基于雙DSP的電力系統諧波分析儀的設計

本文介紹了一種基于雙TMS320F 28335的電力系統諧波分析儀的設計方案,該分析儀可同時實現多通道信號(電壓和電流)的同步采樣，并對其進行諧波分析。借助強大的雙TMS320F28335平臺，實現了對信號的實時分析與顯示，具有實時性好，運算速度快，精度高，靈活性好，系統擴展能力強等優點。

　　系統介紹

　　1 系統方案

　　由于本系統實時性要求較高且工作過程中有大量的數據傳輸和人機對話事件發生，而單個DSP資源有限，如果采用單個DSP處理數據，系統將不能及時處理采樣數據并且可能會造成部分數據丟失從而影響系統整體性能。為彌補這一缺點，本設計提出了采用DSP+ DRAM+DSP的雙處理器協同工作模式，一片DSP全權負責采集、捕獲工作，另一片負責數據處理和人機對話，這樣可實現不間斷、高速度、多端口的處理。針對通信雙方速度不匹配、信息交換實時性要求高、一次傳輸信息量大、數據傳送要求準確無誤等特點,綜合考慮通信的可靠性、實現的難易程度以及成本等諸多因素,采用雙口RAM通過雙機中斷交互式協調工作的模式來實現多處理器之間的高速通信。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

　　2 工作過程

　　首先，通過傳感器把PT(電壓互感器)、CT(電流互感器)上的電壓、電流轉換成跟隨式的交流低壓，然后經過兩級RC濾波器濾波后送入DSP片上A/D模塊，由雙DSP控制A/D的采集和數據的傳輸，最后對采集的數據進行FFT等各種算法的處理從而獲得所需要的各種電網參數并且判斷電能質量的優劣；同時，在外部按鍵控制下，根據不同的命令相應的在液晶屏上實時顯示數據，從而達到實時監控的目的。

　　系統硬件設計

　　本電力系統諧波分析儀的硬件電路主要包含5個部分：信號轉換模塊、信號預處理模塊、雙TMS320F28335數字信號處理模塊、單色液晶屏模塊(CM320×240)、鍵盤模塊。

　　1 信號轉換模塊

　　信號轉換模塊主要包括互感器和程控信號調理部分。互感器采用高頻性能好的精密電壓互感器（KV50A/P)和電流互感器（KT50A/P)，相移小于4～5°，信號頻率在2kHz時衰減小于0.3～ldB，完全可以滿足50次以下諧波的精確測量。程控信號調理部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采樣方式，可以確保電壓與電流信號間沒有相對相移。由于雙極性模擬輸入信號不能直接輸入到DSP-L機片上A/D模塊,因此通過雙DSP模塊上DSP-L機的SPI總線以及GPIO口控制對輸入信號衰減/放大的比例，以滿足A/D模塊對輸入信號電平(0～3V)的要求。A/D模塊輸入信號調理部分采用256抽頭的數字電位器AD5290和高速運算放大器AD8202組成程控信號放大/衰減器，每個輸入通道的輸入特性為1MΩ輸入阻抗+30pF。程控信號調理電路原理圖如圖2所示。

圖2 程控信號調理電路原理圖

　　2 信號預處理模塊

　　信號預處理模塊主要包括四階低通濾波電路和同步方波變換電路。根據國家對諧波測量儀器的要求，A級儀器頻率測量范圍是0～2500Hz，故每周波每路采樣128點。根據工程經驗，采用截止頻率為1500Hz的四階巴特沃斯低通濾波器，完全可以達到較好的濾波效果。同時為了提高測量精度，采用了自適應調整采樣間隔技術，即根據捕獲單元測量的頻率自動調整。本系統采用同步方波變換電路部分實現頻率的測量，同時為提高共模抑制比，同步方波變換電路采用開環方式實現電壓比較并將其輸入到同相端，同時在反相端輸入? +1.5V的比較電平，這樣在輸出端即引腳6處可得到占空比為50%的方波，其中電容C5起抑制高頻噪聲的作用。同步方波變換電路圖如圖3所示。

圖3 同步方波變換電路圖

　　3 雙TMS320F28335數字信號處理模塊

　　雙28335-DSP模塊主要由兩片TI公司的C2000系列DSP-TMS320F28335和一片IDT公司IDT70V28(64K×16bit)雙口RAM組成，兩片DSP分別為DSP-L? 機和DSP-R機，通過雙口RAM采用雙機中斷交互式協調工作的模式實現數據的共享與傳輸。雙TMS320F28335數字信號處理模塊工作時序如圖4所示。

