畢業(yè)設(shè)計(jì)---電力系統(tǒng)諧波分析儀的設(shè)計(jì)

1、<p>　　分類號(hào) 單位代碼 </p><p>　　密 級(jí) 學(xué) 號(hào) </p><p>　　學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）<

2、/p><p>　題 目電力系統(tǒng)諧波分析儀的設(shè)計(jì)</p><p>　作 者</p><p>　院 (系)能源工程學(xué)院</p><p>　專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化</p><p>　指導(dǎo)教師</p><p>　答辯日期2012年5月18日</p><p>&l

3、t;b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代電力工業(yè)的迅速發(fā)展，大量非線性電力電子設(shè)備、非對(duì)稱性用電設(shè)備以及沖擊性用電設(shè)備的逐年增多，電力系統(tǒng)中諧波嚴(yán)重地污染電網(wǎng)環(huán)境，威脅著電網(wǎng)中各種電氣設(shè)備的完全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。使電力系統(tǒng)的諧波檢測(cè)受到人們的廣泛關(guān)注。本文采用了各種電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方法，現(xiàn)在諧波的檢測(cè)大多采用基于快速傅里葉變換的諧波檢測(cè)方法，所以本文主要采用了基于快速傅里葉變換的諧波檢

4、測(cè)方法。</p><p>　　本文通過一種基于高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS32O2812與16位高精度的AD8364相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案發(fā)，主要對(duì)信號(hào)調(diào)理作為硬件系統(tǒng)，并對(duì)硬件進(jìn)一步展開電路數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)，以及通訊接口和人機(jī)接口的設(shè)計(jì)。</p><p>　　本文在構(gòu)建的基于DSP的嵌入式開發(fā)平臺(tái)上，完成了檢測(cè)裝置的軟件開發(fā)，包括軟件開發(fā)策略的選定、程序流程的設(shè)計(jì)和各功能模塊的編程，以及系統(tǒng)軟件的

5、調(diào)試和測(cè)試。系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中在功能模塊的編寫中運(yùn)用了C語言與ASM語言嵌套的手法，通過合理的軟件堆棧設(shè)置，達(dá)到DSP資源的優(yōu)化配置。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)在檢測(cè)精度方面滿足電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)精度的要求。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析以及文章結(jié)論部分，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程中可能對(duì)系統(tǒng)諧波檢測(cè)精度影響的因素作了詳細(xì)分析，并從系統(tǒng)的硬件和軟件角度提出了在實(shí)際開發(fā)中可能遇到的各種問題以及解決的辦法。</p><

6、p>　　關(guān)鍵字：諧波檢測(cè)，快速傅里葉變換，嵌入式技術(shù)</p><p>　　Power system harmonic analyzer design</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the rapid development of power industry, a large numb

7、er of non-linear power electronic devices, asymmetric electric equipment as well as the impact of electrical equipment is increasing year by year, the power system harmonics seriously polluting power grid environment, th

8、reatening the power grids in the various electrical equipment complete economic operation. Electric power system harmonic detection by people's extensive concern. This paper used a variety of harmonic detection metho

9、d for </p><p>　　This paper based on a high speed digital signal processor TMS32O2812and16high precision AD8364combining the design, mainly on the signal conditioning as a hardware system, and the hardware ci

10、rcuit design of further data processing module, and the communication interface and man-machine interface design.</p><p>　　This paper in the construction of DSP based embedded development platform, complete

11、detection device software development, including software development strategy selection, process design and each function module and system software programming, debugging and testing. The development of system software

12、 in the function module programming using C language and ASM language embedded technique, through the reasonable software stack settings, DSP reaches the optimal allocation of resources.</p><p>　　In this pap

13、er the design in the detection accuracy meet the precision requirements of harmonic detection of power system. In the analysis of experimental results and the conclusion part, the real-time monitoring process on system h

14、armonic detection precision influence factor are analyzed in detail, and from the hardware and software of the system are put forward in the actual development may encounter various problems and solutions.</p><

15、;p>　　Keywords: harmonic detection, FFT, embedded technology</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>

16、　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)的目的與意義1</p><p>　　1.2 電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)裝置的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1 國外諧波分析研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)諧波分析研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.

17、3 本課題研究的主要內(nèi)容2</p><p>　　1.4 本文的主要工作3</p><p>　　2 傅立葉變換在電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)中的應(yīng)用4</p><p>　　2.1 離散傅立葉變換4</p><p>　　2.2 快速傅立葉變換(FFT)5</p><p>　　2.3 其它諧波檢測(cè)方法6</

18、p><p>　　2.3.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)6</p><p>　　2.3.2 基于小波變換的諧波檢測(cè)7</p><p>　　2.4 FFT諧波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真7</p><p>　　2.5 本章小結(jié)7</p><p>　　3 諧波檢測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)8</p><p>　　

19、3.1 電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)的原理8</p><p>　　3.2 諧波檢測(cè)中數(shù)字信號(hào)處理器的選擇8</p><p>　　3.2.1 本文DSP處理器的選擇9</p><p>　　3.2.2 TMS320F2812DSP的特點(diǎn)9</p><p>　　3.3 電力系統(tǒng)諧波信號(hào)采集單元9</p><p>　　

20、3.4 同步方波變換電路10</p><p>　　3.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD8364與DSP2812接口設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.5.1 AD8364的主要特性與工作原理11</p><p>　　3.5.2 AD8364與DSP2812接口設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.6 通信模塊單元設(shè)計(jì)13</p>

21、<p>　　3.6.1 串口通信模塊的設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.6.2 CAN通信模塊設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.6.3 以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.7 本章小結(jié)22</p><p>　　4 諧波檢測(cè)裝置軟件的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.1 TI

22、 DSP軟件與開發(fā)工具介紹23</p><p>　　4.1.1 SP軟件開發(fā)的特點(diǎn)23</p><p>　　4.1.2 軟件開發(fā)的步驟24</p><p>　　4.1.3 公共目標(biāo)格式(COFF)24</p><p>　　4.2 XDS51OPP并口仿真器與軟件整體設(shè)計(jì)思路27</p><p>　　4

23、.2.1 XDS510PP并口仿真器與安裝27</p><p>　　4.2.2 軟件整體設(shè)計(jì)思路27</p><p>　　4.3 諧波檢測(cè)各部分的軟件設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主程序29</p><p>　　4.3.2 改進(jìn)后的FFT算法子程序29</p><p>　　4.3

24、.3 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)31</p><p>　　4.4 本章小結(jié)32</p><p>　　5 諧波檢測(cè)裝置調(diào)試與實(shí)驗(yàn)33</p><p>　　5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試33</p><p>　　5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試34</p><p>　　5.3 測(cè)得諧波數(shù)據(jù)的分析說明35</p>&l

