匣看■陋到
附4.12一相电流波形显示界面

蚓4.1



圳电压波蟛显示界而

通过此界面中右边“测量对象”下拉菜单,用户可以选择动态显示的三相电压 (测量标志量为2)或电流(测量标志量为3)波形数据。在界面的矗上角有相应 的三相波形图例说明。点击右上角的“参数”按钮,可以切换到“电力参数测量” 程序界面。
4.3

4.4电力参数测量数据管理 点击主控软件主界面中的“测量数据管理”按钮,进入到“测量数据管理”界

面。在此界面中,可以完成对测量数据单条或多条记录的删除、保存和发送,并可 以以时间为条件来查询数据。测量数据管理软件界面如图4.14。 本系统的数据管理中使用的数据库是wincE 5.0自建的windows
cE Database

(cEDB)1291。它是在字节流的基础上,对文件进行了进一步的抽象,提供了与关 系型数据库类似的数据结构化存储和访问。wjncE 5.0提供了一系列的API

+川L【u山』、学颂十学位论文
Applicauon Prog【ammmg

Jnlcr妇ce,l训H程序编程接口)束操作cFDB

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阿一芝塑lI墨l厦i-

囤4.14测量数据管理界面

在测量数据管理界面中每条电录的内容有:保存测量数据的时叫、:相电压、 电流、有功功率和功率角(数据均按A、B、c相顺序排列,以,为分割符)。时『自J 的格式为:年,月,同一时分秒,例如09/04,2吐150613,表示09年4月20同15时6 分13秒的测量得到的数据。数据按照时间顺序排列。 要删除记录,可以选中需要删除的单条或多条记录,点选“删除记采”按钮, 会有让用户确认删除的提示信息,当用户确认后,将会删除之前选叶I的U录。 如果需要将记录以文件的形式保存到u盘,用户需要先将u盘插入别主控模块
的一个usB Host接口,然后选择“保存到文件”按钮,界面会出现打丌文档对话

框,提示你文件保存的位置和文件名,找到u盘的位置,然后点保存即可。 当需要查看以文件形式存在的测量数据时,需要选择“添加记录文件”按钮, 选择需要添加入界面中的文件。完成数据记录文件的选择之后,文件中的测量数据 记录就会按时间顺序显示在数据管理界面中。 当用户需要查询某个时间点的测量数据电录时,需要选择“查询”扳宅f【,输入 时间并确定,光标即可定位剑矗询到的H录;如果未查找到,会给Hl“朱食嘲到此
条}己录”的提示信息。

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第五章

试验结果分析

5.1系统误差分析
在实际测量的过程中,人们对于客观事物认识的局限性,测量工具本身的不准

确,测量手段的不完善,受环境影响或测量工作中的疏忽等,都会使测量结果与被 测量的真值在数量上存在差异,这个差异称为测量误差。由于误差存在的普遍性和 必然性,因而人们只能将它控制在尽量小的范围内,而不能消除它。以下将对本系
统的测量误差作简要的分析。

5.1.1准确度、精密度和精确度 为了正确的说明测量结果,通常用准确度、精密度和精确度来评定测量结果,
它们的意义如下【31,32】:

1)准确度:是指测量值与真值的接近程度。反映系统误差的影响。系统误差小
则准确度高。

2)精密度:是指测量值重复一致的程度。说明测量过程中相同的条件下用同一 方法对某一量进行重复测量时,所测得数值相互之间接近的程度。数值愈接近,精 密度愈高。换句话说,精密度用以表示测量值的重复性,反映随机误差的影响。
3)精确度:它反映系统误差和随机误差综合的影响程度。精确度愈高,说明准

确度及精密度都高,意味着系统误差和随机误差都小。 5.1.2测量误差的表示方法
测量误差的表示方法一般分为绝对误差、相对误差和引用误差三种【33】:

1)绝对误差:由测量所得到的被测量值x与其真值A的差,称为绝对误差。

血暑x一么o
量纲的数值。它的大小和正负分别表示了测得值偏离真值的程度和方向。

(5.1)

当x>彳。时,缸是正值;当石<彳。时,缸是负值。所以缸是具有大小、正负和

2)相对误差:测量误差与被测量的真值之比(用百分数表示),称为相对误差,用
7,o表示。

舻筹灯毗
要区分时称为实际相对误差),用),爿表示:

