基于DSP的可觸單相功率分析儀的設計和測試

摘要：針對傳統功率分析儀設備較重、無法隨身攜帶，以及小型便攜式功率分析儀續航時間較短和操作不方便等問題，設計并測試了一款基于數字信號處理器（digital signal processor，DSP）的可觸單相功率分析儀系統。外設電路包括前級互感、信號抬升。通過雙路模擬數字轉換（analog to digital，AD）同步采樣實現信號轉換，引用快速傅里葉變換（fast fourier transform，FFT）實現信號頻域變換。通過串口通信實現串口屏對測量界面的選擇和測量參數的校準。測試結果表明，儀器實現了對單相交流信號的采集，測量精度達到千分之一，驗證了方案的可行性。

關鍵詞：數字信號處理器；同步采樣；快速傅里葉變換；總諧波失真

中圖分類號：TN722.7；TM933.3 文獻標識碼：A

0 引言

隨著信息技術和電子技術的快速發展，功率分析儀在電力監測、實驗室數據檢測、設備故障診斷、電力質量分析等領域的需求逐步增加。同時，工程師對產品的質量要求越來越高，對產品需求的側重點也有所不同。例如，在實地檢測電路時，必須考慮設備的便攜性、續航時間以及成本問題；在供學生或初學者使用時，必須考慮產品是否易上手、功能是否人性化。因此，結合快速傅里葉變換（fast fourier transform，FFT）算法庫、串口通信、雙路模擬數字轉換（analog to digital，AD）同步采樣、鋰電池和TYPE-C 雙路供電，設計了一款基于數字信號處理器（digital signal processor，DSP）的可觸單相功率分析儀系統，該系統基本滿足了低成本、低功耗、便于攜帶、易上手、高集成度的設計需求。

1 系統設計方案選擇

系統采用德州儀器公司的TMS320F28335主芯片，該芯片的工作頻率高達150 MHz，并可以移植德州儀器公司的IQ math庫和浮點處理單元（floatingpoint unit，FPU）庫來進行快速高精度傅里葉變換，從而有效測量對基波、諧波的相位和電壓有效值。

在本文設計的系統中，流過負載的220 V 單相交流電經過電壓、電流兩路互感器轉換為雙極性小信號，經過前級調理電路，將小信號抬升為0 ～3 V 的單極性小信號并輸入給DSP。在DSP端的AD模塊經雙路同步采樣轉化為數字信號。數字信號存入數組中供快速傅里葉計算，從而得到的有功功率、電流電壓、諧波因數等測量參數，通過串口通信將這些參數發送至串口屏。單相功率分析儀系統結構如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 前級調理電路設計

系統中使用了兩路調理電路，分別處理來自電壓互感器、電流互感器的雙極性小信號，如圖2 所示。

前級調理電路主要由電壓跟隨、電流量程選擇、支流抬升以及同相放大構成。運算放大器OPA2277具有內部補償的輸入偏置電流，其還具有超低偏移電壓、高共模抑制比等特性[1]，有助于減小系統的整體偏移電壓和噪聲。

2.2 供電和顯示模塊設計

鋰電池提供的7.4 V 直流電壓含有電源紋波，因此鋰電池輸出的直流電需經過AMS1117 低壓差線性穩壓器進行穩壓。AMS1117 具有1.2 V、3.3 V、5 V 等固定電壓輸出版本，輸出電壓精度可以達到±2%[2]，能夠較好地滿足本系統中所需要的直流偏置、同相放大、芯片供電的要求。為了提供運算放大器需要的雙極性電壓，本系統采用A0505D-2WR3 DCDC 模塊電源輸出負極性5 V 電壓。

本系統采用淘晶馳公司生產的USART-HMI 智能串口屏，該串口屏采用5 V 的直流電源供電，并且具有觸摸功能，可以較好地進行人機交互，實現多界面顯示。此串口屏具有多種組態控件包括按鍵控件、進度條控件、文本控件、指針控件等[3]。通過串口相關指令即可以改變或選擇屏幕顯示內容并且發送數據給主控芯片實現數據校準計量功能。

本系統中串口屏與DSP 之間實現了良好的交互功能。串口屏上設有按鍵，測量結果通過按鍵控件校準，按鍵還可以通過切換顯示界面來顯示多項測量結果。當60 s 內無觸屏操作時，串口屏亮度降低并進入息屏模式。

串口屏與主機通信依靠TXD（傳輸數據）、RXD（接收數據）、VCC（電源正極）、GND（地線）四線連接。串口通信主要流程為配置串口通信波特率為9 600 Baud，避免主從機波特率不同導致的傳輸數據丟失或傳輸數據過程異常中斷，配置串口通信初始化，編寫串口發送數據與接收數據函數。