25、t;p>　　5.4 本章小結(jié)35</p><p><b>　　6 結(jié)論37</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　致 謝40</b></p><p>　　錄A系統(tǒng)硬件部分原理圖41</p>&l

26、t;p>　　附錄CFFT算法部分代碼42</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　隨著大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用，電力系統(tǒng)的非線性負(fù)荷不斷增長，它使我們電網(wǎng)產(chǎn)生了大量的電力諧波，這對(duì)電網(wǎng)的環(huán)境污染是相當(dāng)厲害，對(duì)我國的電網(wǎng)造成的安全隱患，所以電力系統(tǒng)的諧波問題越來受到了人們的重視。諧波的危害具體有以下幾個(gè)方面；</p>

27、;<p>　?。?）引起串、并諧振從而放大諧波，造成危險(xiǎn)的過電壓或過電流；</p><p>　?。?）增加供電網(wǎng)的損耗，當(dāng)發(fā)生諧振或放大現(xiàn)象時(shí)，損耗更加嚴(yán)重；</p><p>　　（3）諧波畸變的結(jié)果會(huì)造成電子設(shè)備的過零問題；</p><p>　?。?）加快電氣設(shè)備絕緣老化，使其壽命縮短；</p><p>　?。?）由于電力線和

28、通信線耦合問題，諧波會(huì)對(duì)通信線造成較大的干擾；</p><p>　　諧波污染的嚴(yán)重后果，現(xiàn)在電力系統(tǒng)中的諧波源，不但種類多，而且分布也廣，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，要求實(shí)施“綠色電力電子”的呼聲日益高漲。目前，對(duì)地球環(huán)境的保護(hù)成為全球人類的共識(shí)。對(duì)電力系統(tǒng)諧波的治理也成為電工科學(xué)技術(shù)界所必須解決的問題，而解決這些問題關(guān)鍵在于確定諧波的成分、幅值和相位等。這正是我們探討電力系統(tǒng)諧波分析儀的目的和意義所在。</p&g

29、t;<p>　　1.1 電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)的目的與意義</p><p>　　諧波的發(fā)生會(huì)影響整個(gè)供電環(huán)境，并波及到離諧波源很遠(yuǎn)的地方。諧波污染不像水資源和污染現(xiàn)象那么直觀，人們一般感覺不到它的存在，然而波形污染的存在往往在遭受很大事故損失后才能被人們認(rèn)知。隨著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的增長，非線性電力負(fù)荷不斷增，其對(duì)電力系統(tǒng)帶來的影響也同步增長。國外的經(jīng)驗(yàn)表明，各種非線性用電設(shè)備容量的增長率超過電網(wǎng)的發(fā)電容量的

30、增長率，這決定了諧波監(jiān)督和治理工作的長期性和艱巨性。正確分析電力網(wǎng)諧波產(chǎn)生的根源和機(jī)理、采取有效措施最大限度地抑制其影響、保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行是非常的重要和必要的。</p><p>　　諧波問題的研究可以分為以下四個(gè)方面：</p><p>　?。?）與諧波有關(guān)的功率定義、功率理論的探討：</p><p>　?。?）諧波分析、諧波影響和危害的分析：</p>

31、<p>　　（3）諧波的補(bǔ)償和抑制：</p><p>　?。?）與諧波有關(guān)的測(cè)量問題以及限制諧波標(biāo)準(zhǔn)的研究。</p><p>　　諧波研究的意義，是因?yàn)橹C波的危害十分嚴(yán)重。諧波會(huì)使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保

32、護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)電力系統(tǒng)的外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。</p><p>　　1.2 電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)裝置的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 國外諧波分析研究現(xiàn)狀</p><p>　　電力系統(tǒng)的諧波問題在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國，由于使用了靜止汞弧變流器而造成電壓、電流波形的畸

33、變。1945年J.C.Read發(fā)表有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。</p><p>　　到了50年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了大量有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波問題的論文。70年代以來，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭當(dāng)中的應(yīng)用日益廣泛，諧波造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國都對(duì)諧波問題予以充分和關(guān)注。國際召開了很多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會(huì)議，不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系

34、統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。</p><p>　　現(xiàn)在，國際上有關(guān)諧波的研究十分活躍，每年都有許多的論文發(fā)表。這說明了這一研究的重要性也預(yù)示著這一領(lǐng)域的研究將取得重大突破。</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)諧波分析研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國對(duì)諧波問題的研究起步較晚。吳競(jìng)昌等人1988年出版的《電力系統(tǒng)諧波》一書是我國有關(guān)諧波問題較有影響的著作。夏

35、道止等 1994年出版的《高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波分析及濾波》是近年出版的代表性著作。此外，唐統(tǒng)一等人獨(dú)立翻譯了J.Arrillaga等的《電力系統(tǒng)諧波》一書，在國內(nèi)有較大的影響。</p><p>　　我國先后與1984年和1993年分別制定了有關(guān)限制諧波的規(guī)定和國家標(biāo)準(zhǔn)。例如1993年的《電能質(zhì)量公共電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14549-93)。</p><p>　　近年來，隨著供電可靠性要

36、求的提高，對(duì)電力系統(tǒng)諧波問題的研究已被人們重視。比較有影響力的是每隔兩年的電能質(zhì)量及柔性輸電技術(shù)研討會(huì)。</p><p>　　1.3 本課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文包括以下幾個(gè)方面的研究內(nèi)容。</p><p>　　(l)對(duì)現(xiàn)有諧波檢測(cè)方法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)比較，最后確定諧波檢測(cè)的最佳分析方法。</p><p>　　(2)為滿足實(shí)

37、時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)，對(duì)傳統(tǒng)的串口通信進(jìn)行了改進(jìn)。</p><p>　　(3)設(shè)計(jì)了嵌入式以太網(wǎng)通信接口來滿足電站監(jiān)控?zé)o人化。</p><p>　　1.4 本文的主要工作</p><p>　　本文用TMS320F2812作為整個(gè)系統(tǒng)的CPU，完成電力系統(tǒng)諧波的采樣、存儲(chǔ)、FFT諧波分析、對(duì)外數(shù)據(jù)接口及通信。整個(gè)系統(tǒng)總體上可分為三部分：數(shù)據(jù)采集模塊、DSP數(shù)據(jù)處理模塊和通信模

