1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 基于 dsPIC 数字信号处理器的工频电参数测量单元设计 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 随着社会经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，家用电器和机器越来越多，都需要用到交流电。 交流电的质量与居民日常生活和工业生产越来越紧密，于是工频电参数测量就应运而生。为了确定日常交流电的质量，工频电参数测量的方法也发展到了一定程度。有很多种方法测量谐波方法比如模拟滤波法、锁相环等。本设计是用时下最流行的测量方法利用快速傅里叶变换测量信号的谐波和基波 随着大规模集成电路的快速发展，单片机的集成度
2、越来越高，计算速度越来越快，功能越来越强。通过单片机来计算快速傅里叶变换在要就不是很高的情况已经能够轻松完成。本设计就是运用微星公司开发的 DSPIC单片机，因为自带了DSP引擎，大大加快计算速度。可以胜任 这个项目。本设计对频率、功率、功率因素、基波、谐波和谐波含量等做了测量。采样两个周期，采样点数为 256，频率分辨率达到 25Hz。该方案集成度高，扩展功能丰富，使用升级方便等特点。能应用于一般的工频测量场合。 关键词： 工频，电参数，单片机，谐波 II Design of dsPIC to measurement Electrical parameters of power freque
3、ncy Abstract With the high speed development of social economy and the continuous improvement of living standards, At the same time more and more home appliances and machines has been used, but they also depends on Alternating Current. Alternating Current is close to daily lives and industrial produ
4、ction. According to the present situation Measurement of power frequency has came into being. To ensure the quality of AC, The way to measurement of power frequency is become mature. There are a lot of approach to measure harmonic, like analog filtering or PLL. My system is design of Fast Fourier Tr
5、ansform, this method is the most popular now all around the word. With the high speed development of large scale integrated circuit, the integration of single chip is more and more intensive. More and more fast calculation speed and powerful. Under the normal circumstances it is easy to calculate th
6、e Fast Fourier Transform. In my design the single chip is product of microchip, it is name is dspic. Because of dsp engine in dspic, so it greatly increased the computational speed. Can be qualified for this project. The electrical parameters is : frequency, power, power factor, fundamental, harmoni
7、c and harmonic content. Sample two cycles, sampling points is 256. Frequency resolution is as high as 25Hz. The program is highly integrated, feature-fich expansion, upgrading and convenient to use. Can be applied to measure power frequency in general situation. Keywords: power frequency, electrical
8、 parameters, signal chip, harmonic 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 工频电参数测量技术国内外发展现状 . 2 1.3.1 国外工频电参数测量的研究现状 . 2 1.3.2 我国工频电参数测量的研究现状 . 4 1.4 课题研究的主要内容和研究思路 . 5 1.4.1 研究思路 . 5 1.4.2 论文结构 . 6 2 快速傅里叶变换实现 . 7 2.1 傅里叶变换 . 7 2.1.1 傅里叶变换历史和现在的应用 . 7 2.1.2 快速傅里叶变换的理论