@2)

因为一般情况下得不到真值,所以可用绝对误差与实际值之比表示相对误差(有必

华北电力大学硕士学位论文

”筹×100%=等×100%

(5.3)

可见,用相对误差可以恰当地表征测量的准确度。相对误差是一个只有大小和

符号而没有量纲的数值。测得值得相对误差愈小,表示它的准确度愈高。所以评价 测量水平时应当用相对误差来比较,它是误差计算中最常用的一种表达方式。
3)引用误差:相对误差可以较好的反映某次测量的准确程度。但是,在连续刻

度的仪表中,用相对误差来表示整个量程内仪表的准确程度,往往感到不便。因为
使用这种仪表时,在某一测量量程内,被测量有不同的数值,若使用相对误差公式 来计算相对误差,随着被测量有不同的数值,式中的分母也在变化,求得的相对误

差也将随着改变。因此,为了计算和划分电气仪表准确度等级的方便,将相对误差
公式中的分母改用取仪表量程(即满刻度值作为分母),这就引出了引用误差的概 念,即

”筹姐慨。号灯嗍
式中',Ⅳ:引用误差;

㈣4,

缸:绝对误差;
彳Ⅳ:仪表的量程。

仪表的准确度等级及最大允许误差(即引用误差)应符合表5.1的规定【341。
表5.1准确度等级及最大允许误差 准确度等级 最大引用误差(%) 准确度等级 最大引用误差(%)
0.1 ±0.1 2.0 ±2.0 0.2 ±0.2 2.5 ±2.5 0.5 ±0.5 5.0 ±5.0 1.0 ±1.0 10 ±10 1.5 ±1.5 20 ±20

5.1.3测量误差的来源 参数测量的高精度是本设计的关键,而影响测量精度的因素有很多,在本装置 中将测量误差分为系统误差和随机误差,它们存在于测量的各个环节。其中测量的 系统误差主要来源于两个方面:数据采集模块的硬件电路引起的系统误差,和电力
参数软件测量算法引起的系统误差。

在电网电压和电流转换成标准的采样电压的过程中会产生一个变送误差,其主 要是由仪器用互感器的励磁电流和漏磁压降等因素造成的。而本系统中针对测量精 确度为0.1级,选用的是由公司定做的变换误差为O.01%的互感器,最大限度的避
53

华北电力大学硕十学位论文

免由此产生的误差。

信号经过变换后要经过一系列的滤波放大电路,对信号进行处理。器件主要有 运算放大器和各类电阻、电容,这导致电路中存在着一定线性误差。基于此,系统 的硬件设计中多选用精密的电阻、电容器件,同时放大器也是采用的是线性度较高
的0P27。

电网数据的采样量化电路由于采用的AD7656芯片其内部自带6路采样保持器, 所以在模拟转换过程中的主要误差取决于~D的分辨率,而系统选用的16位~D

转换器,其最高输入电压信号为±5y,其量化误差为1彤/(2坫一1)一O.00015259v,


引入的引用误差很小,可以忽略不计。

与数字信号处理相关的误差主要取决于CPU的字长、选用的算法、采用的频率 是否能跟踪系统频率的变化等。本系统选用的是DSP数字信号处理器(16位字长), 同时采用基于交流采样的瞬时值数据处理算法,引入硬件锁相环跟踪技术使采样频 率能快速跟踪电网信号频率的变化。由此可见这部分的误差得以大大减小。 由上可以看出本系统设计已经将尽量减小了系统可能的误差,但这并不代表系
统中的误差已经降到了最低,因为还有随机误差的存在,所以很好的抑制随机误差

的产生也是相当重要。因为数据的测量误差主要产生在数据采集模块中,所以抑制 随机误差的工作主要体现在对数据采集模块中的电路板走线以及电源和地线等细 节方面的设计中,而本文已经在设计中考虑到了电磁兼容性问题,使本项误差降到
较低的水平。