38、塊。</p><p>　　由于電能質(zhì)量分析的精度要求，采用外接的16為A/D轉(zhuǎn)換芯片完成電壓和電流信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)從時(shí)域到頻域的變換，最后把數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)或者串口傳送出去，并保存以后分析需要使用的相關(guān)結(jié)果。</p><p>　　電能質(zhì)量檢測(cè)裝置的輸出設(shè)計(jì)為一個(gè)以太網(wǎng)口、一個(gè)USB串口及一個(gè)CAN總線接口，這樣就可以遠(yuǎn)程查看檢測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，或者通過U

39、SB串口實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的本地檢測(cè)。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線接口以方便與工業(yè)PLC、工控機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。</p><p>　　2 傅立葉變換在電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)中的應(yīng)用</p><p>　　采用離散傅立葉變換和快速傅立葉變換，計(jì)算出頻譜序列值(或各次諧波值)。即使能以解析式表示時(shí)，也可同樣進(jìn)行離散化的處理，予以計(jì)算分析。還可用快速傅立葉變換進(jìn)行諧波的實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控。所以傅立葉分析在電力系統(tǒng)諧波分析中占用重

40、要的地位。</p><p>　　2.1 離散傅立葉變換</p><p>　　在一個(gè)連續(xù)非正弦波形，當(dāng)滿足絕對(duì)可積得條件，即: </p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　此時(shí)，可以用傅立葉變換進(jìn)行分析。</p><p>　　如果非正弦周期函數(shù)f(t)滿足狄里赫利(Dir

41、ichlet)條件，可利用傅立葉變換來進(jìn)行諧波的分析，通過傅立葉變換得到基波和各次諧波的幅值和相角。傅立葉級(jí)數(shù)的表達(dá)式如下：</p><p><b>　　（2.2）</b></p><p>　　是基波的角頻率，n是諧波次數(shù)，是初相角。</p><p>　　電力系統(tǒng)的非正弦周期波是不規(guī)則的畸變波形，無法表示成為函數(shù)解析式，常用的方法是對(duì)該種波形的

42、時(shí)間連續(xù)信號(hào)用采樣裝置進(jìn)行等間隔采樣，并把采樣值轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列，然后接著計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速諧波分析。離散傅立葉變換DFT就是適應(yīng)這種要求。利用DFT，將時(shí)域中的有限長度的離散信號(hào)變?yōu)轭l域中有限長度的離散信號(hào)。時(shí)域中函數(shù)作周期變化時(shí)，其傅立葉變換的頻譜呈現(xiàn)離散性；當(dāng)時(shí)域中函數(shù)是離散信號(hào)時(shí)，其傅立葉頻譜則是周期性的。只有周期性的離散信號(hào)才具有周期性的離散頻譜，它們?cè)跁r(shí)域和頻域中均可以用有限個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行表示。對(duì)一個(gè)有限時(shí)間段內(nèi)的離散信號(hào)或序列，

43、可用周期延拓的概念將它看作以此時(shí)間段為周期不斷重復(fù)的周期函數(shù)，應(yīng)用DFS對(duì)其進(jìn)行變換，可以代表該時(shí)間段信號(hào)的傅立葉頻譜，它依然是一個(gè)具有有限個(gè)數(shù)據(jù)的離散頻譜。這種變換稱為離散傅立葉變換DFT。</p><p>　　2.2 快速傅立葉變換(FFT)</p><p>　　快速傅立葉變換(FFT)不是一種新的變換，它是離散傅立葉變換(DFT) 的一種快速算法。算法原理如下：</p>

44、<p>　　對(duì)信號(hào)進(jìn)行了N次采樣時(shí)，采樣率是fs，采樣信號(hào)的時(shí)域?yàn)閤(n)，其中0<n<N-1。相鄰采樣間隔為△t=1/f，對(duì)N個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行離散傅立葉變換，表達(dá)式如下： </p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　k=0，l，2，…N-1： </p><p>　　結(jié)果x(k)就是x(n)

45、的頻域表示，與時(shí)域中的時(shí)間間隔△t相類似，在頻域中相鄰采樣點(diǎn)也存在頻率間隔，</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　它是頻域顯示的相鄰譜線之間的頻率間隔，稱為頻率分辨率。FFT算法要求采樣點(diǎn)數(shù)N必須是2的整數(shù)次冪，即N=2m (m是整數(shù))，如果不滿足此條件，可以人為的補(bǔ)上若干個(gè)零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，例如當(dāng)N=1000時(shí)，可加上24個(gè)零值點(diǎn)使N=100

46、0+24=1024=210，這種N為2的整數(shù)次冪的FFT也可稱為基2的FFT算法。由式 (2.3)定義，將輸入信號(hào)序列x(n)按n的奇偶分為兩個(gè)子序列：</p><p><b>　　（2.5）</b></p><p><b>　　則DFT可化為：</b></p><p><b>　?。?.6）</b>

47、</p><p>　　，上式可以 表示成為</p><p><b>　　（2.7）</b></p><p>　　其中和分別是及的點(diǎn)DFT</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　　（2.9）</b></p>

48、<p>　　由(3.7)可看出，一個(gè)N點(diǎn)的DFT分解成兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT，它們按(3.7)式組合成一個(gè)N點(diǎn)的DFT。但是，和，都是N/2點(diǎn)的序列，即r，k滿足r，k=0，1，…N/2-1。而卻有N點(diǎn)，用 (3.7)式計(jì)算得到的只是的前一半數(shù)的結(jié)果，要用，來表達(dá)全部的值，而且必須應(yīng)用系數(shù)的周期性，即：</p><p><b>　?。?.10）</b></p><

49、;p>　　同理： （2.11）</p><p>　　式(2.10)，(2.11)說明后半部分k值對(duì)應(yīng)的和完全重復(fù)了前半部分k值所對(duì)應(yīng)的和的值。</p><p>　　另外，考慮到W，k的對(duì)稱性</p><p><b>　?。?.12）</b></

50、p><p>　　將式(2.11)、(2.12)、(2.13)代入式(2.10)中，就可將其表示成前后兩部分。N個(gè)采樣點(diǎn)的前半部分0，1，2，…，N/2-1為</p><p>　　0，1，2，…，N/2-1 (2.13)</p><p>　　采樣點(diǎn)的后半部分為：</p><p><b>　

51、?。?.14）</b></p><p>　　由上述分析可知，快速傅立葉變換FFT能夠大量節(jié)省計(jì)算的關(guān)鍵所在。如今在分析電壓、電流的諧波含量時(shí)，大多是采用快速傅立葉算法。</p><p>　　2.3 其它諧波檢測(cè)方法</p><p>　　2.3.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)尚屬起

