基于DSP与ARM的电能质量监测装置的研制 张宏磊，肖 鑫，吴建梅，贾清泉 (燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛 066004)  
摘  要：为了满足目前电能质量监测存在的算法复杂性和数据处理实时性要求，本文提出了一种双CPU架构的新型电能质量监测装置设计方案，并阐述了主要功能模块的硬件设计和软件设计。该方案充分发挥了ARM的控制能力和DSP的运算能力，使装置功能分工更加明确，效率更高，具有很好的实用价值。 关键词：电能质量监测；DSP；ARM；人机界面 0 引言 近年来，一方面随着大量非线性、冲击性和不对称负载越来越多地投运到电网系统中，使得公用电网中产生了大量的谐波干扰，且电压波动和三相不平衡等问题也愈加严重，电能质量不断恶化。另一方面用户对供电可靠性的要求越来越高,众多基于微处理器、 计算机的精密电子与电力电子设备,很容易受到电能质量扰动的影响。针对目前我国电网运行的现状,实时而准确地监测当前电网的电能质量对于综合治理和改善电能质量有着重要的意义[2]。 国际上电测量理论和监测仪器仪表技术大致经历了三个阶段：第一阶段，电测量技术主要是对模拟量进行测量；第二阶段，20世纪50年代以来，随着数字电子技术和微电子技术的的发展，电测量技术和仪表技术逐步向数字化方向发展，早期的模拟式电测仪表逐渐被数字式仪表代替；第三阶段，即20世纪80年代以来，大规模集成电路技术一方面使得控制芯片运算能力大大增强，另一方面使得芯片体积大幅缩小，可以方便地植入仪器内部，从而使仪器具有判断、控制、存储、运算甚至更高的智能化特性。本文提出了一种基于DSP与ARM双CPU架构的设计方案，该设计采用主从式并行处理系统，把人机交互和数据通讯功能集中在ARM子系统中，由ARM完成一切外设的控制；而DSP芯片主要完成对输入信号的捕捉、采集、转换、运算, 然后将处理后的电能质量参数传输给ARM；再由 ARM通过以太网将数据传输到网络，实现了远程控制与监测。 1 监测装置的硬件设计 本文设计的电能质量监测装置分别选取TI公司的定点型DSP TMS320F2812和SAMSUNG公司的ARM9 S3C2440为双内核，充分发挥DSP的运算能力和ARM的控制能力。该装置主要由信号调理电路、AD采集、DSP和ARM内核、液晶显示、键盘、CAN总线等模块组成。硬件组成框图如图1所示。 图1 监测装置硬件结构框图 1.1 信号调理和滤波电路 在模拟信号接入AD模块之前，需要将信号通过电压、电流互感器调理到DSP片内AD允许的输入范围之内(0.0V~3.0V)，同时为了防止信号的干扰和混叠，必须对变换后的信号进行滤波处理，将高次谐波滤除掉。本装置设定对被测信号每周波采样256点，即采样频率为12.8ksps。为了精确测出50次谐波，要将2.5kHz以上的成分滤除掉，考虑到误差的因素，设计的二阶低通滤波器截至频率选取为3kHz。图2为信号调理滤波电路图。 图2 信号调理滤波电路图 1.2 A/D转换 本装置采用了TMS320F2812片内的12位A/D转换器，其前端有2个8选1多路切换器和2路同时采样保持器，构成16路输入通道[3]。ADC模块功能见图3，模拟输入电压范围0.0V~3.0V，具有快速的转换时间，ADC在25MHz时钟下的转换时间是80ns，最高采样宽带为12.5MS/s；本装置采用16通道级联模式、顺序采样，由于顺序采样间隔时间很短，造成的误差非常小。三相电压、电流的顺序采样近似认为同步采样；16路结果寄存器存放ADC转换结果，数字量和模拟量转换公式为： 其中：ADCL0为偏移量，一般为0。 图3 ADC模块功能图 1.3 DSP与ARM的通信 本装置不仅需要具备实时性的测量、分析功能，还需要具备非实时性的人机界面、数据管理、打印等功能，因此DSP与ARM之间高效、稳定的数据传输便成为至关重要的环节。本装置CPU之间采用SPI总线的传输方案，SPI(Serial Parallel Interface)总线是Motorola公司提出的一种同步串行外设接口协议总线，它具有占用接口线少，传输效率高等优势。SPI通信接口如图4所示。 图4 DSP与ARM通信接口图 一般情况下，实现SPI接口需要4根连接线，SPI是一个同步协议接口，所有的传输都参照一个共同的时钟CLOCK，这个同步时钟信号由主机产生，从机使用时钟来对串行数据的接收进行同步化。根据实际需求，本装置在SPI通信时主要有三种格式的数据，分别是命令帧、信息帧、数据帧。其中命令帧是主机发出，用于指示从机完成相应的控制功能。信息帧是由从机发出，作用是从机执行控制功能后，将相关状态信息反馈给主机。数据帧则既可以由主机也可以从机发出，用于主机和从机进行必要的数据传输[4]。 2 监测装置的软件设计 本系统工作流程为，三相电压电流信号分别由互感器和变换器变换，经调理滤波电路前端处理，再进行模数转换，然后DSP读取转换结果并进行相应的数据运算。ARM系统接收来自DSP的相关数据，进行数据存储并通过CAN通信上传到上位机，通过人机界面在本地实时显示。本装置的软件设计主要分为两部分—DSP单元和ARM单元。DSP单元进行数据采集，并对采集的数据进行分析计算；ARM单元完成数据显示、参数设置和与上位机的通信。 2.1 DSP的程序设计 TMS320F2812程序开发工具是Code Composer Studio(CCS)集成开发环境，采用了C和汇编语言混合编程。