基于DSP的新型多功能电能质量监测仪表的设计

近年来，我国电力事业无论是发电总量还是电网的建设都得到了迅猛发展，电力系统的规模不断扩大。但随着生产力的发展，电能质量的问题日益受到重视，生产和生活中对于电能质量的要求也越来越高。由于高压直流输电系统的应用和大量变频器、整流器、电弧炉等非线性负荷、冲击性负荷不断地引入电力系统，大量谐波电流注入电网，造成电力系统中谐波含量急剧上升和电压波形严重“畸变”，致使电能质量下降。电网中的谐波污染日益严重，对继电保护、计算机、测量和计量仪器及通讯系统都有不利和不可预知的影响；降低了电网可靠性，增加了电网损失；降低了电气设备的效率和利用率，在生产和生活中都造成巨大的经济损失。
    鉴于以上的各问题，提高电能质量的新技术及改善电能质量的分析方法成为电力系统领域中的研究热点。为了采取合理的措施提高电能质量，对电能质量参数指标准确的检测和分析，对电力系统中各参数的实时、准确地测量，是解决电能质量问题的一个重要环节，只有对所存在的电能质量问题进行有效的检测、数据分析，才能清楚该电能质量问题的特性，进而采取相应的解决措施，以保证电网安全、经济运行。本设计以高性能数字信号处理器TMS320VC5402和高精度16位A/D转换器AD73360为核心，针对现有装置在软硬件设计方面存在的一些不足，通过基于DSP的快速傅里叶变换算法[1]，对装置开发涉及到的软硬件作出部分改进，对下位机重新作出设计，构架了DSP+MCU方案，设计了一种实时监测电力参数的装置，可以测量三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数及频率等，在电能质量方面具体包括：2～31次谐波分析、电压波峰系数、电流K系数、三相电压/电流不平衡度等。
1 系统工作原理及总体设计
    本系统的硬件设计整体结构图如图1所示，以TI公司的TMS320VC5402芯片为核心，包括电流/电压隔离电路、信号调理及A/D采样电路、以16位低功耗单片机MSP430F149为核心的人机接口电路以及系统辅助电源，实现了对包括三相电流/电压在内的各电参量的测量、显示控制以及通信等功能。整个系统以准确采样与处理为基础，兼顾整体的设计简单、成本低廉等因素。

    首先三相电压/电流经过精密电压电流互感器转换后滤除高次谐波，再经过信号调理电路变换为适合AD73360采样的信号进行采样。AD73360将采样完的数字信号送入DSP。
　由DSP对采样数据作进一步抗混叠处理后，计算出各电力参数并通过快速傅里叶算法进行谐波分析，并将需要的参数进行存储[2]。
　经过DSP处理后的各实时电参量经通信单元送给以MSP430F149为核心的上位机进行显示。系统设计包括键盘输入控制电路以及LCD液晶显示电路，实现友好、直观的人机接口。
2 系统硬件设计
2.1 TMS320VC5402与AD73360接口电路
　AD73360是ADI公司推出的6通道模拟输入的16位串行可编程A/D转换器。它采用∑-△ A/D转换原理，具有良好的内置抗混叠性能，所以对模拟前端滤波器的要求不高,用一阶RC低通滤波器就能满足要求。其采样率和输入信号增益都是可编程的，采样率可分别设置为64 kS/s、32 kS/s、16 kS/s和8 kS/s(输入时钟为16.384 MHz时)，增益可在0 dB~38 dB之间选择。AD73360能保证6路模拟信号同时采样，且在变换过程中延迟很小。本系统中AD73360采用交流耦合的差分输入,通过McBSP接口与TMS320VC5402相连，接口信号线的数目只有6条，简捷高效。图2是具体连接方法。

    AD73360的串口时钟SCLK信号作为McBSP的发送时钟信号(CLKX0)和接收时钟信号(CLKR0)；McBSP的发送引脚(FSX0)、接收帧同步引脚(FSR0)与AD73360的输入引脚(SDIFS)、输出帧同步(SDOFS)连接到一起，使McBSP的发送信号(FSX0)和接收帧同步时钟信号(FSR0)与AD73360的输出帧同步信号(SDOFS)保持同步。AD73360的数据输出引脚(SDO)和输入引脚(SDI)分别与McBSP的数据接收引脚(DR0)和数据发送引脚(DX0)相连。AD73360的激活信号SE由锁相倍频电路的输出倍频信号AD_SE触发，实现同步锁相采集。AD73360的驱动时钟信号MCLK可以由DSP分频得到，也可以由晶振直接产生，AD73360的最高输入时钟为16.384 MHz。
2.2 锁相倍频电路及频率测量
　傅里叶变换要求每周期采样点数等间隔，且采样时间要涵盖整周期。因此对采样点数的要求非常严格。实现同步采样的方式有软件同步和硬件同步两种，硬件同步采样比软件同步采样响应迅速，能实时追踪频率变化。本装置中采样脉冲产生电路由过零比较器、锁相器以及分频电路组成。锁相电路选择了一种性能优良的CMOS锁相环路CD4046，同时CD4046提供给计数器74LS393来产生所需的分频信号。
　倍频锁相电路如图3所示，首先将所检测的信号送入方波发生器，输出一个与输入信号同频率的方波f 1，然后送入由锁相环CD4046和计数器74LS393构成的128倍频锁相电路。将74LS393分频后的输出信号接到CD4046比相器输入端3，与f 1进行比较，直至3端和4端的输入信号相位差不再随时间变化，进入锁定状态。此时Vout输出端对方波信号实现了128倍频,依此方波对AD73360进行数据采集触发。同时，74LS393的9脚输出信号送入DSP的捕获端口，用于测量频率。

