基于DSP+ARM的便攜式電能質量分析儀設計

摘 要:介紹了基于高性能DSP芯片ADSP21161和S3C2410 ARM芯片實現的電能質量分析儀的設計方法。以DSP芯片為核心實現數據采集及處理，以S3C2410芯片為核心實現數據管理、人機界面及系統控制，同時采用WinCE嵌入式操作系統作為系統軟件平臺。該方案提高了系統的智能化及可靠性，降低了系統功耗并有利于系統擴展。測試結果表明該分析儀的各項指標均滿足IEC電能質量測試標準。

關鍵詞:電能質量;DSP+ARM;WinCE;小波變換

中圖分類號:TM933文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-179-03

Design of Portable Power Quality Analyzer Based on DSP+ARM

LUO Xiaoming，YANG Shuanke，JIN Yinbin

(College of Electrical Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an，710049，China)

Abstract:The design of power quality analyzer based on a high performance DSP of ADSP21161 and an ARM chip of S3C2410 are introduced，DSP is used as the core of data acquisition and processing，accompanied with S3C2410 chip as the core of data display and system control，and embedded operation system WinCE is adopted as software of system.The scheme advances the intelligence and reliability of system，reduces the system power consumption and it is good for function expanding.The test results show that the analyzer meet the IEC standards for power quality.

Keywords:power quality;DSP+ARM;winCE;wavelet transformation

0 引 言

隨著國家工業規模的擴大和科學技術的發展，電網負荷結構發生了很大的變化，一方面，非線性、沖擊性和不平衡負荷的大量增長使得電能質量惡化;另一方面，隨著信息技術的發展，越來越多的敏感負載對電能質量的要求也越來越高[1]。這就要求電能質量檢測分析設備具有實時檢測、快速分析、實時顯示的能力。采用高性能數字信號處理器(DSP)和嵌入式計算機系統(ARM)雙處理器架構設計電能質量分析儀能滿足上述要求。DSP系統實現電壓、電流信號的實時采集處理，通過加窗傅里葉變換和小波算法得到電能質量參數;ARM嵌入式平臺運行WinCE操作系統完成人機交互、數據存儲、實時顯示等功能。該系統為儀器的可擴展性和智能化建立了良好的軟硬件平臺。

1 硬件系統設計

便攜電能質量分析儀硬件系統設計應以功能實現和便攜式設計為基礎，并兼顧系統的可擴展性。

1.1 硬件系統總體設計

該硬件系統包括信號調理、數據采集與處理、ARM嵌入式平臺、協控制器和電源系統5個模塊，系統框架如圖1所示。電網電壓電流信號經調理電路預處理;采用高速ADC數字化后由DSP處理器系統實現緩存及快速、準確的分析計算;采集到的波形數據和分析計算結果通過FIFO傳遞到ARM嵌入式平臺;采用LCD實現波形和分析結果顯示;采用SD卡或USB存儲設備來存儲大量的數據以便回放或進一步深入分析;利用鍵盤或觸摸屏實現人機交互功能;設置RS 232、USB和網絡接口，便于實現電能質量分析儀的系統化和網絡化擴展。

圖1 系統的硬件框架

系統中采用CPLD芯片設計了協控制器，它的作用主要是產生A/D轉換器所需要的采樣時鐘、完成采樣通道的時序控制、綜合FIFO讀時鐘邏輯、網卡地址控制邏輯和DSP啟動模式的設置。系統硬件電路配有多種電源，通過對系統各模塊電源進行控制，以及使DSP按測量需求工作在節電模式等措施實現了系統低功耗設計。系統采用電池供電，滿足便攜式儀器要求。

1.2 數據采集和處理模塊

電能質量分析儀需要有較高的測量準確度，并且電網電壓電流信號除了50 Hz工頻分量以外，還包含電壓瞬變、短時電壓驟升驟降等因素引起的高頻分量;按照一般電網測試要求，需要檢測8路信號(4路電壓和4路電流);這里需要高速、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采樣率、16位ADC芯片。該芯片典型功耗為120 mW，采樣率為10 KSPS時只有2.6 mW，滿足系統低功耗要求;芯片內有兩個低噪聲、寬頻帶的采樣保持器和相應的模擬開關，允許兩個通道同時采樣。選用兩片AD7655可滿足系統設計需要。

