“嵌入式電力參數測量系統”課程的教學實踐”

趙志衡，李 蕓，張榮嶺，王立欣

(哈爾濱工業大學電氣工程系，黑龍江 哈爾濱 150001)

我系結合電氣工程及其自動化專業本科生的課程體系，設置了“嵌入式電力參數測量系統”實驗選修課，共15學時。其先修課程為“嵌入式系統原理及應用”、“C語言程序設計”和“數字信號處理”等。

1 課程教學平臺

“嵌入式電力參數測量系統”課程授課內容為:對線電壓380V三相交流電壓、電流有效值，有功功率、無功功率、視在功率、功率因數，有功電能、無功電能和諧波分量等基本電力參數的測量與計算。所使用的硬件平臺以TMS320F2812為核心，采用開放式結構。平臺上預留有仿真調試接口，方便學生進行代碼調試，其原理框圖如圖1所示[1]。

圖1 教學平臺原理框圖

電網的電壓和電流信號經過互感器變換后進行調理，再對調理后的信號進行A/D轉換變為數字信號后由DSP芯片進行處理。TMS320F2812芯片內部集成的A/D轉換單元不能滿足對電力信號進行6路同步采樣的需求，因此本平臺采用外擴A/D轉換器AD7656。

AD7656是低功耗高速的16位A/D轉換芯片。片內有6個獨立的轉換器和保持器，可同時對6路模擬信號進行轉換。轉換速率為250kSPS，數字接口電壓為+2.7V～+5.5V，模擬輸入允許多種雙極性輸入(±5V、±10V、±12V)。本教學平臺模擬輸入電壓范圍選擇為±5V，輸出數字量為二進制補碼，采用定時采樣，每周期(20ms)完成采樣128點。

課程所使用的軟件平臺為CCS3.3，它能夠完成系統軟件的開發和調試。它提供一整套的程序編制、維護、編譯和調試環境[2]，能將匯編語言和C語言程序編譯連接生成COFF(公共目標文件)格式的可執行文件，并能將程序下載到目標DSP上運行調試。

2 實踐教學內容

(1)CCS3.3仿真軟件的使用

軟件內容包括構造2812開發軟件環境，掌握CCS3.3的基本功能:創建工程和管理工程;編譯和調試;使用探針實現數據文件的導入;使用觀察窗口和圖形功能等。學生通過該實驗，能夠將任意給定的正弦波按照設定的采樣率(例如每周期128點)轉變為16位有符號定點數的數據文件，并導入到數組中，通過圖形功能觀察正弦波波形。該功能在實驗(3)和實驗(5)中將得到應用。

(2)TMS320F2812的C語言及匯編語言編程

編程內容包括2812工程文件的構成、cmd文件的編寫、map文件的內涵及C語言文件與匯編語言文件編譯后形成機器碼的比較。其目的是使學生掌握在某些應用場合需要的C語言與匯編語言混合編程，通過代碼及流水線的優化獲得更高的實時性。

(3)三相交流電有效值計算程序的設計

其內容包括A/D采樣程序的設計及調試、相電壓/相電流有效值計算程序的設計及調試及線電壓有效值計算程序的設計與調試。分析不同采樣率(分別取每周期32點和64點)對計算精度的影響。學生通過該實驗，掌握同步A/D轉換器的操作時序，通過C語言編程實現6路模擬信號(3路相電壓和3路相電流)的同步采樣，每周期每路模擬信號采樣128點，并將采樣值分別存入6個數組。根據有效值的基本定義，學生獨立推導出離散量有效值的求解公式，并編程調試。根據線電壓與相電壓之間的物理關系，獨立推導出利用相電壓(電流)采樣值獲得線電壓(電流)瞬時值的計算公式，并編程實現線電壓(電流)有效值的計算。

(4)三相交流電功率、功率因數及電能計算

其內容包括有功功率、無功功率及功率因數程序的設計及調試;有功電能、無功電能計算程序的設計與調試。通過該實驗，學生掌握根據電壓、電流同步采樣值所獲得的瞬時功率求解有功功率的離散量計算方法，掌握視在功率、無功功率、功率因數、有功電能和無功電能等參數的計算方法，在電能計算中加深對千瓦時的認識。

(5)應用FFT實現三相交流電的諧波分析

其內容包括FFT算法的基本原理及其程序設計、三相交流電電壓的諧波分析和每周期不同采樣點數對FFT算法分析諧波分量的影響。通過該實驗，學生掌握數字信號處理中重要工具FFT算法的C語言程序設計方法[3]，并對三相電壓采樣值進行處理獲得諧波分量。學生通過對比，分析不同采樣點數對FFT算法精度的影響。

3 本課程教學方法

“嵌入式電力參數測量系統”屬于實踐教學環節，但課程內容涉及多門課程，涵蓋的知識點多[4]。在教學中我們主要采取以下方法。

(1)科研項目驅動

課程內容來源于任課教師的科研工作總結，與專業背景密切相關，同時又是一個相對獨立的項目。整門課程分為5個實驗單元，學生完成所有實驗，也就完成了整個項目的設計與調試。

(2)充分利用CCS仿真工具

CCS具有很強的仿真調試功能。課程中充分利用其設置軟件斷點導入數據文件的功能，完成對算法的調試。首先，將預先給定的波形離散取樣形成16位帶符號整形(與A/D轉換器的位數一致)數據文件;然后由CCS將該文件導入A/D轉換程序的6個數組內;最后將程序的運行結果與預先給定的波形進行對比，完成程序的調試。

學生可以預先給定不同的波形，對程序進行全面測試。例如，給定含有3、5、9、11次諧波的波形;電壓和電流不同相位關系的波形等。

(3)引導學生自主討論

自主討論一方面可以澄清學生對某些知識點的模糊認識，另一方面也可以培養學生主動獲取知識和探究問題的能力。例如:在實驗(3)-(5)中，開展“算法精度影響因素”的討論，引導學生聚焦“每周期采樣點數”和“AD轉換位數”兩個因素。先由學生自主討論，獲得這兩個因素對精度影響的初步認識;然后再引導學生進行程序驗證。具體做法是改變數據文件中的數據點(每周期數據點的個數和數據點的位數)，利用CCS將其導入算法程序，通過計算結果的相對誤差，分析兩個因素對精度的影響。

4 結語

“嵌入式電力參數測量系統”課程與電氣工程及其自動化專業學生的知識體系結合緊密，工程應用背景明確，可以充分鍛煉學生綜合運用知識的能力。我們在課程教學實踐中，采用項目驅動和自主討論等方法，可以提高學生自主探究問題的能力。將實驗平臺與仿真工具有機結合，加深其對相關知識的理解。對于先修課程掌握不好的學生，可以采取加大實驗之間的間隔，提供充足的預習時間，來進一步提高教學效果。

[1]趙志衡，黃棣，王立欣.電能參數計算實驗教學平臺的開發[J].南京:電氣電子教學學報，2011(6):65-67

[2]徐科軍，張翰，陳智淵.TMS320X281x DSP原理與應用(第2版)[M].北京:北京航空航天大學出版社，2011:269-282

[3]楊風開，王彬，李軍.面向電氣類學生的DSP實現FFT的實驗教學研究[J].北京:中國電力教育，2008(9):149-151

[4]茅靖峰，吳愛華，吳曉.DSP原理與運動控制系統課程教學研究[J].南京:電氣電子教學學報，2007(1):8-10