52、步階段，它有3方面的應(yīng)用:諧波源辨識(shí)、電力系統(tǒng)諧波預(yù)測(cè)、諧波檢測(cè)。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于諧波檢測(cè)，主要涉及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、樣本的確定及算法的選擇。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算量小、檢測(cè)精度高、實(shí)時(shí)性好，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)任意整數(shù)次的諧波；對(duì)數(shù)據(jù)流長度的敏感性低；抗干擾性強(qiáng)。而且，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)前的一種新理論和新方法、研究和應(yīng)用的時(shí)間還很短，在具體實(shí)際方面還有很多要完善的地方，目前在諧波檢測(cè)中還處于初步探討階段。</p>&l

53、t;p>　　2.3.2 基于小波變換的諧波檢測(cè)</p><p>　　小波變換是一種十分有效的時(shí)頻分析的工具，它克服了傅立葉變換在分析非穩(wěn)態(tài)信號(hào)方面的局限性缺點(diǎn)，在頻域完全局部化而在時(shí)域完全無局部性的缺點(diǎn)。小波變換采用了不同尺度的分析方法，能在信號(hào)的不同部位得到最佳的時(shí)域分辨率及頻域分辨率，特別適用于邊緣和峰值突變信號(hào)的處理及特征抽取，為非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析提供了一條新的途徑。但是小波變換并不能全部取代傅立葉變

54、換，這是因?yàn)樾〔ㄗ儞Q在穩(wěn)態(tài)諧波檢測(cè)方面并不具有理論優(yōu)勢(shì)，另外小波變換的理論和應(yīng)用在諧波檢測(cè)方面尚處于初始階段，還存在許多不完善之處，如缺乏系統(tǒng)規(guī)范的最佳選取方法。將小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來對(duì)諧波進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)和開發(fā)基于小波變換的諧波監(jiān)測(cè)儀那會(huì)是很有意義的。</p><p>　　2.4 FFT諧波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)仿真</p><p>　　傅立葉變換的諧波檢測(cè)是當(dāng)今應(yīng)用最多最廣泛的一種方法。這種

55、方法根據(jù)采集到的1個(gè)周期的電流值和電壓值進(jìn)行計(jì)算，得到該電流所包含的諧波次數(shù)以及各次諧波和相位系數(shù)。</p><p>　　使用這種方法測(cè)量諧波，精度高，功能多，使用方便。它的缺點(diǎn)是需要一定時(shí)間的電流值，而且需進(jìn)行二次變換，計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間長，從而使得檢測(cè)時(shí)間長，檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)性較差。從而在采樣過程中，當(dāng)信號(hào)頻率和采樣頻率不一致時(shí)，使用該方法會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，使計(jì)算出的信號(hào)參數(shù)不準(zhǔn)確，尤其是相位的誤差很大，

56、無法滿足測(cè)量精度的要求，所以必須對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。可利用加窗插值法對(duì)快速傅立葉算法進(jìn)行修正的方法。該方法可減少頻譜泄漏，可有效地抑制諧波之間的干擾及雜波及噪聲的干擾，從而可以精確測(cè)量到各次諧波電壓以及電流的幅值。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　在電力系統(tǒng)中遇到的離散時(shí)間序列x(n)通常是無限長序列，處理這個(gè)序列的時(shí)候需要將它

57、截短。截短就等于將序列乘以窗函數(shù)于是造成了頻譜泄漏的問題。對(duì)于FFT計(jì)算中沒有使用窗的實(shí)際上相當(dāng)于使用了矩形窗。而對(duì)于非矩形窗，窗本身就會(huì)產(chǎn)生一定的泄漏，通過加大主瓣的寬度來降低旁瓣的幅度。</p><p>　　3 諧波檢測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　諧波檢測(cè)裝置可采用TI公司工業(yè)控制領(lǐng)域最先進(jìn)的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812，根據(jù)系統(tǒng)功能的需要，諧波檢測(cè)系統(tǒng)擴(kuò)展

58、了A/D轉(zhuǎn)換芯片、鍵盤及液晶顯示以及以太網(wǎng)接口模塊，如圖3.1所示。</p><p>　　圖3-1諧波檢測(cè)裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.1 電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)的原理</p><p>　　電力系統(tǒng)的電壓電流信號(hào)通過基于霍爾原理的精密霍爾電壓傳感器以及電壓輸出型電流變換器分別轉(zhuǎn)換為±5V的弱電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)化為ADS8364的模擬

59、輸入電壓范圍在AGND-0.3V和AVDD+0.3V之間。外接16位的AD芯片AD8364完成電壓和電流的模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，同步方波變換電路實(shí)現(xiàn)模擬輸入信號(hào)的頻率測(cè)量，根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)準(zhǔn)確的采樣?？梢哉f，該電路將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波，DSP2812設(shè)定捕捉CAPI端口為上升沿捕捉，通過中斷響應(yīng)計(jì)算兩次捕捉的時(shí)間，可以獲得被測(cè)信號(hào)的頻率。通過對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)從時(shí)域到頻域的變換。對(duì)頻域轉(zhuǎn)換后的結(jié)果計(jì)

60、算其所需的電能質(zhì)量參數(shù)，通過通信模塊將這些數(shù)據(jù)傳送出去。</p><p>　　3.2 諧波檢測(cè)中數(shù)字信號(hào)處理器的選擇</p><p>　　各種數(shù)字信號(hào)處理器都有自己比較適合的應(yīng)用領(lǐng)域，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)須根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。TI公司的DSP為例，C2000系列處理器提供多種控制系統(tǒng)使用外圍設(shè)備，比較適合控制領(lǐng)域；而C5000系列的處理器具有處理速度快、功耗低、相對(duì)成本低等特點(diǎn)，適合便攜設(shè)備

61、及消費(fèi)類電子設(shè)備使用；可 C6000系列處理器就具有處理速度快、精度高等特點(diǎn)，更適合圖形處理及通信設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先要根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)來進(jìn)行處理器的具體選擇。</p><p>　　3.2.1 本文DSP處理器的選擇</p><p>　　通過電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)原理可知，諧波檢測(cè)裝置要完成電力系統(tǒng)諧波的實(shí)時(shí)采樣、存儲(chǔ)、FFT諧波分析及數(shù)據(jù)的傳送或者顯示。要求電力系統(tǒng)電壓/電流

62、同時(shí)采樣，二者之間無相位差，方便功率和功率因子計(jì)算。而該裝置一個(gè)周期內(nèi)要采集被測(cè)信號(hào)為1024點(diǎn)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理量很大，要求采用高速處理器。而且，諧波檢測(cè)是后續(xù)諧波補(bǔ)償和治理，其中包括有源電力濾波器的首要環(huán)節(jié)，考慮到系統(tǒng)進(jìn)一步的拓展，所以采用TI公司工業(yè)控制領(lǐng)域最先進(jìn)之一的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812作為系統(tǒng)的MCU，完成系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速的諧波檢測(cè)與顯示。</p><p>　　3.2.2 TMS320

