基于DSP+ARM的便携式电能质量分析仪设计

摘要：介绍了基于高性能DSP芯片ADSP21161和S3C2410 ARM芯片实现的电能质量分析仪的设计方法。以DSP芯片为核心实现数据采集及处理，以S3C2410芯片为核心实现数据管理、人机界面及系统控制，同时采用WinCE嵌入式操作系统作为系统软件平台。该方案提高了系统的智能化及可靠性，降低了系统功耗并有利于系统扩展。测试结果表明该分析仪的各项指标均满足IEC电能质量测试标准。
关键词：电能质量；DSP+ARM；WinCE：小波变换

0 引言
    随着国家工业规模的扩大和科学技术的发展，电网负荷结构发生了很大的变化，一方面，非线性、冲击性和不平衡负荷的大量增长使得电能质量恶化；另一方面，随着信息技术的发展。越来越多的敏感负载对电能质量的要求也越来越高。这就要求电能质量检测分析设备具有实时检测、快速分析、实时显示的能力。采用高性能数字信号处理器(DSP)和嵌入式计算机系统(ARM)双处理器架构设计电能质量分析仪能满足上述要求。DSP系统实现电压、电流信号的实时采集处理，通过加窗傅里叶变换和小波算法得到电能质量参数；ARM嵌入式平台运行WinCE操作系统完成人机交互、数据存储、实时显示等功能。该系统为仪器的可扩展性和智能化建立了良好的软硬件平台。

1 硬件系统设计
    便携电能质量分析仪硬件系统设计应以功能实现和便携式设计为基础，并兼顾系统的可扩展性。
1．1 硬件系统总体设计
    该硬件系统包括信号调理、数据采集与处理、ARM嵌入式平台、协控制器和电源系统5个模块，系统框架如图1所示。电网电压电流信号经调理电路预处理；采用高速ADC数字化后由DSP处理器系统实现缓存及快速、准确的分析计算；采集到的波形数据和分析计算结果通过FIFO传递到ARM嵌入式平台；采用LCD实现波形和分析结果显示；采用SD卡或USB存储设备来存储大量的数据以便回放或进一步深入分析；利用键盘或触摸屏实现人机交互功能；设置RS 232、USB和网络接口，便于实现电能质量分析仪的系统化和网络化扩展。

    系统中采用CPLD芯片设计了协控制器。它的作用主要是产生A／D转换器所需要的采样时钟、完成采样通道的时序控制、综合FIFO读时钟逻辑、网卡地址控制逻辑和DSP启动模式的设置。系统硬件电路配有多种电源，通过对系统各模块电源进行控制，以及使DSP按测量需求工作在节电模式等措施实现了系统低功耗设计。系统采用电池供电，满足便携式仪器要求。
1．2 数据采集和处理模块
    电能质量分析仪需要有较高的测量准确度，并且电网电压电流信号除了50 Hz工频分量以外，还包含电压瞬变、短时电压骤升骤降等因素引起的高频分量；按照一般电网测试要求，需要检测8路信号(4路电压和4路电流)；这里需要高速、高分辨率、多通道、低功耗的ADC芯片。  TI公司出品的AD7655是一款低成本、4通道、1 MSPS采样率、16位ADC芯片。该芯片典型功耗为120 mW，采样率为10 KSPS时只有2．6 mW，满足系统低功耗要求；芯片内有两个低噪声、宽频带的采样保持器和相应的模拟开关，允许两个通道同时采样。选用两片AD7655可满足系统设计需要。
    数字信号处理器选用ADI公司的ADSP-21161N32位浮点DSP芯片。该芯片采用超级哈佛结构，拥有多条内部总线、高速运算单元、大容量存储器、灵活多样的外部接口。它的内核工作频率可达100 MHz，外部总线工作频率可达50 MHz，运算处理速度可高达600 MIPS，以较低的工作频率实现了较高的处理能力，同时降低了功耗。而ADI公司提供的根据处理器量身制作的IDE环境极大的方便了DSP软件开发，最大程度上发挥了处理器的性能。
    两片AD7655与DSP通过“三线”SPI接口连接，DSP对数据进行缓存并进行一系列运算，将计算结果通过LINK PORTS接口发送给FIFO实现数据传输功能。ADC的采样时钟、每个ADC中的通道切换和双ADC调度等控制逻辑由协控制器实现。
1. 3 协控制器
    协控制器逻辑电路框图如图2所示。图2中，采样时钟发生器为A／D转换器提供采样时钟；ADC通道轮换控制电路协调8个通道的数据转换次序，协助DSP准确地读取各相电压电流信号；DSP启动模式控制电路协助DSP上电初始化程序从FLASH自启动；FIFO读时钟逻辑电路由ARM嵌入式平台控制，产生读时钟，完成DSP与ARM系统的数据传输；网卡地址控制逻辑为CS8900网卡提供读写逻辑。

1．4 ARM嵌入式平台
    ARM嵌入式平台硬件配置如图1所示。选用三星公司S3C2410芯片，外扩64 MB SDRAM和64 MBFLASH。该嵌入式平台有众多外设接口：SPI接口用于和DSP命令传输；LCD接口用于TFT液晶屏的驱动；USB接口适用于多种即插即用设备；SD卡接口可插入大容量SD卡用于数据存储；触摸屏接口可实现触摸屏控制。为了实现仪器的网络化，该系统扩展了网卡芯片CS890OA；为了系统调试的安全性，将RS 232接口进行隔离处理。
ARM与DSP之间通信和数据传输通过SPI接口和FIFO实现。ARM通过SPI接口发送命令，使DSP进行相应的数学运算及传输数据，系统设定ARM为主
设备，DSP为从设备。FIFO用于传输DSP的计算结果和波形数据；FIFO芯片采用低功耗异步芯片SN74ALVC7805，数据传输率可达50 MHz，数据存储深度为256 B。
    ARM嵌入式平台移植了WinCE操作系统。WinCE操作系统在实时管理、图形界面、开发环境等方面有着特有的优势，这为便携式电能质量分析仪的人机交互和网络化扩展提供了便利。

