1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 电参数测量系统设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 随着我国电力电子工业近年来的迅猛发展以及各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备的普及，使人们对电能质量的要求也越来越高，因 而进行有效的电量参数的测量、监控与分析，已经成为一项迫切而又重要的任务。 本系统是以 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 芯片为核心并且结合了高精度的 16位模数转换芯片 ADS8364 来实现。在电路的时序控制方面采用了 CPLD 来控制，这样就可以使系统同时实现频率的跟踪和同步采样的功能 ,并给出
2、了 VHDL 程序设计，最后再结合实际的电路系统原理图，介绍了各模块的运行原理，进行了系统硬件和软件方面的设计。 实践表明：该系统设计基本上可以达到预期的要求和目标，各模块结构相互关联，具有很好的扩展性和移植性，满足了对电量 参数进行测量的需要。 关键词： 参数测量， FIR滤波， DSP， CPLD II Electrical Parameters Measurement System Design Abstract With the rapid development of power electronics industry in recent years and various com
3、plex,precision,power quality sensitive to the popularity of electrical equipment,it make people to the electric power quality request is more and more high,thus for effective power parameters measurement,monitoring and analysis,has become an urgent and importment tasks. This system is based on TMS32
4、0F2812 of TI company and high precise 16-bit analog-digit transform chip ADS8364. In the time sequence control respect, it uses CPLD to realize frequent tracking and synchronized sampling function,at the same time it gives the VHDL programming.Finally combining practical circuit system dragram,intro
5、duces the operation principle of each module and has a design on hardware and software section. Practice shows that the design achieves the expected requirements and goals, each module structure connected ,has the very good expansibility and portability, it meets the needs of measurement of the elec
6、trical factors. Keywords: parameters measurement, FIR filter, DSP,CPLD III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 电参数测量系统国内外发展现状 . 1 1.3.1 基于对正余弦周期信号模型的研究现状 . 1 1.3.2 基于对非周期信号模型的研究现状 . 2 1.3.3 基于对离散频谱分析模型的研究现状 . 2 1.3.4 基于对数字信号处理器的国内外研究现状 . 2 1.4 课题研究的主要内容 . 3 2电参数测量的标准及方
7、案设计 . 4 2.1 交流电参数的测量标准及问题 . 4 2.1.1 交流电参数测量的标准 . 4 2.1.2 电参数测量的问题 . 5 2.2 电参数测量系统的方案设计 . 5 2.2.1 系统设计的规则要求 . 5 2.2.2 系统总体方案的确定 . 6 3测量与信号处理的算法研究 . 8 3.1 FIR 滤波器模型的建立 . 8 3.1.1 FIR 数字滤波器简介 . 8 3.1.2 FIR 滤波器的算法实现 . 9 3.2 基于周期法测量各参数的算法实现 . 9 3.2.1 周期测量法 . 9 3.2.2 傅里叶变换测量法 . 10 4 电参数测量系统的硬件设计 . 12 4.1 硬