63、F2812DSP的特點(diǎn)</p><p>　　TMS320F2812DSP是TI公司最新的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，它采用32bit中央處理器大大提高了處理能力。它的主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　(l)采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻可工作在 150MHz；</p><p>　　(2)高性能的32位中央處理器，可以進(jìn)行32位x32位的乘且累加操作；</p&

64、gt;<p>　　(3)片內(nèi)大容量存儲(chǔ)器， 128K x16位的Flash和18K x16bit的數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)器等；</p><p>　　(4)高速外設(shè)接口，最多可擴(kuò)展15M x16bit存儲(chǔ)器；</p><p>　　(5)3個(gè)32位CPU定時(shí)器； </p><p>　　(6)具有12位的ADC流水線變換時(shí)間最小60ns，單變換200ns；</

65、p><p>　　(7)改進(jìn)的eCAN2.OB接口模塊；</p><p>　　(8)多個(gè)串行通信接口；</p><p>　　(9)高性能低功耗，采用1.8V內(nèi)核電壓以及3.3V外圍接口電壓。</p><p>　　3.3 電力系統(tǒng)諧波信號(hào)采集單元</p><p>　　信號(hào)采集單元包括，電壓電流傳感器、隔離和信號(hào)調(diào)理電路。輸入

66、信號(hào)的調(diào)理電路關(guān)鍵技術(shù)就在于對(duì)電壓信號(hào)的精確采集。傳統(tǒng)的電壓傳感器采用電磁型互感器，由于設(shè)計(jì)時(shí)僅僅考慮精確傳遞50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，所以電磁型互感器二次側(cè)很難真實(shí)反映一次側(cè)待測(cè)電壓電能質(zhì)量指標(biāo)?；诨魻栐淼幕魻栯妷弘娏鱾鞲衅骺朔穗姶判突ジ衅髦挥糜?0Hz工頻測(cè)量的缺點(diǎn)，只需要外接正負(fù)直流電源，被測(cè)電壓母線只需接于原邊端子，然后在副邊端再作一些簡單的連接即可完成主電路和控制電路的隔離檢測(cè)，電路設(shè)計(jì)非常簡單。</p>&l

67、t;p>　　DSP通過6個(gè)A/D通道對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，來獲得三相電壓和電流信號(hào)。霍爾電壓傳感器給出的是模擬信號(hào)，并采用了雙重保護(hù)，防止電壓過高造成AD的沖擊損壞，即信號(hào)經(jīng)過RC濾波后連接至一個(gè)放大比較器。比較器有一個(gè)參考電壓，當(dāng)信號(hào)低于這個(gè)參考電壓的時(shí)侯，信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大后輸出；而當(dāng)信號(hào)超過參考電壓時(shí)，比較器輸出低電平將其所連接的引腳電平拉低，從而把檢測(cè)到的信號(hào)偏置到模/數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)正常的輸入范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)芯片的保護(hù)。由霍爾傳感器

68、送過來的電壓信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路，將其轉(zhuǎn)化成為ADS8364的模擬輸入電壓范圍AGND-0.3V和AVDD+0.3V之間。圖3.2為單路信號(hào)調(diào)理電路。</p><p>　　圖3-2單路信號(hào)調(diào)理電路</p><p>　　3.4 同步方波變換電路</p><p>　　在電力系統(tǒng)中，不確定的干擾因素使得被測(cè)信號(hào)的頻率并不恒定，利用同步變換電路將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為同步方波電路，來

69、實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)被測(cè)信號(hào)的精確采樣。本設(shè)計(jì)采用硬件電路實(shí)現(xiàn)模擬輸入信號(hào)的頻率測(cè)量，硬件電路將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波，通過中斷響應(yīng)計(jì)算兩次捕捉的時(shí)間。被測(cè)信號(hào)要求滿足:±1V≤幅值≤±5V。測(cè)頻精度的時(shí)間分辨率為400ns。</p><p>　　圖3-3Single單路同步方波變換電路(測(cè)頻電路)</p><p>　　3.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD8364與DSP2812接口

70、設(shè)計(jì)</p><p>　　3.5.1 AD8364的主要特性與工作原理</p><p><b>　　主要特性有：</b></p><p>　　(1)6路全差分輸入通道；</p><p>　　(2)6個(gè)模擬輸入端都有一個(gè)ADCs保持信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)所有通道的同步采樣與轉(zhuǎn)換；</p><p>　　(3)

71、每個(gè)通道都有獨(dú)立的16位ADC，可以確保無誤差的14位轉(zhuǎn)換精度；</p><p>　　(4)同步運(yùn)行下250kHz的最大采樣速度，50kHz的采樣頻率下共模抑制比80dB，可確保在高噪聲環(huán)境下的高速可靠運(yùn)行；</p><p>　　(5)并行數(shù)據(jù)接口；</p><p>　　(6)模擬與數(shù)字邏輯電源均采用單+5V電壓供電，而數(shù)字接口緩沖電源采用3-5V，可靈活地與各種電

72、壓類型的DSP器件進(jìn)行接口設(shè)計(jì)。</p><p>　　ADS8364內(nèi)部的6個(gè)16位ADCs，分成3組(A，B，C)，可分別通過一個(gè)保持信號(hào)HOLDX來控制其啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。同時(shí)選通3個(gè)保持信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)各通道的同步采樣與轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在相應(yīng)的6個(gè)寄存器中，在EOC管腳輸出半個(gè)時(shí)鐘周期的低電平脈沖作為轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號(hào)。對(duì)于讀操作，ADS8364均輸出16位數(shù)據(jù)，可由地址/模式信號(hào)(A0，Al，A2)選擇下面3種讀

73、取方式之一進(jìn)行：指定通道單獨(dú)模式、周期循環(huán)模式和FIFO讀取模式。ADS8364提供一個(gè)內(nèi)部參考電壓，連接其REFOUT引腳到REFIN引腳上，即可為ADC提供2.5V的參考電壓；也可以根據(jù)信號(hào)輸入電壓范圍為其提供一個(gè)1.5-2.6V的外部參考電壓。</p><p>　　3.5.2 AD8364與DSP2812接口設(shè)計(jì)</p><p>　　如果采用12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)芯片，對(duì)15次諧波而

