电参数测量系统设计【开题报告】.doc

1、毕业设计开题报告 电子信息工程 电参数测量系统设计 1 选题的背景、意义 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式 微控制器 ，常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由 芯片 内仅有 CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、 温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量

2、。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 DSP 芯片，也称数字信号处理器， 是一种具有特殊结构的微处理器。 DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的 DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。 根据数字信号处理的要求， DSP芯片一般具有如下的一些主要特点： （ 1） 在一个指令周 期内可完成一次乘法和一次加法。 （ 2） 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 （ 3） 片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在

3、两块中同时访问。 （ 4） 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 （ 5） 快速的中断处理和硬件 I/O支持。 （ 6） 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 （ 7） 可以并行执行多个操作。 （ 8） 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 DSP芯片的优点有：大规模集成性、稳定性好、精度高、可编程性、高速性能、可嵌入性以及接 口和集成方便。 DSP的芯片的缺点有：成本较高、高频时钟的高频干扰、功率消耗较大等。 DSP芯片的主要应用领域有：信号处理、图像处理、仪器、声音语言、控制、军事、通讯、医疗、家用电器等。 电量测量与各个学科、各个行业的关系十分密切。电量测量是获

4、取信息的重要手段，在工农业生产、科学技术研究、国防现代化建设等各个领域有极为广泛的应用。电量测量技术和电子仪器早已成为一种各行各业所需的通用技术和通用设备。同时它还是一个把电子、计算机、通信与控制等电子信息专业知识综合应用在测量科学技术中，而形成的一个独具特色的学科。 其特点是综合性强、实践性突出、应用面广泛。我们通过对电量测量的学习，不仅能获得电子测量技术和仪器方面的基础知识和掌握一门通用技术，而且可以培养综合应用能力与实践能力 1-3。 2 相关研究的最新成果及动态 目前基于 DSP技术的新型电参数测量分析仪 KC-3105多功能标准表是一种新型电参数测量分析仪；利用 AD 转换器将输入的

5、模拟信号转成离散的数字信号，再通过微处理器计算得到各种电参数值。是基 于 DSP（数字信号处理）技术的采样计算型产品其技术特点为 :1、 KC-3105 标准表采用先进的 DSP 数字信号处理技术 和高速高精度 16位 A/D转换技 术 ,准确度达到 0.05级，能同时测量三相电压、电流、相位、功率因数、频率、有功功率、无功功率、有功和无功电能等多种电参数 ,并具有谐波分析功能。电压、电流的量程范围宽，能进行自动切档，安全可靠。误差能通过软件自动校准，具有大屏幕液晶显示，菜单引导操作，使用方便直观； 2、该标准表利用 A/D 实时采样数据 ,结合 DSP 的快速计算 ,在确保测量的准确度和稳定

6、性的前提下，显示数据刷新时间小于 200ms，对输入电压、电流信号变化的 响应速度优于现有的各种 0.05 级以上等级的电参数仪表； 3、该标 准表设计的 D/F转换模块 ,具有较高的脉冲频率 (可达 45kHz),远高于国内同类 A /D 采样型电能表的脉冲频率（ 10kHz），提高了误差运算时的计数分辨率，缩短了校表时间，避免了宽量程校表时频繁修改标准表的常数； 4、该标准表的功 率因数计算采用 COS=P/UI 计算式 ,符合 S.Fryze的时域无功功率的概念 ,在非正弦波形下 ,它能合理反映广义的功率因数。专家认为该标准表设计先进，各项指标符合 0.05 级多功 能标准表的技术要求，

7、居国内同类产品的领先水平，尤其是在解决电参数测量准确度、稳定性与响应速度的矛盾方 面有所创新。 近年来，数字信号处理器（ DSP）的广泛应用和多种电测专用集成芯片的成功开发，将电测仪表的发展推向了高潮。美国 AD公司提供了一种电测仪表方案，采用“ DSP+MCU+高精度 ADC”的解决方案，结果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，便可满足用户的特定功能需求，灵活性大大提高。在此基础上，改进了的各种电参数测量仪器通常是采用同步采样技术测量电流，电压有效值和有功功率，再通过计算得到功率因数，电能等参数的。同时利用 DSP

8、 高速 采样，PLL锁相环和实时分析等技术，以提高系统测量的精度和速度。最近几年，随着虚拟仪器软件的不断完善，在信号测量的频谱分析等方面更是如虎添翼 4-7。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 3.1 研究内容及方法 研究一种基于 DSP的电能质量监测系统。电力电子技术的广泛应用，导致用电系统中增加了大量的非线性负载，这会引起电网的的电流、电压波形发生畸变，从而引起电网的不稳定。 随着电力系统运行管理的系统化、网络化、自动化和智能化，功能单一的电力系统测量装置已经不能适应现 代化电能管理的需要。近年来，各种传统电能质量监测系统都开始过渡到智能电子设备（