2 系统软件设计
    系统软件设计包括ARM部分WinCE操作系统定制、应用程序设计和DSP部分数据处理程序设计。
2．1 WinCE操作系统定制及应用程序设计
    WinCE是模块式、多任务、实时嵌入式操作系统，微软公司提供了功能强大的开发工具，WinCE操作系统定制包括操作系统内核定制、各相关驱动程序编写等。其内核的定制使用PB(Platform Builder)软件，相应的驱动程序开发使用EVC(Embedded Visual C++)。
    系统应用程序是在WinCE5．O上由VS 2005(Visual Studio 2005)开发的C#窗体应用程序，其主要功能为：实现良好的人机界面、合理的功能设定、数据的接收显示及存储、对DSP和系统电源的控制等。
    电能质量分析仪应用程序的界面是根据不同的测量用途来划分的，分为示波器、功率和能量、谐波、向量图、骤升骤降、闪变和瞬态等显示界面，不同的显示界面运行着不同的显示线程，每一个显示线程都有一个对应的数据传输模式。ARM根据这个数据传输模式来给DSP处理器发送命令，进行相应计算和传输相应的数据。
2．2 数据处理程序设计
    数据处理程序流程图如图3所示，程序启动后，DSP通过SetiaIs中断读取ADC采样数据，同时接收SPI中断，根据ARM系统的命令进行相应的电能质量指标计算，将计算数据通过Link Port传送给FIFO供ARM系统读取；IRQ0中断用于控制数据传送的节奏和数据同步。

2．3 数据处理算法介绍
    电能质量分析仪需要对电力信号进行稳态分析和暂态分析。稳态分析包括检测三相电压、电流的有效值，电网频率，电压、电流的各次谐波及谐波总畸变率，电压、电流中的正序和负序分量；三相不平衡等的计算。暂态信号分析包含电压瞬变、短时电压骤升、骤降、电压闪变、短时严重波形畸变等检测内容。相对于稳态分析，暂态电能质量分析需要对信号进行快速、实时、准确的测量与分析。
    FFT变换是电能质量分析的重要工具，为提高采用FFT变换的计算精度，需要通过硬件或软件方法实现整周期采样。整周期采样就是要求采样的数据刚好是信号的整个周期或是倍数，也就是假如信号周期为T，就是要保证：N／fs=L×T其中，L为整数；fs为采样频率；N为采样点数。
    在实际采样中，通常做不到整周期采样，即使知道信号的周期，采取同步采样，也只能使信号中的某些频率(工频及其倍频)接近整周期采样，而不能使信号中所有的频率成分(如噪声等)都是整周期采样。非整周期采样的直接的后果就是频谱泄露，使获得的频率成分不准；第二个后果就是对于频率相隔较近的多频率成分信号来说，会出现干涉现象。
    为简化硬件设计本文采用非整周期采样，通过加窗傅里叶变换来减小频谱泄露和干涉。通过加窗傅里叶变换法可以精确计算出50次以下谐波的幅值和相位。从谐波分析结果进一步计算可以得到三相系统各相的有效值、频率、功率、相位差、失真度和不平衡度等基本电参数。
微分算子可以检测瞬变，而小波滤波器的N阶消失矩和N次卷积微分算子具有等价关系。在此原理基础上设计了基于小波变换的电压瞬变检测算法。在短时电压骤升骤降和浪涌电流检测中，使用了实时真有效值计算方法，通过有效值与阈值的比较来判断有无事件发生。电压闪变的评估使用了IEC推荐的同步检波法，通过IEC测试数据对闪变测量值进行校准。在此硬件平台所设计的暂态电能质量分析软件可实现对电压瞬变、短时电压骤升骤降、浪涌电流、谐波、三相不平衡度、电压闪变等项目的测量。

3 系统测试结果
    搭建了以Chroma 61702功率信号源及三相交流电机组成的Y型接法测试系统，对本检测系统的稳态分析功能和暂态分析功能进行检测。实测表明该系统具有较高的测量精度，能够精确测量电压电流有效值、功率能量值、最高50次谐波分量、三相不平衡度、短时闪变值和长时间闪变值，各项测试指标满足设计要求。
    该仪器可以捕捉电网实时真有效值并显示结果，方便观测者检测电网电压事件，同时本仪器可以实时捕捉电压电流波动与闪变、电压跌落等事件，并将事件存储于SD卡中以便用户随时读取。

4 结语
    本文从便携式仪器设计的角度出发，设计了一种电能质量分析仪。该仪器用DSP实现数据采集与处理，快速准确的计算出各项电能质量指标，能够进行稳态分析和暂态分析；用ARM嵌入式平台实现数据管理、人机界面及系统控制，结合WinCE操作系统，提高了系统的可靠性，为实现电能质量分析仪智能化及网络化提供了良好的平台。通过实际测试，表明该仪器各项指标均满足IEc电能质量测量标准。通过选用低功耗器件，以及采用电源控制，实现了系统的低功耗；系统硬件设计简洁，集成度比较高，实现了系统的便携式设计。