5.2系统测试平台
本论文设计的测量系统在保定新云达电力设备有限公司进行测试。因为本测量

系统所需实现的测量准确度为O.1级,所以需要比被测设备的准确度等级至少高两 个等级的标准设备对其进行校验,即校验测试设备的准确度等级应该不低于0.02 级。新云达公司提供的测试设备有德国ZERA公司的COM303.1型三相标准表(准 确度等级为0.01级),和美国Radian Research公司的RM.11型单相标准电能表(准 确度等级为O.025级)。测试本测量系统时选用的校验设备是COM303.1,外观如图
5.1。

图5.1测试仕川的cOM303.1外观罔

c0M303.1的系统性能如表5.2所示 c0M303.1系统性能㈣
230V+lO%,?15%,50Hz~
60Hz

袭5.2

工作电压

温度范围 电压量程 电流量程

15。C一40℃
60v,120v'240V
480V

mA:5,10,20,50,100,200,500

A:1,2,5,10,20,50,100,200

支持的测量模式

4线:有功、无功、视在,直流 3线:有功,无功,视在 2线:有功,无功,直流

测量功率和电能的准确度 等级(与测量模式无关)
对麻电压范围:30v~5∞v
对应电流范围50mA一1 60A

‘1呻×104

测量功率和电能时的准确 度(与测量模式无关)
对应电Ⅱ托崮:30v一一500v

‘舳x10。(50%{一16叫1
《180×104aOm一一50m一)

<280×104(1州一10md)

搭建的系统测试平台框图如图5.1。功率源可以根据对三相或单相电压电流信号 进行幅值、相位的设定来生成相应的电网信号。标准表和测量系统都接入同一功率 源。功率源输出的电流信号串联输入进标准表、测量系统,并返刚至功率源:电压 信号并联输入标准表和测量系统。被测设备的高频电能脉冲输出接入到缸准表设番

华北电力大学硕+学位论文

的校验脉冲输入。

图5.2搭建的测试平台框图

在开始测试之前,需要向标准表输入被测设备的电能表常数和校验圈速。通过 对同源的电压电流信号进行测量计算,标准表将自身内部计算的电能值与根据被测 设备的输入脉冲计算出的电能值相比对。因为标准表具有很高的准确度等级,它内 部的计算值作为真值,COM303—1标准表可以直接在屏幕上输出相对误差值。

5.3测试结果及分析
由于提供的测试设备不能单独对电压、电流信号进行测量而得出误差数据,只 能通过自身与被测设备输出电能脉冲的比对来间接确定测量设备对电压、电流的准

确度。可以通过稳定一个电压或电流信号,改变另一个信号的值,然后通过电能脉
冲的误差来间接标定测量电压或电流的准确度等级。 测试时测量系统均使用内部电流互感器(准确度等级为O.01级,额定电流5A)。

测试结果表格中的数据均为由标准设备直接计算出的相对误差。每个项目测量十
次,序号依次从1到10,每行的最后一列为当前项目测量所得的最大相对误差绝对 值。 每一检测点所得的相对误差计算公式为:


E:%;盟×100%


(5.5)

式中:彬:测量装置指示的电能;

形:装置检验标准指示的装置输出端电能。
本论文通过对三相电网信号接线中3种不同的量程,每个量程提供3个不同的 功率因数,在每个功率因数下提供2个或3个不同的电流值的测量试验来测试本测 量系统的准确度。功率因数和电流值的选择参考了文献【36】。测试结果如下:

华北电力大学硕士学位论文

1)三相四线接线,量程:3丕22Qy:圣丕5△

电篚麦堂数;.至垒QQP丛迎h

表5.3功率因数:1.0
r%
Ib O.5Ib O.1Ib 1
+O.05 +0.05 +0.04


+O.06 +0.03 +0.04


+0.06 .O.02 .0.02


+0.05 +0.03 -O.03


+0.05 .0.05 +O.03


.0.04 +0.04 +0.05


.O.03 .O.05 +0.03


一O.06 +O.03 .0.03


+O.06 +0.05 +0.04

10
+0.04 .O.03 +0.05

I r%I—
0.06 0.05 O.05

表5.4功率因数:0.5L r%
Ib O.5Ib O.1Ib 1
.0.03 +0.05 +0.03


+0.03 +0.05 .O.03


+0.05 .0.02 +0.01


+0.05 .0.07 .O.04


.O.05 .0.04 +0.02


.O.03 +0.05 +0.04


.O.04 -O.05 +O.04


+0.03 +0.04 —0.02


+0.04 +O.06 +O.05

10
+0.04 .0.05 +0.05

I厂%l~
0.05 0.07 0.05

表5.5功率因数:0.8C
r% Ib 0.5Ib O.1lb 1
+0.02 +0.05 +O.04


.O.02 .O.01 +O.05


.O.01 +0.03 .O.01


-0.04 +0.03 .0.03


+0.02 +0.05 .0.03


.0.05 .0.02 +0.02


.0.05 .0.04 +0.05


+0.04 +O.01 +0.03


.0.02 +0.05 +0.04

10
+0.04 .0.01 +O.04

l,.%I—
O.05 0.05 0.05



三相三线接线,量程:3茎!QQy:至丕5△

电能表常数:2垒逝丛巡h
I,-%I嘣
O.05 0.06 O.06

表5.6功率因数:1.0
r% lb O.5Ib 0.1Ib 1
+0.05 .0.04 +0.04


.0.03 +O.03 .0.06


.0.04 +0.03 .0.02


+0.05 一O.02 .O.03


+0.05 .O.06 .0.03


.0.02 .O.06 +0.03


.0.03 .O.05 .0.04


-0.04 +0.04 .O.02


+0.04 .0.05 +0.06

10
+0.04 .O.06 +O.05

表5.7功率冈数:0.5L
r% Ib 0.5Ib O.1Ib 1
+O.03 .0.05 .0.04


+0.05 +0.06 .0.06


+O.08 .O.02 .0.07


+0.05 .0.06 —0.04


.O.05 .0.06 +0.02


.O.02 +0.04 +O.04


.0.05 .0.05 +0.04


+0.08 +0.03 -0.07


+O.08 +0.04 +0.05

10
+O.04 .O.04 +0.05

I,.%I—
0.08 0.06 0.07

57

华北电力大学硕十学位论文

表5—8功率因数:0.8C
r% Ib O.5lb 0.1Ib 1
.O.03 +O,05 +0.04


.0.06 .O.04


.0.08 +O.05 +O.06


.O.07 +O.04 .O.07


+O.05 +O.05 .0.02


—0.04 +O.04 +0.05


.0.05 .O.05 +0.05


+O.04 .O.04 .O.02


.0.02 +O.05 +0.06

10
+O.04 .0.03 +0.07

Ir%I—
0.07 0.05 0.07

+0.04

3.

三相四线接线,量程:3苎!QQy:3茎!△

电能表常数:12000p/kWh

表5.9功率因数:1.0
r% Ib 0.5Ib 1
+D.02 .0.03


.0.04 +0.03


+O.04 +O.05


.0.05 .0.06


.O.03 .O.04


+0.02 .O.07


.O.04 .O.07


+0.03 +0.03


+0.05 .O.06

10
.0.04 .O.06

I,%I—
O.05 0.07

表5.10功率因数:0.5L r%
Ib 0.5lb 1
+0.06 .0.05


+0.07 +0.03


+0.06 .0.05


+0.06 +0.06


.0.04 .0.03


+0.04 .O.06


.0.07 .0.04


—0.03 +0.05


.O.05 +0.06

10
+O.04 .0.05

f r%f吣,
O.07 0.06

表5.11功率冈数:0.8C
r% Ib 0.5Ib 1
.0.05 +O,04


.O.07 +0.04


.0.07 +O.03


+0.06 .O.04


+O.08 .O,02


+0.05 +0.05


+0.08 .0.05


.O.04 .O.03


.0.06 +O.05

10
+0.07 +O.03

l,.%I—
0.08 0.05

由上述的测试结果可知,本论文实现的电力参数测量系统对三相有功功率、有 功电能的相对误差均在O.1%以内,满足论文提出的对电流、电压、功率和电能准确 度为0.1级的要求。

58

华北电力大学硕士学位论文

第六章总结与展望

6.1本文研究总结
本文首先根据当前在电力参数测量领域中存在的问题,提出了研究一种具有高 精度并具可扩展性的电力参数测量系统的必要性。在简要介绍了国内外电力参数测
量系统发展现状的基础上,分析了现在市场上的电力参数测量系统中所采用的常用 技术。本论文的工作主要包括: 1)提出了测量系统模块化设计方案:系统分为数据采集模块和系统主控模块, 并采用ARM+DSP的双核心处理器结构。对各个模块的功能进行了划分,并给出了 功能结构框图。