9、. 7 2.2 快速傅里叶变换软件实现 . 10 3Dspic 数字信号控制器介绍 . 13 3.1 Dspic 数字信号控制器的概述 . 13 3.2 使用的内部资源 . 14 3.2.1 12AD 转换器 . 14 3.2.2 DMA 控制器 . 15 3.3.3 输入捕捉 . 16 4 模拟前级输入电路 . 18 4.1 总体设计 . 18 4.2 各个电路介绍 . 18 4.2.1 基准电路 . 18 4.2.2 过零比较电路 . 19 4.2.3 比较抬升电路 . 20 4.2.4 门电路 . 20 4.2.5 移相电路 . 22 4.2.6 电源 . 23 5 设备方案与总体设计
10、. 25 5.1 总体方案框图 . 25 IV 5.2 程序流程介绍 . 26 7 总结与展望 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 29 附录图 1 模拟前级输入原理图 . 29 附录图 2 模拟前级输入 PCB 版图 . 29 附录图 3 模拟前级输入实物图 . 30 附录图 4 DSPIC 最小系统原理图 . 30 附录图 5 DSPIC 最小系统 PCB 版图 . 31 附录图 6 DSPIC 最小系统实物图 . 31 附录图 7 整体实物图 . 32 基于 DSPIC 数字信号处理器的工频电参数测量单元设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 自从 1
11、894年， 尼古拉特斯拉 发明交流电以来。由于其能实现远距离供电，和相对于直流电的独特优势。就是它能够利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电 机可以很经济方便的把机械能、化学能等其他形式的能量转化为电能。 近百年来交流电得到了广泛的应用，不论从人们的日常生活中，还是在工业的生产中都离不开交流电。比如说家里用的电灯、电视机和各种各样的家电都离不开交流电。工业中则交流电主要用于大型的电机和电热系统。交流电根据各个国家的情况不同也会有所不同。但是基本上可以分为 60Hz、 50Hz，380/220V、 200/115V。我毕业设计中所说的工频就指的是 60Hz或 50Hz 的交流电。交流电可以说是
12、19世纪最伟大的发明。 近十多年来数字信号处理技术同计算机、大规 模集成电路一样，有了日新月异的发展。由于它本身的一系列优点，所以在能有效地促进各个工程技术领域的技术改造和科学发展，应用领域也更加深入、广泛，越来越受到人们的重视。 在数字信号处理中，离散傅里叶变换（ DFT）是一种常用的方法。它在各个工程和领域中扮演着重要角色。傅里叶变换已经有一边多年的历史。虽然傅里叶变换也有着本身的局限性。但是它能够把信号从时域变换到频域，我们知道频域分析往往比时域分析更直观、更优越，不仅仅是因为他的频域看起来和分析起来简单。更因为易于分析复杂信号。学过数字信号处理的都知道，DFT(Discrete Fou
13、rier Transform)的计算量，根据点数的增加几乎是称指数递增。需要花很长的时间或者需要大规模的芯片来支持。即用 DFT在工程中进行信号的分析在 FFT没有出现以前是不切实际的。 1.2 课题的意义 对工频的电参数进行测量是非常有必要的。其中包括：峰峰值、有效值、功率、功率因素、基波、谐波含量。在企业和工厂中功率、功率因素是两个非常重要的电参数。但是随着数字信号处理和各种科技的不断发展，在生产和生活中人们对电的要求也越来越高。这样，基波、谐波含量也就越来越受到人们基于 DSPIC 数字信号处理器的工频电参数测量单元设计 2 的重视。 功率：即单 位时间内做功的快慢。在工业生产中，首先考
14、虑的往往是功率的大小，比如说空调功率、电机的功率。这些值往往表示了一个电器它的能力的大小。功率大能力大，功率小能力自然就小。选择多少功率的电器，要根据实际情况来决定，小了大了，都不好。 功率因素：在交流电中，电压与电流之间的相位差的余弦叫做功率因素。这是一个非常重要的电参数。我们知道功率分为有功功率和无功功率。有功功率即真正的转化为热能、机械能、光能或化学能等。但是有些做功是需要的条件，一般是一些感性负载， 电动机 、 变压器 、日光灯及电弧炉等 。 比如电动机，这需要通过电磁感 应的逆变换来产生，如今一般电机里面的磁场都是电磁场，但是这些电磁场本身并不做功，只是为做功提供必要的条件。但是也会
15、消耗电能。 这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。 这些多出的无功功率同样会造成电能在输送过程中造成电能损耗。这是我们不想看到的，所以测量功率因素和使功率因素尽可能大那是非常有必要的。 基波和谐波含量：在复杂的周期性振荡中，包含基波和谐波。和该振荡最长周期相等的正弦波分量称为基波。相应于这个周期的频率称为基本频率。频率等于基本屁股率的整数倍的正弦波分量称为谐 波。在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所导致的。当电流流经负载时，于所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波使电能的产生、传输和利用率降低，使电器设备过热、产生振荡
16、和噪声。并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至造成故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，是谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁，谐波还会引起机电保护和自动装置误操作，是电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，他使用电设备所处 的环境恶化。 1.3 工频电参数测量技术国内外发展现状 1.3.1 国外工频电参数测量的研究现状 谐波测量伴随着交流电系统发展的全过程，诞生了很多种测量谐波的方法。最早的谐波测量是采用伯尼滤波器实现的。具体方法是输入信号放大后送入一组并行联结的常通滤波器，每个滤波器的中心频率都不一