8、件平台的总体设计 . 12 4.1.1 系统硬件部分的设计原则 . 12 4.1.2硬件部分的总体设计方案 . 12 4.2 系统硬件各模块的 实现 . 13 4.2.1 信号处理模块 . 13 4.2.2 A/D 转换模块 . 13 4.2.3 DSP 数据处理模块 . 14 IV 4.2.4 逻辑控制模块 . 17 4.2.5 通信接口显示模块 . 19 5.1 控制部分软件设计 . 21 5.1.1 软件系统程序流程的设计 . 21 5.1.2 系统软件部分程序 . 22 5.2 DSP部分软件设计 . 25 5.2.1 DSP 程序设计概述 . 25 5.2.2 数据的采 集 . 26
9、 5.2.3 频率的计算 . 26 5.2.4 其它电参数的计算 . 27 5.2.5 与 PC 口的串行通信 . 27 6 总结 . 29 参考文献 . 30 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附 录 . 31 电参数测量系统设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 近些年来，随着我们国家在电力电子技术、自动控制技术、测量技术以及计算机技术等高新技术方面的迅猛发展，电能质量的好坏对于一个电力系统的安全经济运行，保证产品质量和科学实验的正常进行以及有效地降低能耗等方面均有重要的意义。为了彻底地改善这种状况，对一个电力电子系统进行完整地分析和监测，就成为了检测技术的一个重要的研究方向。因此，能否准
10、确、完整地对各种电 量的参数进行测量和分析是成功的关键所在。 1.2 课题的意义 众所周知，电力系统正常、安全、高效的运行对于国民经济和社会的健康发展都有着极为重要的意义。在各种工业生产和人们的日常生活中，电力对社会和个人有着密切的关系，因为电压、电流的过高和过低，均能影响到各种电器设备的正常使用，所以对电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数以及频率等电量参数进行精确地检测可以很快地掌握各供电线路和设备的运行状况，并能够及时发现电路中存在的各种隐患，进而采取一些合理有效地措施来保证各系统及设备的良好运转。 随着我国经济的高速 度发展，在化工、冶金、电力等行业，以及家用电器中非线性负荷的使用日
11、渐增多，特别是一些大功率设备的大量应用，导致在电力系统中产生大量的高次谐波，进而引起电压、电流的波形发生畸变，电力谐波不仅会严重危害各种供电设备和仪器仪表，促使其供电质量下降，从而不能准确地反映电力系统运行的情况，损害了用户的切身利益，同时也会对电力系统本身造成不良影响和严重的危害。 从以上的研究可知，研制出一种较实用的电量参数测量系统装置具有非常重要的意义，它不仅可以对电压、电流、功率、功率因数和频率等重要的电力参数进行实时检测，还可以对各 种电力系统中的高次谐波进行实时的分析，从而使人们可以采取进一步的措施，减少谐波的污染，保证电能的质量，保证电力系统能够安全、可靠、经济地运行。 1.3
12、电参数测量系统国内外发展现状 1.3.1 基于对正余弦周期信号模型的研究现状 从正余弦信号的变化情况出发，利用正余弦函数的特性，从若干个采样值电参数测量系统设计 2 中计算出各信号的参数，如采样值累计算法、最大值算法、采样值积算法、Mann-Morrison 导数算法、三采样值算法和解方程算法等。以上这些算法的特点是原理简单，信号观测时间短、采样点数较少，因而计算量较小、响应速度较快 ，但是容易受到高次谐波，随机干扰信号的影响。 1.3.2 基于对非周期信号模型的研究现状 该算法是对信号观测模型进行数学变换，将待测量的数值表示为样本值来估计。该算法简明，计算量不大，较传统的周期法稍有所改进，但
13、难以适应非稳定频率下的测量，即使在稳定的条件下，也必须有严格的前置滤波环节，且算法推导过程较复杂，精确度总体不高。 1.3.3 基于对离散频谱分析模型的研究现状 DFT（离散傅里叶变换）或其快速算法（ FFT）是频谱分析的主要方法，目前在电量参数测量领域中应用较为广泛。 DFT(FFT)是一种典型的数字 滤波技术，它可以分离出信号的基波分量和高次谐波分量，进而得到信号各频率分量的幅值、频率和相位。 DFT 能够准确地求出信号的参数，其准确度和稳定度都较好，而且计算量相对较小。但如果信号的采样没有保持同步的话， DFT 法就会产生频谱泄漏和栅栏效应，导致测试出现偏差，尤其是相位误差和高次谐波参数
14、检测误差大。 1.3.4 基于对数字信号处理器的国内外研究现状 1982 年，美国 TI 公司推出了 TMS320 系列 DSP 芯片中的第一代 DSP TMS320010及其系列芯片，之后又相继推出了第二代 DSP芯片 TMS320020，第三代 DSP芯片 TMS320C30/C31/C32/C33C,第四代 DSP芯片 TMS320C40/C44，第五代DSP 芯片 TMS320C5x/C54x 以 及 目 前 速 度 最 快 的 第 六 代 DSP 芯片TMS320C62x/C67x 等。 TI 公司的系列 DSP 产品已经成为了当今世界最有影响的DSP芯片， TI公司已成为世界上最大