2)完成了数据采集模块的硬件电路设计和编写采集处理软件。硬件上采用TI
公司的DSP芯片作为数据处理和传送的核心芯片,和16位高精度的模数转换器作 为数据采集量化的核心芯片,并通过硬件锁相环构成的同步电路来保证采样能与电

网频率的精确同步,同时还定义了与系统主控模块问的通信接口。软件上,详细介
绍了采集模块中的核心程序:数据采集子程序和数据传送子程序,同时也介绍了程 序中使用到的电力参量测量算法。因为后面所使用到的测试设备只能通过对电能脉

冲计数来进行误差计算,所以相应设计了软件产生电能脉冲的程序。在软件设计过 程中,采用了模块化、结构化的设计思想,使得各功能模块易于扩展。
3)完成了对系统主控模块的硬件平台搭建,并编写了相应的主控软件。针对 系统主控模块需要的功能,定制生成了适合主控模块功能的嵌入式操作系统winCE 5.0和相应的SDK,搭建了系统主控模块的软件开发平台。对主控软件的三个子模 块:参数测量、波形显示和数据管理也进行了详细的功能介绍。

4)完成对测量系统的测试和数据分析。介绍了使用到的测试设备,并通过分
析测试得到的数据,得出了测量系统达到预期的准确度等级的结论。

6.2对本文工作的展望
由于开发时间的限制,本文所做的工作仍然有很多不完善的地方,还需要付出

更多的探索和努力来完善该测量系统的功能。可以从以下几个方面进行改善: 1)可以独立设计开发主控模块所使用的硬件,以降低整体成本和提高设备的抗
干扰性能。 2)本测量系统暂时只实现了对基本电参量的测量和显示管理,在以后可以在此

基础上开发更多的测量和其他附加功能,例如可以添加谐波分量测量,接线错误判
59

华北电力大学硕士学位论文

别等,也可以设计测量误差校正程序,利用测量系统高速的运算能力可以对测试时 的误差进行软件补偿,以提高信号测量的准确度。 3)可以完善主控模块的软件功能。为满足以后实际的数据管理功能,可以使用 winCE中功能更为强大的数据库组件SQLCompact、SQLMobile或SQLServer 设备上,方便用户随时查看数据,可以实现对电网信号的监测功能。
CE。

4)可在测量系统中扩展无线和有线网络功能,用于发布数据到PC机或者移动

华北电力大学硕士学位论文

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62

华北电力大学硕士学位论文





两年的硕士学习生活即将结束,自己的学习旅程也将到新的一站。站在这个人 生的站台上,回顾自己在学业上的每一点进步,都离不开学校的老师、同学们和亲 人们的关心和帮助。在此,向他们表示最衷心、最诚挚的谢意。 本文是在导师尚秋峰教授的悉心指导和关怀下完成的,从论文的选题、定题、 研究到定稿无不倾注了导师辛勤的指导。在我的研究生求学生涯中,尚老师对学术 问题准确、深刻的分析和把握,使我在研究中受益匪浅。她渊博的知识、严谨的治 学态度、坚持不懈的钻研精神以及平易近人的高尚品格都强烈地感染和鼓励了我,

我在学习和生活各方面的点滴进步都受益于她的谆谆教诲。在此论文完成之际,我
衷心地对尚老师表示最诚挚的感激之情! 在此也谨向保定新云达电力设备有限责任公司的班福厚总经理和程愚工程师表 示感谢,感谢他们在我课题期间给予的大力支持和帮助。

感谢我的同学刘静、张静,学弟陈于扬,学妹林炳花、康丹在我课题研究期间
给予的无私帮助。 感谢我的父母,我的妹妹,他们给予了我生活上无微不至的关怀,最无私和最

值得珍惜的爱。今后的日子里我会尽最大的努力来报答他们,尽管这并不是他们所
要求的。 最后,我要向所有帮助过关心过我的人们表示衷心的感谢,正是你们点点滴滴

对我的影响才造就了现在的我。衷心地谢谢你们!

基于DSP和WinCE的电力参数测量系统
作者: 学位授予单位: 杜崇高 华北电力大学(保定)

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