3 軟件程序設計

本系統軟件設計主要包括雙路AD 同步采樣、串口中斷函數、定時器中斷函數、FFT 算法庫、按鍵檢測函數、按鍵執行函數、串口發送、串口接收以及多維數組處理的相關函數等。當按鍵按下時，同步采樣啟動，通過直接內存訪問來讀取存入數組，數組中的數據存滿后對其進行FFT，計算各組數據后發送給串口屏進行顯示。當60 s 內無按鍵按下時，系統進入休眠狀態。

本系統待測信號頻率為50 Hz，根據奈奎斯特采樣定理，采樣信號的頻率達到100 Hz 時，采集的信號頻域不會混疊。TMS320F28335 芯片可以配置同步采樣模式，模數轉換器（analog to digitalconverter，ADC）可以對兩路通道（A0/B0 ～ A7/B7）持續轉換輸入信號，可以對外部ADCSOC（模數轉換器啟動控制）信號的事件觸發上啟動轉換操作。通過配置ADC 采樣時鐘、設置采樣窗口、選擇ADC 通道序列來完成同步采樣程序設置。

4 參數計算

4.1 計算要求

本系統測量參數以泰克科技有限公司所研發的PA1000 系列功率分析儀為基準，具體測量參數包括電壓、電流、有功功率、功率因素、總諧波失真（total harmonic distortion，THD）等。

4.2 測量原理比較

第一種測量方式使用德州儀器公司提供的FFT函數庫，通過FFT 得到待測信號的基頻頻率與諧波因數；第二種測量方式是抽樣出電流與電壓的離散序列，對序列進行積分運算，根據功率的定義逆推出電流、電壓。在分析兩種方式后，發現對大量采樣點進行積分運算難度較高，難以發揮DSP 的優勢，并且無法避免電流、電壓采集誤差和變比變壓的相位誤差所造成部分信號積分混疊和缺失，因此采用第一種方式測量，測量結果中幅值最大的點對應的頻譜值即為信號的基頻。

離散時間序列{x（k）}（k = 0，1，…，N-1）的離散傅里葉變換（discrete fourier transforms，DFT）計算公式：

式中，N 為采樣點數，n 為采樣過程中的點。

經MATLAB 演算分析，本系統能夠對30 次左右的諧波精確分析。

5 測量誤差結果校準

5.1 測量誤差來源分析

電壓、電流測量值與實際值之間的誤差來源包括前級電路電壓、電流互感器由于一次側和二次側繞組的電阻、漏抗，以及鐵芯勵磁電流會引起非線性空載誤差，磁通的變化會引起相角誤差。本系統前級硬件電路中存在非線性誤差，同時供電模塊存在微小電源紋波的影響，也會導致測量誤差[5]。

5.2 測量誤差校準

本系統綜合考慮了兩種系統誤差校準方法。文獻[6] 提出了一種分段非線性校準方法。首先，該方法以固定采樣頻率對信號進行定頻率采樣，將采樣點作DFT，計算出基頻的初始相位，進而得到原始信號的理論離散表達式；其次，通過該表達式得到原始信號對應的理論值，建立原始信號與理論值的映射關系；最后，采用三次樣條插值方法對映射的數據進行擬合[6]。該方法復雜、工作量較大，不適用于本系統50 Hz（正常插座用電頻率）的工作環境和低成本的設計需求。

本系統采用線性擬合的方法對電流、電壓、諧波分量進行擬合，測量誤差約為1%。基于此，本系統選擇的單位步進值為0.01 A 和0.01 V。

6 測試方案以及測試結果

6.1 THD測量

將本裝置與市售功率分析儀的標稱值進行比較，計算得到各組參數的相對誤差。本裝置以多擋電風扇作為測試負載，測得多組數據。其中，如表1 所示，THD 的相對誤差約為1.6%，有功功率誤差約為0.1%，功率因數測量無誤差，負載電壓、電流測量的有效值穩定在1% 左右。

6.2 系統功耗測量

考慮到實際產品的戶外使用環境，測量變量控制為正常工作狀態下的系統功耗和串口屏息屏狀態下的系統功耗。經綜合測量，正常工作狀態下，系統功耗為（4.5 ± 0.3）W；串口屏息屏狀態下，系統功耗為（3.3 ± 0.3）W。在本方案中，選用10 000 mA·h 的常見市售充電寶和鋰電池為本系統持續供電，續航時間可達14.5 h，實現了低功耗的目標。

7 結論

本文采用DSP 作為系統核心，以雙路AD 同步采樣和基-2FFT 算法為核心技術，通過電壓、電流互感電路和前級調理電路設計實現了一款可攜帶、低功耗、低成本的可觸單相功率分析儀系統。系統具有良好的交互界面，易上手，具有多界面切換、實時顯示、功耗管理等智能功能。該系統測試結果準確，各項指標較為優異。已成功搭建出實物并且應用于實驗室常見用電負載的參數測量，對相關領域的應用與研究具有一定的參考價值和借鑒意義。