三峽電力職業(yè)學(xué)院 徐金雄

基于DSP的電能質(zhì)量檢測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)方法

三峽電力職業(yè)學(xué)院 徐金雄

為有效地測(cè)量電能質(zhì)量，提出一種基于DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的電能質(zhì)量在線檢測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)方法。該方法以芯片TMS320VC33為硬件基礎(chǔ)，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)理念，使得新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，實(shí)時(shí)性好。

電能質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)；DSP；FFT算法

1.引言

微電子技術(shù)的發(fā)展使得各種電氣自動(dòng)裝置廣泛應(yīng)用，極大的提高了社會(huì)生產(chǎn)力，而這些裝置對(duì)于系統(tǒng)中電能質(zhì)量的下降極為敏感，因此在生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中出現(xiàn)許多嚴(yán)重事故，造成許多巨大的損失?，F(xiàn)在如何提高電能質(zhì)量，確保用電設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行，已成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)之一。本文概述了電能質(zhì)量問題的背景，較為全面的論述了電能質(zhì)量問題的現(xiàn)象。重點(diǎn)放在了電能質(zhì)量的測(cè)量上，從有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)入手，分析了基于DSP新型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)。

2.軟件開發(fā)流程與設(shè)計(jì)原則

2.1 軟件開發(fā)流程

DSP的開發(fā)工具包括代碼產(chǎn)生工具和代碼調(diào)試工具。代碼產(chǎn)生工具對(duì)用戶開發(fā)的高級(jí)語言或匯編語言源代碼進(jìn)行編譯，生成可以在目標(biāo)DSP上運(yùn)行的可執(zhí)行代碼。代碼調(diào)試工具根據(jù)調(diào)試者的命令觀察DSP的狀態(tài)，控制DSP代碼的執(zhí)行，進(jìn)行結(jié)果顯示，對(duì)用戶的代碼進(jìn)行調(diào)試或性能測(cè)試。

TMS320C3X/C4X的C編譯器是一個(gè)功能齊全的優(yōu)化的編譯器。它的主要功能是把標(biāo)準(zhǔn)的ANSIC語言程序轉(zhuǎn)換成TMS320C3X/C4X能夠識(shí)別執(zhí)行的匯編語言代碼。采用優(yōu)化編譯可以生成高效率的匯編代碼，從而提高程序的運(yùn)行速度，減少目標(biāo)代碼的長(zhǎng)度，TMS320VC33軟件開發(fā)過程如圖1所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)原則

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，針對(duì)本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、分析計(jì)算，并做到在線監(jiān)測(cè)的目的，在軟件設(shè)計(jì)上有以下原則：

實(shí)時(shí)性：電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析計(jì)算，既要不間斷的采集數(shù)據(jù)，還要在運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)同步計(jì)算。

快速性：在硬件上要求采樣和計(jì)算芯片的高速性，軟件上要求算法的高效率，從而可以在每64點(diǎn)采樣間隔的時(shí)間內(nèi)完成各個(gè)電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以能實(shí)現(xiàn)計(jì)算和采樣的同步性。

可擴(kuò)展性：對(duì)于軟件系統(tǒng)來說，CCS的函數(shù)庫十分完善，軟件系統(tǒng)可通過對(duì)DSP程序的更新來達(dá)到算法的升級(jí)，例如在將來系統(tǒng)中可以引入小波變換的算法等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)電能質(zhì)量的分析。

高效性：在設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的軟件時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，利于功能的調(diào)整，使程序簡(jiǎn)潔明了。

3.系統(tǒng)流程圖介紹

3.1 DSP主程序流程圖

DSP主程序框圖如圖2所示。開機(jī)后DSP進(jìn)入引導(dǎo)程序開始系統(tǒng)初始化。首先，為了使串口能夠配合ADS8364開始工作，要對(duì)其與DSP的串口進(jìn)行設(shè)置。ADS83b4與DSP采用硬件相連，ADS8364的時(shí)鐘信號(hào)CLK也由DSP控制產(chǎn)生。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，ADS8364的/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC管腳直接由鎖相倍頻電路的輸出和DSP外部標(biāo)記管腳XF共同控制。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，ADS8364向DSP的/INTl管腳輸入低電平申請(qǐng)中斷，系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，將采樣數(shù)據(jù)輸入DSP芯片，DSP在接收采樣數(shù)據(jù)結(jié)束后，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算和各種電能質(zhì)量指標(biāo)分析，在分析出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.2 數(shù)據(jù)采集流程圖

數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖3所示。系統(tǒng)運(yùn)行后，ADS8364的數(shù)據(jù)輸出方式被確定為16位循環(huán)方式，其采樣頻率和過程由鎖相倍頻電路和DSP芯片共同控制。CD4046和CD4040組成鎖相倍頻電路，其中的CD4046對(duì)所要檢測(cè)的交流信號(hào)進(jìn)行鎖相，然后進(jìn)行128倍頻，如果系統(tǒng)設(shè)置為64次/周期采樣速率，則用分頻器CD4040對(duì)此信號(hào)進(jìn)行2分頻后與DSP芯片共同控制ADS8364的/HOLDA，/HOLDB，/HOLDC管腳，這樣就可以保證每周期均勻采樣64點(diǎn)，避免了頻譜的泄漏。ADS8364的/EOC信號(hào)連接到DSP的中斷引腳/INT1上，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，引腳/EOC變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)/INT1中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，由DSP控制ADS8364的/RD和/CS管腳，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀操作。在讀取數(shù)據(jù)完6組數(shù)據(jù)后，由DSP的外部標(biāo)記管腳XF向ADS8364發(fā)出復(fù)位信號(hào)，并關(guān)閉中斷。至此，數(shù)據(jù)采集結(jié)束。