DSP单元的主程序流程分为初始化、数据采集和数据处理3部分，主程序流程图如图5所示。初始化主要设定各种标志位和相应状态寄存器，DSP单元进行数据采集时，由EVA计数器触发A/D转换，A/D转换完成后产生中断信号。在中断函数中存储转换后的数字量，数据处理程序部分在采样间隔期间执行。数据运算是对采集单元得到的256个离散信号进行处理，完成对采样数据的傅里叶运算，其中包括基本参数计算、电能质量参数计算。 2.2IQmath定标 由于本装置选取的DSP芯片TMS320F2812为定点型CPU，其无法对浮点型数据进行运算，所以在DSP程序中必须引入IQmath库。德州仪器公司的TMS320C28X系列的IQmath库为C/C++程序员收集了高度优化和准确的数学函数并精确地在TMS320C28X芯片上将浮点算法转换成定点算法的运算代码，这些函数被经常用在密集的实时计算且运行速度和精度又是至关重要的程序里。使用这些函数能拥有比使用同等标准的ANSIC语言编写的代码更快的运行速度。此外使用高精密功能的IQmath库能明显缩短DSP开发时间[5]。 图5 DSP主程序流程图 2.3 ARM人机界面的设计 本装置以嵌入式系统人机界面为研究对象，选取ARM9系列嵌入式处理器作为硬件平台核心，以嵌入式Linux操作系统为软件平台，使用Qt/E软件为开发工具，采用软硬件协同设计的方法，实现了嵌入式人机界面的开发。Qt designer是用来设计和实现用户界面并能够在多平台下使用的一种工具。Qtdesigner作为Linux系统下最好的图形开发工具，Qt有很多美观大方的控件来方便我们布局，实现所需要的功能[6]。 如图6所示，该界面为开机主界面。 图6开机主界面图   如图7所示，该界面主要是对基波参量的实时显示。 图7 基波电量参数界面图 如图8所示，该界面为电能质量标准参数实时显示界面。 图8 标准参数实时显示界面图 如图9所示，该界面为越限事件参数实时显示界面。 图9越限事件参数实时显示界面图 3 测试结果分析 为验证实验装置的精度，通过F2812的JTAG仿真接口，利用CCS软件开发平台进行谐波测试。假设AD采样无误差，软件模拟生成AD采样数据结果，并把数据作为常量存于F2812的内存中，由装置进行FFT运算，并进行误差分析。图9为信号时域波形图，设定电压输出信号为： 图9 信号时域波形图 表1列出了输入信号1~19次谐波的实际幅值、测量值、误差分析结果。从以上数据可以看出，通过对采集的信号进行FFT运算，可以准确检测各次谐波，误差也得到了很好的控制，满足设计要求。 表1 谐波分析结果 谐波次数 实际幅值(V) 测量值(V) 误差(%) 基波 311 311.205 0.066 3次谐波 20 20.143 0.715 5次谐波 18 17.979 0.117 7次谐波 16 16.088 0.550 9次谐波 14 13.984 0.114 11次谐波 12 12.032 0.267 13次谐波 10 9.965 0.350 15次谐波 5 5.034 0.680 17次谐波 3 2.985 0.500 19次谐波 1 1.006 0.600 4 结束语 本文设计了一种基于DSP与ARM的电能质量监测装置。该装置采用了先进合理的上、下位机硬件架构，嵌入式Linux操作系统以及智能化的人机界面。通过FFT算法计算和分析被测信号的0~50次谐波成分，仿真实验证明了FFT算法不但精度能够满足要求，而且计算速度快，能够保证装置在线监测的实时性。本设计具有一定的实用价值和良好的应用前景。   参考文献 [1]      肖湘宁,韩民晓,徐永海等.电能质量分析与控制[M].中国电力出版社,2004. [2]      刘伟明,陈建元.嵌入式电能质量监测装置的设计和实现[J].电子测量技术, 2008,31(11). [3]      苏奎峰等.TMS320F2812[M].电子工业出版社,2005. [4]      张岩,马旭东,张云帆.ARM与DSP的SPI通信设计实现[J].工业控制计算机, 2008,21(9) [5]      Texas Instruments. IQmath Library[M]. June 2002 [6]      蔡志明,卢传福,李立夏等.精通QT4编程[M].电子工业出版社,2008. [7]      冯沛儒,江道灼,苏弘宇.电能质量监测仪人机交互界面设计[J].浙江理工大学学报, 2007,24(1).   作者简介： 贾清泉(1970-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统故障检测与信号处理、电能质量检测与控制、分布式电源与微电网等。Email：jiaqingquan@sina.com。 张宏磊(1986-)，男，河北唐山人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电力系统故障检测与信号处理。Email：zhanghonglei1986616@yahoo.com.cn。 肖　鑫(1984-)，男，河北张家口人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电能质量算法的研究。Email： xxd_kayx202@163.com。 吴建梅(1988-)，女，重庆人，汉族，硕士研究生，主要研究方向为电能质量人机界面的研究。Email：351339482 @qq.com。