74、言會(huì)引起1.67%的誤差，而在實(shí)際諧波測(cè)量中一般需要檢測(cè)30次以上的諧波，這樣產(chǎn)生的誤差影響會(huì)很大，高次諧波測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)沒有可信性。因此，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率至少應(yīng)保證為14位以上。TMS320F2812芯片內(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊無法滿足電能質(zhì)量分析的需要，所以測(cè)量30次諧波并得到精確地分析結(jié)果，必須外接A/D轉(zhuǎn)換芯片。這里選用了16位并行輸出的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD8364，AD8364與TMS320F2812的接口電路如

75、圖3.4所示。</p><p>　　圖3-4AD8364與F2812是的接口電路</p><p>　　通常，REFOUT與REFIN連接可以為AD8364提供+2.5V的參考電壓，條件是輸入不超過AVDD+0.3V。此外，AD8364的參考時(shí)雙緩沖的，使用內(nèi)部參考的時(shí)侯，緩沖器介于參考電壓和負(fù)載之間；而使用外部參考時(shí)，緩沖器則在參考電壓和CDAC之間起隔離作用，而且緩沖器也可以在轉(zhuǎn)換期間對(duì)

76、CDAC的所用電容重新充電。AD8364也可以使用1.5-2.6V的外部參考電壓。單端輸入時(shí)，-IN端輸入的是共模電壓(CV)，而+IN的輸入則是圍繞共模電壓擺動(dòng)，峰峰值為CV+VREF和CV-VREF，VREF的大小決定了共模電壓的變化。當(dāng)輸入是差分方式時(shí)，其輸入幅值在-IN和+IN之間變化。每個(gè)輸入端的幅值分別為CV+0.5VREF和CV-O.5VREF，例如圖3.5所示。差分輸入的峰峰值為+VREF和-VREF。所以，VREF也決

77、定了輸入電壓的范圍。通常，為了保證驅(qū)動(dòng)輸入端的電源輸出阻抗匹配，在正、負(fù)極之間接一個(gè)小電容，否則會(huì)導(dǎo)致失調(diào)誤差。其輸入電流取決于采樣率和輸入電壓。另外，輸入的電壓范圍也應(yīng)保持在AGND-0.3V和AVDD+0.3V之間。</p><p><b>　　H</b></p><p>　　圖3-5AD8364單端與雙極性輸入波形圖</p><p>　　

78、3.6 通信模塊單元設(shè)計(jì)</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的諧波檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)或供電用戶電網(wǎng)中的諧波成份，一方面通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳送到工控機(jī)或者ARM控制系統(tǒng)中，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示出來，以提供給現(xiàn)場(chǎng)用戶數(shù)據(jù)參考?；蛘呃靡蕴W(wǎng)接口，通過電力系統(tǒng)內(nèi)部局域網(wǎng)將其數(shù)據(jù)傳送到電力調(diào)度中心，作為調(diào)度中心控制電力供應(yīng)的有效參考數(shù)據(jù)。另一方面，可通過擴(kuò)展接口，將其分析的結(jié)果直接用顯示單元模塊顯示出來。USB接口是

79、用作系統(tǒng)軟件調(diào)試也可以通過此串口將數(shù)據(jù)顯示到PC機(jī)上，現(xiàn)分別對(duì)各單元模塊做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。</p><p>　　3.6.1 串口通信模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　串行通信接口(SCI)是一個(gè)兩線異步串行接口，也就是通常所說的UART，SCI模塊支持CPU和其他使用標(biāo)準(zhǔn)不歸零(NRZ)格式的外部設(shè)備之間的異步數(shù)字通信。為了減少DSP2812CPU的開銷，串行通信接口SCI接收器和發(fā)送緩

80、沖器都有一個(gè)16級(jí)深的FIFO(先入先出)緩沖器，且有各自的使能位和中斷位，它們能夠在半雙工模式下分時(shí)工作或者在全雙工模式下同時(shí)工作。本文在串口的設(shè)計(jì)中，給出了串口設(shè)計(jì)的兩種設(shè)計(jì)方案，并在實(shí)際中都做了相應(yīng)的測(cè)試，現(xiàn)說明如下:</p><p>　　(l)標(biāo)準(zhǔn)的UA衛(wèi)JRS232串口通信</p><p>　　ADM202EARW為 Analog Device的串口通信控制器。其工作電源電壓為5

81、V，由于DSP外設(shè)模塊的工作電源為3.3V，需要電平轉(zhuǎn)換模塊LVC2T45DCT，將DSP的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為5V，經(jīng)過數(shù)字隔離芯片ADUM1201加載串口控制器ADM202EARW上，對(duì)于串口發(fā)送到DSP的數(shù)據(jù)，也要經(jīng)過數(shù)字芯片隔離和電平轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為3.3V后送往DSP的串口通信外設(shè)引腳(如圖3.6所示)，波特率最大可為115200bps。</p><p>　　圖3-6RS232串行通信接口的設(shè)計(jì)</p&

82、gt;<p>　　(2)USB串口通信</p><p>　　鑒于現(xiàn)在移動(dòng)電腦標(biāo)準(zhǔn)9針的串口越來越少，且本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸量很大，這就要求串口具備數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩?。為此本文改進(jìn)了傳統(tǒng)的串口通訊方案，采用了基于FTDI公司FT232R的串口USB通訊方案(如圖2.7所示)，與傳統(tǒng)RS232、485等比較，它具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　l)與DSP數(shù)據(jù)交換只需要兩

83、根線(RX、TX);</p><p>　　2)支持波特率為300到961200bps;</p><p>　　3)支持非標(biāo)準(zhǔn)的波特率傳輸數(shù)據(jù);</p><p>　　4)具有收發(fā)LED接口，可提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸顯示;</p><p>　　5)直接與DSP的TX與RX相連，省去了傳統(tǒng)串口RS232、RS484或RS422的電平轉(zhuǎn)換器件，VCCIO支持

84、3.3V或5V，免去了電源電平轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖3-7USB串行通信接口的設(shè)計(jì)</p><p>　　由上面分析可知，本文設(shè)計(jì)的串口USB通信方案不僅電路設(shè)計(jì)簡單，與PC接口連接方便，而且在串口通信的速率上，本方案在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)揮了傳統(tǒng)串口通信RS232無法比擬的最高通信速率961200bps，較RS485、RS422相比，其接口的簡單、方便非常明顯。因?yàn)樯鲜鰞煞N通信方案，在PC

85、端需要外接 RS485/422到RS232的轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在工業(yè)應(yīng)用中，非常不方便，增加后期的維護(hù)費(fèi)用。</p><p>　　3.6.2 CAN通信模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)的簡稱，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層協(xié)議。CAN總線可靠性遠(yuǎn)高于一般的通信總