數字信號處理器選用ADI公司的ADSP-21161N 32位浮點DSP芯片[2]。該芯片采用超級哈佛結構，擁有多條內部總線、高速運算單元、大容量存儲器、靈活多樣的外部接口。它的內核工作頻率可達100 MHz，外部總線工作頻率可達50 MHz，運算處理速度可高達600 MIPS，以較低的工作頻率實現了較高的處理能力，同時降低了功耗。而ADI公司提供的根據處理器量身制作的IDE環境極大的方便了DSP軟件開發，最大程度上發揮了處理器的性能。

兩片AD7655與DSP通過“三線”SPI接口連接，DSP對數據進行緩存并進行一系列運算，將計算結果通過LINK PORTS接口發送給FIFO實現數據傳輸功能。ADC的采樣時鐘、每個ADC中的通道切換和雙ADC調度等控制邏輯由協控制器實現。

1.3 協控制器

協控制器邏輯電路框圖如圖2所示。圖2中，采樣時鐘發生器為A/D轉換器提供采樣時鐘;ADC通道輪換控制電路協調8個通道的數據轉換次序，協助DSP準確地讀取各相電壓電流信號;DSP啟動模式控制電路協助DSP上電初始化程序從FLASH自啟動;FIFO讀時鐘邏輯電路由ARM嵌入式平臺控制，產生讀時鐘，完成DSP與ARM系統的數據傳輸;網卡地址控制邏輯為CS8900網卡提供讀寫邏輯。

1.4 ARM嵌入式平臺

ARM嵌入式平臺硬件配置如圖1所示。選用三星公司S3C2410芯片，外擴64 MB SDRAM和64 MB FLASH。該嵌入式平臺有眾多外設接口:SPI接口用于和DSP命令傳輸;LCD接口用于TFT液晶屏的驅動;USB接口適用于多種即插即用設備;SD卡接口可插入大容量SD卡用于數據存儲;觸摸屏接口可實現觸摸屏控制。為了實現儀器的網絡化，該系統擴展了網卡芯片CS8900A;為了系統調試的安全性，將RS 232接口進行隔離處理。

圖2 協控制器邏輯電路框圖

ARM與DSP之間通信和數據傳輸通過SPI接口和FIFO實現。ARM通過SPI接口發送命令，使DSP進行相應的數學運算及傳輸數據，系統設定ARM為主設備，DSP為從設備。FIFO用于傳輸DSP的計算結果和波形數據;FIFO芯片采用低功耗異步芯片SN74ALVC7805，數據傳輸率可達50 MHz，數據存儲深度為256 B。

ARM嵌入式平臺移植了WinCE操作系統。WinCE操作系統在實時管理、圖形界面、開發環境等方面有著特有的優勢，這為便攜式電能質量分析儀的人機交互和網絡化擴展提供了便利。

2 系統軟件設計

系統軟件設計包括ARM部分WinCE操作系統定制、應用程序設計和DSP部分數據處理程序設計。

2.1 WinCE操作系統定制及應用程序設計

WinCE是模塊式、多任務、實時嵌入式操作系統[3]，微軟公司提供了功能強大的開發工具，WinCE操作系統定制包括操作系統內核定制、各相關驅動程序編寫等。其內核的定制使用PB(Platform Builder)軟件，相應的驅動程序開發使用EVC(Embedded Visual C++)。

系統應用程序是在WinCE 5.0上由VS 2005(Visual Studio 2005)開發的C#窗體應用程序[4]，其主要功能為:實現良好的人機界面、合理的功能設定、數據的接收顯示及存儲、對DSP和系統電源的控制等。

電能質量分析儀應用程序的界面是根據不同的測量用途來劃分的，分為示波器、功率和能量、諧波、向量圖、驟升驟降、閃變和瞬態等顯示界面，不同的顯示界面運行著不同的顯示線程，每一個顯示線程都有一個對應的數據傳輸模式。ARM根據這個數據傳輸模式來給DSP處理器發送命令，進行相應計算和傳輸相應的數據。