    此锁相倍频电路不需要软件干涉,节省了软件资源，同时提高了检测速度。倍频锁相电路为A/D采集提供了精确的触发脉冲，提高了检测精度，实现了同步锁相采集。
2.3 TMS320VC5402与MSP430通信接口电路
　TMS320VC5402提供一个HPI主机接口。HPI是一个8位并行口，用来与主设备或主处理器接口，HPI作为一个外设与主机相连，使主机的访问操作很容易[3]。
　当TMS320VC5402与主机传送数据时，HPI能自动地将外部接口连续传来的8位数组合成16位数，并传送至TMS320VC5402。当主机使用HPI寄存器执行一个数据传输时，HPI控制逻辑会自动执行对一个专用2 KB的内部双访问RAM的访问,以完成数据处理,然后C5402可以在它的存储器空间访问读写数据。HPI口的存储器访问可分为共用寻址和单主机寻址方式，一般选用共用寻址方式。DSP和单片机通过向双方发送中断通知对方数据已准备好，通过监测对方设置的状态判断对方是否准备好数据。图4是MSP430单片机与TMS320VC5402的硬件接口电路。

2.4 其他电路设计
    单片机通信及人机接口模块是一个以单片机为MCU的计算机系统，它的主要功能是完成DSP运算结果的数据再处理，管理输入输出设备，协调整个仪器系统的工作，并使仪器操作方便、显示直观。
    设计采用TI公司超低功耗的MSP430F149单片机，它具有16 bit RISC结构，16 bit寄存器和常数寄存器，内置乘法器，2个UART，分段可擦除Flash[4]。
    液晶显示选用128×64点阵型液晶显示模块，可显示各种字符及图形，可与CPU直接接口，具有8 bit标准数据总线，6条控制线及电源线，采用KS0108控制IC。RS485通信电路采用SN65LBC184，并配合快速光耦合器6N137，实现与上位机的通信。系统按键共6个，分别是“菜单”、“复位”、“确认”、“↑”、“↓”和“返回”。考虑到按键操作会很频繁，而MSP430F149的I/O口又比较丰富，所以用带中断功能的P2口采用下降沿触发的中断方式来进行按键编程。
3 系统软件的设计
　该仪表的软件设计分为两部分，一是TMS320VC5402的相关程序设计，其主要功能是：A/D采样控制、串口数据传输、大量复杂的数值运算、FFT谐波分析、部分事件记录以及与主控单片机的通信等；二是MSP430单片机中的相关程序，主要功能包括：液晶显示、按键处理、数字通信、开关量输入输出的实现等。在编程语言的选择上，DSP部分采用汇编语言和C语言相结合的方式[5]，为了保证系统良好的实时性，以汇编语言为主，C语言做整个程序框架进程调度，既保证了程序的易读性，也兼顾了系统良好的实时性。MSP430F149的程序完全基于C语言平台开发，程序简单易读，可移植性好，便于后续升级工作。
　系统主程序流程图如图5所示。上电后首先DSP进入引导程序并开始系统的初始化，然后，为了使串口能配合AD73360开始工作，要对DSP的McBSP串口进行设置，包括对字长、允许产生中断等的设置。开始工作后串口的时钟由AD73360产生，接着由设置好的串口对A/D进行初始化,打开六路采样通道,设置采样模式等。然后打开INT0等待中断。INT0由PLL电路产生,由此实现同步采样。DSP收到INT0后，打开发送中断向A/D发送采样指令，并同时打开数据接收中断开始接收数据，采样后对数据进行FFT谐波分析以及处理后的数据传送与显示。数据采集流程图如图6所示，MCU与DSP通信流程图如图7所示。

    仪表的参数测试电路已经通过试验，可达到预期目标。该电力参数监测仪表是针对电力系统、工矿企业、公共设施等设计的多功能电力电测仪表，它以TMS320VC5402为核心，以MSP430F149为主控芯片，结构简单紧凑，功能完备，工作稳定，可应用于科学研究和生产实践中。