86、線，具有強(qiáng)有力的檢錯(cuò)功能以及優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)靈活，維護(hù)方便，因而被稱為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。采用CAN總線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)模塊間的高速，多主，實(shí)時(shí)，抗干擾，高可靠的數(shù)據(jù)通信。它具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　(l)高速、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸速率:當(dāng)傳輸速率為1Mbit/s，其傳輸距離可達(dá)40m;當(dāng)傳輸距離為10Km時(shí)，傳輸速率仍可高達(dá)5Kbit/s。</p><p>　　(2)

87、極高的總線利用率:其報(bào)文的接收判斷，幀的組織、收發(fā)及校驗(yàn)等工作均由CAN控制器和收發(fā)器自動(dòng)完成，不需CPU介入，大大提高了數(shù)據(jù)的處理速率。</p><p>　　(3)多主：每個(gè)模塊均可主動(dòng)發(fā)起通信，任意兩個(gè)模塊之間可以直接通信(也就是說任一模塊都可在某一時(shí)間段內(nèi)成為主節(jié)點(diǎn))。實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。</p><p>　　(4)總線仲裁：由于幀結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，總

88、線仲裁是根據(jù)優(yōu)先級(jí)(ID號(hào)越小優(yōu)先級(jí)越高)自動(dòng)進(jìn)行的，該機(jī)制確保信息和時(shí)間均不會(huì)損失。</p><p>　　(5)實(shí)時(shí)：因單幀報(bào)文極短(實(shí)際報(bào)文的長度為8個(gè)字節(jié))，便于處理，因此其實(shí)時(shí)性很高，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，因其無競(jìng)爭(zhēng)不需重發(fā)，可節(jié)省大量總線沖突后的重發(fā)時(shí)間，也不會(huì)發(fā)生如以太網(wǎng)的因沖突后需重發(fā)而造成系統(tǒng)通信響應(yīng)時(shí)間隨網(wǎng)絡(luò)流量而大幅度變化，無法確定，影響實(shí)時(shí)性。</p><p>

89、　　(6)簡潔：僅需兩根線即可通信，甚至在模塊共地的情況下，僅存一根線時(shí)還能通信。</p><p>　　(7)高抗干擾：該技術(shù)采用抗干擾性能最好的差分工作方式，因此可以達(dá)到很強(qiáng)的抗干擾性。</p><p>　　(8)高可靠性：CAN是開始是為汽車內(nèi)部的通信而專門設(shè)計(jì)的，因此采用了大量的錯(cuò)誤檢測(cè)及處理措施，當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點(diǎn)及其

90、通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。</p><p>　　綜上所述，由于CAN總線傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)而且可靠性高、容錯(cuò)能力強(qiáng)等較多優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)利用此總線將數(shù)據(jù)傳送給ARM人機(jī)控制系統(tǒng)，為用戶提供實(shí)時(shí)電力系統(tǒng)三相電流電壓的諧波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)如圖3.8所示。</p><p>　　65HV251是德州儀器生產(chǎn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CAN轉(zhuǎn)換器，它能為CAN總線和CAN控制器之間提供高達(dá)1Mbps的差分信

91、號(hào)傳送速率。結(jié)合圖 3.6，CAN通信模塊與DSP交換數(shù)據(jù)仍然要通過數(shù)字隔離與電平轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖3-8 CAN通信接口的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.6.3 以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是在開發(fā)性能優(yōu)異的在線電能質(zhì)量檢測(cè)儀的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的在線監(jiān)測(cè)，采用實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)獲得系統(tǒng)電能質(zhì)量信息，提供給電力部門實(shí)

92、時(shí)、精確的數(shù)據(jù)信息。因此，經(jīng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)儀分析處理后的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)信息應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給中心檢測(cè)站，在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的統(tǒng)一管理。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要實(shí)現(xiàn)USB串口通信、CAN通信和以太網(wǎng)通信三部分功能。采用USB串口總線可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)本地?cái)?shù)據(jù)的傳輸，而CAN現(xiàn)場(chǎng)總線可以在距離較遠(yuǎn)、干擾較大的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)多個(gè)處理器之間的數(shù)據(jù)交換，利用以太網(wǎng)接口可以通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程點(diǎn)對(duì)

93、點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。目前，利用現(xiàn)有的Internet的豐富資源組建網(wǎng)絡(luò)分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是一種低成本、高可靠性的快捷方案。</p><p>　　由于RS232與CAN總線存在著傳輸速率低，距離較近，不能滿足在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求。而且大量變電站己經(jīng)接入本地局域網(wǎng)，通過局域網(wǎng)通信可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?shí)時(shí)性，為此，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)擴(kuò)展了以太網(wǎng)接口，以提高系統(tǒng)的靈活性。選用電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的以太網(wǎng)接口來組建以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)

94、現(xiàn)電能質(zhì)量的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和管理。</p><p>　　以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)可以采用兩種方式。</p><p>　　第一種方式是利用DSP驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)接口芯片組成以太網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)關(guān)。這種組合方式可以分為兩種情況：</p><p>　　(l)DSP直接驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)接口芯片(如UM9003、RTL8091等)；</p><p>　　(2)DSP驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)卡(如ISA

95、總線網(wǎng)卡RL8019AS、NOVEIL公司的NE2000網(wǎng)卡等)。</p><p>　　它們的實(shí)質(zhì)是一樣的，只不過DSP與以太網(wǎng)控制器接口方式不同罷了。采用這種方式靈活性很強(qiáng)、成本低，但是開發(fā)周期較長，需要程序員較好地掌握網(wǎng)絡(luò)接口和TCP/IP等相關(guān)的通信協(xié)議。</p><p>　　第二種方式是直接利用DSP驅(qū)動(dòng)硬件協(xié)議棧芯片，然后通過內(nèi)置Modem來連接Internet。這種方式采用硬件

96、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，大大降低了軟件編程的難度，但是這種方式仍然具有開發(fā)周期較長，成本較高的缺點(diǎn)。</p><p>　　目前關(guān)于嵌入式以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案大多基于單片機(jī)。而且可選的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器都是為個(gè)人計(jì)算機(jī)帶有ISA總線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。如Realtek公司的RTL8019、ASIX電子公司的AX88796、SMSC公司的LAN91C96以及 Cirrus Logie公司的CS89000A等。這些器件不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜

97、，體積龐大，封裝均超過80個(gè)引腳。本文以Realtek公司的RTL8019和Microchip公司最新推出的ENC624J600為例，就兩類芯片在電路設(shè)計(jì)上做了一下對(duì)比分析。</p><p>　　(l)以太網(wǎng)控制芯片RTL8019與F2812接口電路</p><p>　　RTL8019是由臺(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器，其性能優(yōu)良、價(jià)格低廉，在市場(chǎng)上10MbPs網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋?/p>

98、例。它主要性能有：</p><p>　　1)100腳的PQFP封裝，縮小了PCB的尺寸。</p><p>　　2)支持PnP自動(dòng)探測(cè)，符合 EthernetⅡ與IEEE802.3(l0Base5、10Base2、10BaseT)標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　3)內(nèi)嵌 16KB SRAM，具有全雙工通信接口，可以通過交換機(jī)在雙絞線上同時(shí)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，使帶寬從10MHz

99、增加到20MHz，是進(jìn)行以太網(wǎng)通信的理想器件。</p><p>　　4)支持8/16位數(shù)據(jù)總線、8個(gè)中斷申請(qǐng)線以及16個(gè)I/O基地址選擇。</p><p>　　5)支持UTP、AUI和BNC自動(dòng)檢測(cè)，還支持對(duì) 10BaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動(dòng)極性修正。</p><p>　　6)允許4個(gè)診斷LFD引腳可編程輸出。</p><p>　　為了簡化DSP

100、網(wǎng)絡(luò)接口的軟、硬件設(shè)計(jì)，不使用遠(yuǎn)處自舉加載功能，并且選用跳線接口模式。用2812的擴(kuò)展I/O代替跳線器對(duì)RTL8019進(jìn)行初始化配置。RTL8019的總線接口是與ISA總線兼容的，雖然不能與2812的外部總線直接相連，但是只要進(jìn)行簡單的邏輯變換就可以了，如圖3.9所示。</p><p>　　圖3-9 F2812與RTL801gAS的通信接口設(shè)計(jì)</p><p>　　RTL8019的20根地

101、址線主要是為了讀寫自舉ROM，對(duì)于IO端口尋址來說，只要16根地址線就夠了，因此將DSP的地址總線XAO~XA15與 RTL8019AS的地址總線SAO~AS15相連，而SA16~AS19全部接地。由于2812只有一個(gè)R/W輸入輸出端口，而RTL8019AS讀寫端口是分開的，因此加上雙2-4線的譯碼器74AHCT139，通過它完成片選和對(duì)RTL8019AS的讀寫控制。74LVT16245是具有三態(tài)的、輸出為16位的收發(fā)器，它內(nèi)部有緩存，

102、起到緩沖和保護(hù)的作用。</p><p>　　讀寫控制2812的IO口控制信號(hào)IS、IOSTRB、R\W等經(jīng)過74AHC139譯碼后與RTL8019AS的IORB、IOWB連接。由于2812的IO口讀寫數(shù)據(jù)很快，因此將RTL8019AS的IOCHRDY信號(hào)與2812的外設(shè)準(zhǔn)備信號(hào)READY相連。另外，SMEMR和SMEMW引腳接高電平，屏蔽了遠(yuǎn)程自舉加載功能。用2812的一個(gè)擴(kuò)展輸出口代替跳線器來指定RTL8019

103、AS的IO口基地址、中斷輸出口和介質(zhì)類型，并用一個(gè)輸出信號(hào)作為 RTL8019AS的復(fù)位信號(hào)。RTL8019AS復(fù)位結(jié)束時(shí)，采樣這些配置引腳，并根據(jù)引腳狀態(tài)初始化其內(nèi)部的配置寄存器。</p><p>　　(2)以太網(wǎng)控制芯片ENC624J600與F2812的接口原理</p><p>　　針對(duì)目前市場(chǎng)上多到數(shù)以太網(wǎng)控制器是基于計(jì)算機(jī)帶ISA總線而機(jī)開發(fā)的， Microchip公司最新推出了帶

104、有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface， SPI)或柔性并行接口的、可用作任何配備有SPI或標(biāo)準(zhǔn)并行端口的單片機(jī)或DSP的快速以太網(wǎng)控制器ENC624J600。</p><p>　　通過SPI或并行接口與單片機(jī)通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為14Mbit/s(對(duì)于SPI)至160Mbit/s(對(duì)于16位解復(fù)用并行接口)。提供了專用于LED連接、活動(dòng)指示以及發(fā)送/接收心MA中斷的引腳。它

105、具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　l)符合IEEE802.3TM的快速以太網(wǎng)控制器；</p><p>　　2)可編程填充和CRC生成；</p><p>　　3)硬件安全加速引擎；</p><p>　　4)支持半雙工和全雙工工作模式；</p><p>　　5)持一個(gè)帶自動(dòng)極性檢測(cè)和校正的10/100Base-T端口、支

106、持自動(dòng)協(xié)商；</p><p>　　6)24KB的發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包緩沖SRAM；</p><p>　　7)工廠預(yù)編程的唯一MAC地址。</p><p>　　在與CPU的連接方式上，ENC624J600作為新型的嵌入式以太網(wǎng)芯片，可用于任何配備有SPI或標(biāo)準(zhǔn)并行端口的微處理器上，因此，與主CPU靈活的接口，使得ENC624J600在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中非常方便。</

107、p><p><b>　　l)SPI方式</b></p><p>　　只需這四個(gè)引腳CS、SI、SO和SCK就可以使用SPI接口，如圖3.11所示。</p><p>　　圖3-11F2812與ENC624J6D的SPI接口設(shè)計(jì)</p><p>　　這些引腳都可承受5V的電壓。SO引腳處于高阻態(tài)時(shí)也可承受5V的電壓。當(dāng)CS連接至

108、邏輯高電平(即未選擇芯片)時(shí)，SO始終為高阻態(tài)。</p><p>　　當(dāng)使能SPI接口時(shí)，所有PSP接口引腳(ENC624J600器件上的PSPCFG2和PSPCFG3除外)都未被使用。它們都處于高阻態(tài)且禁止其輸入緩沖器。要確保最佳的ESD性能，可將未使用的PSP引腳連接至VSS或VDD。但是，如果由于電路板級(jí)別布局和布線的需要，則可以將這些引腳保持為懸空狀態(tài)。</p><p>　　如果E

109、NC624J600器件工作在SPI模式下，建議將PSPCFG2和PSPCFG3引腳連接至VSS或任何邏輯高電壓，不要懸空。使用的具體狀態(tài)并不重要。</p><p><b>　　2)PSP方式</b></p><p>　　根據(jù)特定器件的需要，PSP接口可以通過最多34個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)。該接口是高度可配置接口，以適應(yīng)多種不同的并行接口;不是每種配置都要用到所有可用的引腳。最多有