2.2 數據處理程序設計

數據處理程序流程圖如圖3所示，程序啟動后，DSP通過Serials中斷讀取ADC采樣數據，同時接收SPI中斷，根據ARM系統的命令進行相應的電能質量指標計算，將計算數據通過Link Port傳送給FIFO供ARM系統讀取;IRQ0中斷用于控制數據傳送的節奏和數據同步。

圖3 數據處理程序流程

2.3 數據處理算法介紹

電能質量分析儀需要對電力信號進行穩態分析和暫態分析[5]。穩態分析包括檢測三相電壓、電流的有效值，電網頻率，電壓、電流的各次諧波及諧波總畸變率，電壓、電流中的正序和負序分量;三相不平衡等的計算。暫態信號分析包含電壓瞬變、短時電壓驟升、驟降、電壓閃變、短時嚴重波形畸變等檢測內容[6]。相對于穩態分析，暫態電能質量分析需要對信號進行快速、實時、準確的測量與分析。

FFT變換是電能質量分析的重要工具，為提高采用FFT變換的計算精度，需要通過硬件或軟件方法實現整周期采樣。整周期采樣就是要求采樣的數據剛好是信號的整個周期或是倍數，也就是假如信號周期為T，就是要保證:

N/fS=L×T

其中，L為整數;fS為采樣頻率;N為采樣點數。

在實際采樣中，通常做不到整周期采樣，即使知道信號的周期，采取同步采樣，也只能使信號中的某些頻率(工頻及其倍頻)接近整周期采樣，而不能使信號中所有的頻率成分(如噪聲等)都是整周期采樣。非整周期采樣的直接的后果就是頻譜泄露，使獲得的頻率成分不準;第二個后果就是對于頻率相隔較近的多頻率成分信號來說，會出現干涉現象。

為簡化硬件設計本文采用非整周期采樣[7]，通過加窗傅里葉變換來減小頻譜泄露和干涉。通過加窗傅里葉變換法[8]可以精確計算出50次以下諧波的幅值和相位。從諧波分析結果進一步計算可以得到三相系統各相的有效值、頻率、功率、相位差、失真度和不平衡度等基本電參數。

微分算子可以檢測瞬變，而小波濾波器的N階消失矩和N次卷積微分算子具有等價關系。在此原理基礎上設計了基于小波變換的電壓瞬變檢測算法[9]。在短時電壓驟升驟降和浪涌電流檢測中，使用了實時真有效值計算方法，通過有效值與閾值的比較來判斷有無事件發生。電壓閃變的評估使用了IEC推薦的同步檢波法[10]，通過IEC測試數據對閃變測量值進行校準。在此硬件平臺所設計的暫態電能質量分析軟件可實現對電壓瞬變、短時電壓驟升驟降、浪涌電流、諧波、三相不平衡度、電壓閃變等項目的測量。

3 系統測試結果

搭建了以Chroma 61702功率信號源及三相交流電機組成的Y型接法測試系統，對本檢測系統的穩態分析功能和暫態分析功能進行檢測。實測表明該系統具有較高的測量精度，能夠精確測量電壓電流有效值、功率能量值、最高50次諧波分量、三相不平衡度、短時閃變值和長時間閃變值，各項測試指標滿足設計要求。該儀器可以捕捉電網實時真有效值并顯示結果，方便觀測者檢測電網電壓事件，同時本儀器可以實時捕捉電壓電流波動與閃變、電壓跌落等事件，并將事件存儲于SD卡中以便用戶隨時讀取。

4 結 語

本文從便攜式儀器設計的角度出發，設計了一種電能質量分析儀。該儀器用DSP實現數據采集與處理，快速準確的計算出各項電能質量指標，能夠進行穩態分析和暫態分析;用ARM嵌入式平臺實現數據管理、人機界面及系統控制，結合WinCE操作系統，提高了系統的可靠性，為實現電能質量分析儀智能化及網絡化提供了良好的平臺。通過實際測試，表明該儀器各項指標均滿足IEC電能質量測量標準。通過選用低功耗器件，以及采用電源控制，實現了系統的低功耗;系統硬件設計簡潔，集成度比較高，實現了系統的便攜式設計。

參考文獻

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