圖4 雙TMS320F28335數字信號處理模塊工作時序

　　雙機中斷交互式協調工作的具體步驟如下：

　　①DSP-L機工作周期由定時器1中斷產生，工作周期為T4。在每個周期開始時進行電壓、電流采集，并把采集數據按照乒乓緩存結構不斷寫到雙口RAM中，當采集完一個周期時，向DSP-R機發中斷，該中斷執行時間為T1。

　　②DSP-R機響應中斷后，完成軟件濾波算法和FFT算法，從而進行諧波分析，并將諧波數據顯示到LCD上，該中斷執行時間為T2。

　　③DSP-L機從雙口命令區讀取R機鍵盤發出的命令并根據捕獲測頻結果自適應的調整采樣間隔，完成對AD采集的采樣控制和通過SPI接口完成對數字電位器AD5290的程控信號調理模塊的控制，該中斷執行時間為T3。

4 單色液晶屏模塊

　　CM320240是一種圖形點陣液晶顯示器，主要采用動態驅動原理，由行驅動控制器和列驅動控制器兩部分組成了320(列)×240(行)的全點陣液晶顯示，此顯示器內含了硬件字庫，編程模式簡介方便。

　　該液晶模塊的讀寫周期周期最小為800ns。如果采用總線方式控制液晶模塊，TMS320F2812讀、寫周期最大值為200ns，不能滿足該液晶模塊的要求，故采用間接的控制方式。為節約硬件成本，本系統選用通用GPIO來控制液晶屏的讀寫信號。

　　5 鍵盤模塊

　　為滿足實時性要求，本系統采用按鍵中斷方式完成人機交互功能。鍵盤有六個獨立的按鍵組成，當任一按鍵按下時，INT13引腳的輸入出現低電平跳變（INT13設置為下降延觸發）觸發DSP外部中斷，CPU響應中斷后在中斷服務子程序中讀取鍵盤狀態，并執行相應的操作。6個按鍵分別為A相電壓、B相電壓、C相電壓、A相電流、B相電流、C相電流。

　　系統軟件設計

　　系統上電后按照選定的模式自舉加載程序，跳轉到主程序入口，進行相關變量、數據乒乓緩沖區、命令區、控制寄存器初始化，并使能XINTF和A/D定時采樣中斷。定時中斷產生后，DSP-L機內部A/D開始對6組傳感器信號進行采樣，并將轉換結果存到乒乓緩沖區，然后通過中斷交互式協調工作模式將結果傳送至DSP-R機，DSP-R機調用FFT程序對這些數據進行處理將結果實時傳到LCD顯示。主要包括3部分內容：數據處理算法、鍵盤中斷子程序，顯示處理子程序。系統雙機工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統雙機工作流程圖

　　1 數據處理算法

　　本系統主要用到以下算法：①低通濾波處理算法;②捕獲單元高精度測頻算法;③自適應調整采樣間隔技術;④FFT算法的諧波分析。具體算法及代碼請參閱《今日電子》網站本文章完整版。

　　2 鍵盤中斷子程序

　　為滿足系統實時性要求，完成鍵盤操作的實時響應，本系統采用外部中斷方式對鍵盤掃描，完成命令形成與標志位設置功能。鍵盤中斷子程序流程圖如圖6所示。

　　3 LCD顯示子程序

　　LCD的顯示分為信息區與顯示區兩部分。其中信息區包括固定信息（顯示煙臺大學DSP實驗室等），顯示區包括各相頻率值與諧波波形的顯示。

　　實驗結果

　　本系統采樣頻率為fs＝6400Hz，捕獲單元測頻結果和FFT算法得到各次諧波的幅值分別如表1和表2所示。

　　誤差分析

　　經過分析以上各參數可看出：當頻率是50Hz左右時，最大誤差不超過0.01Hz，諧波分析的19次諧波呈波次越高幅度越小的趨勢,并且所得各次諧波幅度比較符合實際情況。由于本系統采用了自適應調整采樣間隔技術來實現同步采樣，所以保證了參數的測量精度。

　　結束語

　　本文介紹了一種電力系統諧波分析儀，采用了DSP+DRAM+DSP的雙處理器協同工作結構，通過雙機中斷交互式協調工作的模式快速的進行雙機通信，可滿足高速數據采集與傳輸的要求。由于采用了同步采樣技術、自適應調整采樣間隔技術和補零防頻譜泄露技術，可以實現較為準確的諧波分析，便于工程應用，具有較大的實際應用價值。