17、样，不过都是固定的，为工频的整数倍。出来的结果然后送至显示器显示出测量中所含谐波成基于 DSPIC 数字信号处理器的工频电参数测量单元设计 3 分及其幅值。虽然这种方法电路结构简单，造价低，输出阻抗低，品质因素易于控制。但是，误差很大，而且实时性不好。滤波器设计是中心频率对电路元件参数十 分敏感，随着器件的老化，检测效果有明显变差，难以获得理想的扶贫和相频特性 1。 图 1-1 模拟滤波器谐波检测 设计方案 利用傅里叶变换来分析谐波使当今应用最多也是最广的一种方法。随着集成电路、和大规模集成电路的飞速发展。更重要的是 FFT（ Fast Fourier Transformation ）的出现，
18、使原来运算量庞大的 DFT（ Digital Fourier Transformation）变成可能。这种方法，准确度较高，功能多，使用方便。缺点是虽然 FFT大大缩短了计算时间，但是计算时间还是较长。实时 性不是很好。以现在的 DSP和用硬件做的 FPGA来实现 FFT 已经是非常快了，实时性可以做的很高。 设 x（ n）为 N点有限长序列，其 DFT为 一般来说 ,x(n)和 错误 !未找到引用源。 都是复数， X（ k）也是复数。 另外在采用过程中，当信号频率和采样频率不一致时，会产生频率的泄漏和栅栏效应，使测量结果不准确，尤其是相位误差很大。减少频率泄漏的方法有 3中 1) 数字式锁相
19、器法 这种方法是通过锁相环原理来减少快速傅里叶变换当中的栅栏效应和频率泄漏 基于 DSPIC 数字信号处理器的工频电参数测量单元设计 4 图 1-1 频率同步数字锁相框图 2) 修正理想采样频率法 就是首先 测量，采样信号的频率，然后知道了采样信号的频率之后。算出需要用多少频率去采样。这样在某种程序上可以减少频率泄漏。 3) 加窗插值法 该方法主要是对没一个点进行修正。从而达到理想频率的采样值。常见的窗函数有：海明窗、汉宁窗等。这种方法计算量少。可以实现实时性。但是频率泄漏最多只能减少 50%2。 1974 年，法国信号处理工程师 J.Morlet 提出了小波变换。傅里叶变换很好，但是也 他的
20、局限性。它在分析非稳态信号，比如说上电时突然的跳变等是分析不出来的。小波变换是针对傅里叶分析方法在分析非稳态信号方面局限性形成和发 展起来的一种十分有效的时频分析工具。在某种程度上，小波变换克服了傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，对波动谐波、快速变化谐波的检测有很大优越性。但是小波变换虽然是根据傅里叶变换而提出的一种新的理论，被称为数学显微镜。但是小波变换并不能完全取代傅里叶变换，因为小波变换在稳态谐波测量方面并不具备理论优势 3。 现在有了更多的谐波测量方法： 1) 基于神经网络的谐波测量方法 2) 基于 Pisarenko 法和 Music法的谐波测量方法 3) 基于虚
21、拟磁势法的谐波测量方法 4) 基于 Kalman 绿波、遗传算法、模拟退火 算法的谐波测量方法 1.3.2 我国工频电参数测量的研究现状 在我国，早期的时候也是通过模拟电路的测量方法，通过好几个并联的滤波器，使中心频率在谐波的频率上，来测量谐波含量的大小。这种方法毕竟有很多局限性。 基于 DSPIC 数字信号处理器的工频电参数测量单元设计 5 80 年代，我国电网主要是通过电能质量监测仪器来监测线路中的谐波畸变频率以及各次谐波含量，为监控电能质量服务。 伴随着，集成电路和数字信号处理理论的不断发展。我国也渐渐开始通过DSP 等数字信号处理能力强的芯片。来进行对信号采集后做快速傅里叶变换。还可以
22、通过用 FPGA 来做一个高点数的快速傅里叶变换。 如今 随着 IC 工艺的不断提高，集成度大大加扩大。世界上一些做 IC 很强的公司，比如说：德州仪器、 microchip等。纷纷推出了自己的电能计量芯片。其中包括了频率、峰峰值、有效值、基波和谐波等电参数。但是谐波的精度和次数并不是很多。但这些芯片满足民用是没有问题的。所以在各大电能计量表中，都可以看到计量芯片的使用。 现在我国飞速发展，也是个用电大国，为了减少谐波带来的危害，实时监测是一个非常重要的任务。各大院校和公司都在研发新一代的谐波测量方法。 1.4 课题研究的主要内容和研究思路 1.4.1 研究思路 本文通过研究目 前工频电参数测
23、量最普遍的方法。那就是通过信号的采集，然后通过快速傅里叶变换。因为工频信号是 50Hz，周期时间是 20ms。我这里是进行 2个周期的采样再算一次傅里叶变换。也就是 40ms。这里我用的方法是上面讲的，修正理想采样频率来减少快速傅里叶变换的栅栏效应和频率泄漏。我用的单片机是 microchip 公司的 Dspic。里面内嵌了 17*17 的乘法器、一个 40位 ALU、两个 40 位饱和和累加器和一个 40 为双向桶形移位器。这段时间足够算快速傅里叶变换。研究的具体内容如下： a) 收集相关信息，了解时下工频电参数测量的背景及发 展状况。研究现在主流的工频电参数测量的方法。然后根据自己的现有的
24、材料和自己理论知识的功底。确定整个工频电参数测量系统的组成部分及各个部分的功能及用途。 b) 为了测量信号的基波和谐波含量，这里就必须用到快速傅里叶变换。在课堂上，老师和课本只是从数学理论的高度给我们解释了，什么是快速傅里叶变换和它的一些用图。但是要把近代的数学理论应用到实际生活还是需要从新温故快速傅里叶变换的方法。理解傅里叶变换的具体过程，用软件写出整个过程。还需要理解傅里叶变换的物理意义，从结果中提取出基波和谐波的幅值 。 c) 在处理数字信号的时候， 我们一般选择用数字信号处理器件（ DSP），由于我这里还需要驱动一块大屏幕的液晶显示器。同时又要处理大量数据。 Microchip 公司新推出的 Dspic 系列单片机，里面内嵌了功能强大的 Dsp处理单元。完全可以满足我的控制和实时信号处理的要求。根据我需要完成的功能，去学习 Dspic的用法，和它需要用的编译环境，还有学习它需要用到的各个外设的用法。