9、 IED， Inteligent Electronic Device） 。研制一种新型的集测量、控制和通信等功能于一体的电能质量监测装置，对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性具有重要意义。 这里提出的电能质量监测系统，是参考了很多测控终端技术发展的趋势并借鉴国内外的经验，采用美国 TI 公司的 TMS320F2812 芯片而实现的。该电能监测系统主要实现对三相电流、电压信号的采集，并能够实现整周期采样，最终实现测量、监控、自动控制、通信 接口等功能 8-9。 3.2 研究难点及预期目标 （ 1）电能质量监测系统 目前，电能质量监测系统已经形成 SCADA（ Supervisory Co

10、ntrol And Data Acquisition，数据采集与监视控制）系统的模式，采用 B/S或者 C/S 结构。 多功能，全数字化的面向对象的检测单元将各类电能质量实时信息通过庞大的网络系统汇集至电能质量数据库中心，各部门通过网页浏览的方式对自己所关心的数据进行分析应用。 （ 2）硬件部分 按照模块化、数字化、智能化、网路化的设计思想，在设计中将整个硬件电路分为：信 号采集、 DSP数据处理、逻辑控制、外扩存储、人机接口（键盘及液晶显示）、串口通信 6大模块，如图 1所示。 系统的工作原理为：三相电流经过 CT（ Current Transformer,电流互感器），三相电压经过 PT（

11、 Potential Transformer,电压互感器）后，由 A/D 采样芯片ADS8364进行采样，将输入的模拟信号转换成数字信号，送入 DSP进行数据处理、显示、存储和传输等，并把超标数据存储在非易失性 Flash存储器中；可以使用键盘操作设置参数，并能通过 RS-485 信号接口实现与上位机的数据上传， 并在上位机中对数据进行分析和管理； CPLD 用来实现对整个系统外围电路的逻辑控制，产生对信号采集模块、 RS-485模块的片选信号。 信号采集模块 数据处理模块 逻辑控制模块 图 1 系统整体结构 （ 3）软件部分 DSP主程序流程如图 2所示。 DSP进入引导程序时要进行系统初始

12、化。首先，为了使串口能够配合 ADS8364开始工作，要对 DSP的串口进行设置，其中包 括对字长、允许产生中断的设置等。开始工作后串口的时钟由 ADS8364产生，然后由设置好的串口对 ADS8364 进行初始化，打开六路采样通道、设置采样频率及采样模式等，然后打开 INTO，开始进行对连续信号的离散采样。 DSP 在接收到 INTO后，打开发送中断向 ADS8364发送采样指令，并同时打开数据接收中断，开始接时钟 监控和复位 CAD 总线接口 RS-485 接口 （通信模块） 键盘 （人机接口） LED 显示 （人机接口） 外扩存储器 （存储模块） DSP A/D 转换器 调整 电路 六路

13、 电流 电压 模拟 输入 控制逻辑 CPLD 收数据，采样后对数据进行处理 10-16。 图 2 DSP 主程序流程 （ 4）预期目标 传统的电能质量监测系统大多都是在单片机基础上开 发的，而且对一些高频的复杂暂态量的采集与处理相对困难。本文选用了能现场同时采集多路信号的高速 AD 转换器 ADS8364，以 TMS320F2812 型 DSP 为控制核心设计了电能质量监测系统，同时利用 DSP 的 FFT快速实时地计算各项电能质量指标，在现场把计算的数据记录和保存，通过 RS-485 接口同上位机通信，将数据和记录上传，在后台系统进行显示和分析。该系统具有精度高、实时性好、可扩充性强、界面友

14、好、可在线测量并具有网络远传通信功能的优点。系统能够测量二相电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、三 相不平衡度、谐波 (1 30次 )、电压波动和闪变等。 4 研究工作详细进度和安排 引导程序入口 初始化系统 开中断 模拟量采集 数据处理（电能质量指标计算） 数据存储 2010年 11月 29日 2011年 2月 6日 查找并阅读有关参考文献，初步拟定课题采取的研究方法、技术路线，完成开题报告，文献综述等理论性工作。 2011 年 2 月 7 日 2011 年 3 月 18 日 对初步拟定的课题的研究方法、技术路线进行分析，进一步补充，完成结构图。 2011年 3月 19

15、日 2011年 4月 21日 完成课题程序设计。 2011年 4月 22日 2011年 5月 01日 软硬结合，调试阶段。 2011 年 5 月 01 日 2011 年 5 月 10 日 系统功能基本实现，做最后的补充、优化。 2011 年 5 月 11 日 2011 年 5 月 30 日 完成及提交毕业论文初稿。进一步修改，完成二稿、三稿，直到论文定稿，准备论文答辩。 5 参考文献 1 徐爱钧 .智能化测量控制仪表原理与设计 M北京航空航天大学出版社，1995. 2 周军，李志霞，陆勇 .基于 DSP 的电能质最在线监测系统的研制 J.电测与仪表， 2007（ 7）： 41-44. 3 王秀

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