15、的 DSP 芯片供应商 1。 20 多年来， DSP 芯片得到了迅猛的发展，随着其应用的不断扩展和深入，今后 DSP芯片将会发展更快。主要体现在以下几方面： 1)在生产工艺上，采用先进 的 CMOS工艺制造和砷化镓集成电路制 造技术，使芯片的集成度更高、功耗更低。 2)研制高速、高性能 DSP器件将以 RISC（精简指令系统计算机）基本结构为主导。 3）模拟 /数字混合式 DSP芯片（集滤波、 A/D、 D/A及 DSP处理于一体）将有很大的发展空间，应用领域将会进一步扩大。今后模数混合式 DSP 芯片将成为 DSP发展的主要方向。 电参数测量系统设计 3 4）将 DSP技术与嵌入式技术相结合
16、，在 DSP芯片中嵌入相应的模块，这样可以进一步扩大 DSP 的逻辑控制能力。 1.4 课题研究的主要内容 本文研究的目的是研究电参数测量系统的控制 和实现，通过认真学习、研究和总结，力求达 到更高的实时性和更高的精度，具体研究内容 如下： （ 1）根据目前电参数测量仪的发展趋势和现有的 设计条件，设计了电参数测量系统的整体方案和技术要求。 （ 2）分析了各种算法的优点和缺点以及实现的可 能性，并针对频率测量和参数计算算法的重点和难点，同时考虑到实用 性，最终决定用快速傅里叶变换的方法来提高系统测量的精确度。 （ 3）电参数测量系统的硬件部分的设计是基于 TI 公司的 TMS320F2812
17、DSP 芯片，设计了信号的采集与处理电路、 AD 转换电路、 CPLD 逻辑控制电路以及 DSP 数据计算电路。 （ 4）软件部分的设计是 把软件部分模块分成了逻辑控制模块和 DSP 数据处理模块来分别进行设计，最后给出了相应的 程序流程图和部分程序源代码。 （ 5）结合系统的软件部分在 PC 机上运行并显示，具有方便直观等优点。 电参数测量系统设计 4 2 电参数测量的标准及方案设计 2.1 交流电参数的测量标准及问题 本系统是在理想的交流电源供电的情况下对电路中各电量进行参数的测量和分析，其中主要包括了电流、电压、无功功率、有功功率、视在功率、频率以及功率因数等。 2.1.1 交流电参数测
18、量的标准 针对正余弦情况下的各电参数的数学表达式，再结合本系统的实际情况，下面列出了在三 相正弦系统下对各种电量参数定义的表达式。 三相电流信号定义如下： 2 sin( )ai I wt （ 2-1） o2 s in ( 1 2 0 )bi I w t （ 2-2） 2 s in ( 1 2 0 )oci I w t （ 2-3） 同样三相电压也有类似下式： ln2 sin( )Va V wt （ 2-4） ln2 s in ( 1 2 0 )oVb V w t （ 2-5） ln2 s in ( 1 2 0 )ocv V w t （ 2-6） 其中 lnV 为相电压。 瞬时功率如下： a a
19、 b b c cP v i v i v i （ 2-7） 有功功率如下： 1 KTKTP pdt （ 2-8） 无功功率如下： 22Q S P （ 2-9） 视在功率如下： ln3S V I （ 2-10） 功率因数如下： 电参数测量系统设计 5 22co sppS pQ （ 2-11） 2.1.2 电参数测量的问题 传统的测量方法存在的一些问题如下： （ 1）测量的精度低 交流采样是通过对输入波形离散数字化后，通过一定的算法得出表征输入波形的各种参数。排除信号调理电路的误差及转换的误差外，测量精度取决于 2个方面：一是采样的速率；二是算法。在一个交流周期内对输入信号采样点越多，则对波形的描叙
20、越细致，计算精度也越高。 (2)实时性较差 采用 FFT变换进行频域处理的问题是计算量大，反应速度慢，因此也限制了它的应用。 2.2 电参数测量系统的方案设计 2.2.1 系统设计的规则要求 本系统作为一种对电量进行智能测量的仪表，它与传统的测量装置有一些差别，因为它采用的是高精度的数字信号处理器来实现，在采样、元件的选择和运算等方面都采用了最新的技术，因此要想成功设计出本系统必须要遵循一定的设计原则： 1）根据设计对象的要求和实际的要求条件列出详细的设计目标，而且目标要符合实际的要求。 2）将硬件和软件部分相协调起来，进一步优化你的设计方案。 3）任何仪表都有可能出现使用故障，所以应该设计出
21、具有能够进行自诊断和异常处理功能的系统，这 样可以提高产品的可利用性和维护性。 下面给出一些在实际设计中应该引起注意的地方： （ 1）系统精度的设计 在实际的测量中，测量的结果往往会或多或少地偏离被测量的真实值。在这其中系统的误差对其影响很大，它的来源主要包括测量设备误差、测量方法或原理不完善等所带来的误差。 （ 2）采样频率的选择 采样定理说明了要使采样信号不失真传输的采样条件是要求采样频率 fs 要大于等于信号截止频率 fc 的 2 倍， fs 就称为奈奎斯特频率。这只是给实际采样的频率提供了理论上的依据，而往往在实际过程中的信号根本不存在理论上的截止频率 fc，因此 采样频率 fs 的选择就不能仅仅根据奈奎斯特采样定理来确定。