圖1 TMS320VC33軟件開發(fā)過程

圖2 主程序流程圖

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

圖5 FFT數(shù)據(jù)倒位序流程圖

圖6 按時(shí)間抽選的基-2FFI算法流程

3.3 數(shù)據(jù)處理流程圖

數(shù)據(jù)處理部分主要對(duì)數(shù)據(jù)采集部分所得到的離散信號(hào)進(jìn)行處理，運(yùn)用各種算法實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量指標(biāo)以及其它電氣量的計(jì)算與分析。即進(jìn)行時(shí)域的電壓擾動(dòng)、頻率偏差、三相不平衡度，以及功率、電流等計(jì)算；而離散化信號(hào)經(jīng)過FFT運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)其頻域內(nèi)的基波和各次諧波分量的數(shù)值計(jì)算。

采樣數(shù)據(jù)處理如圖4所示。時(shí)域的離散值計(jì)算主要實(shí)現(xiàn)三相電壓、電流的有效值計(jì)算，即對(duì)64點(diǎn)采樣值進(jìn)行均方根值計(jì)算。對(duì)于計(jì)算能力很強(qiáng)的DSP來講，其占用的處理時(shí)間很短，很容易實(shí)現(xiàn)。

在頻域的計(jì)算中，主要是進(jìn)行FFT運(yùn)算，該算法與傳統(tǒng)的DFT算法比較起來，大大減少了運(yùn)算的次數(shù)，并可以由DSP完成。FFT算法有按時(shí)間抽選的基-2FFT算法(DIT)和按頻率抽選的基-2FFT算法(DFT)，在此采用按時(shí)間抽選的基-2FFT算法(DIT)來計(jì)算，并使其輸入為倒位序、輸出為自然順序。這樣FFT程序包括變址(倒位序)和L級(jí)遞推計(jì)算( N = 2L，L為正整數(shù))兩大部分。

FFT變址(倒位序)流程圖如圖5所示。由圖5可知，在進(jìn)行倒位序變址處理時(shí)，設(shè)A(I)表示存放原自然順序輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存單元，A(J)表示存放倒位序數(shù)的內(nèi)存單元，I，J=0.，1，2，…，N-1(N=64)。按倒位序規(guī)律，當(dāng)I=J時(shí)，不用變址；當(dāng)IJ時(shí)，就不需要變址，否則變址兩次等于不變址。

在實(shí)現(xiàn)倒位序轉(zhuǎn)換后，按時(shí)間抽選的基-2FFT算法流程圖如圖6所示。從圖中可知，F(xiàn)FT整個(gè)L級(jí)遞推過程由三個(gè)嵌套循環(huán)構(gòu)成。外層的一個(gè)循環(huán)控制L( L = l og2N= l og64 = 6)級(jí)的順序運(yùn)算；內(nèi)層的兩個(gè)循環(huán)控制同一級(jí)(M相同)各碟形的運(yùn)算，其中最內(nèi)一層循環(huán)控制同一種(即 Wr中的r相同)碟形運(yùn)算，而中間一層

N循環(huán)控制不同種碟形結(jié)的運(yùn)算。I，IP是一個(gè)碟形結(jié)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)。

針對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特殊要求，采用以上軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合系統(tǒng)的硬件連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)時(shí)采集和分析。并通過判據(jù)整定，記錄超差數(shù)值，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況的改善提供科學(xué)依據(jù)。由于DSP的軟件編程有其本身的特點(diǎn)，在算法實(shí)現(xiàn)的過程中還注意了以下幾點(diǎn)：仔細(xì)研究DSP器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)并靈活使用其指令系統(tǒng)，充分發(fā)揮了芯片的性能；盡可能使用并行指令、寄存器，用內(nèi)部存儲(chǔ)器代替外部存儲(chǔ)器；應(yīng)用單指令和塊重復(fù)結(jié)構(gòu)，避免循環(huán)花費(fèi)附加的時(shí)間；計(jì)算時(shí)盡量避免指令系統(tǒng)本身沒有提供的運(yùn)算，在必須進(jìn)行迭代運(yùn)算時(shí)，注意迭代次數(shù)與計(jì)算精度的關(guān)系。

4.結(jié)論

本文在分析了電能質(zhì)量的基本理論后，通過具體了解國內(nèi)外現(xiàn)有監(jiān)測(cè)儀器的結(jié)構(gòu)、性能，選用了具有計(jì)算處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)的DSP芯片，確定了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施解決方案，重點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)系統(tǒng)所要完成的功能，進(jìn)行了主程序及實(shí)現(xiàn)各部分功能的子程序設(shè)計(jì)。首先考慮系統(tǒng)程序應(yīng)該作到功能完善，盡量簡(jiǎn)潔，以減少運(yùn)行時(shí)間。其次為了既能實(shí)時(shí)采樣，還能實(shí)時(shí)分析，應(yīng)用了中斷技術(shù)，盡量減少DSP主程序運(yùn)行的時(shí)間開銷。

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徐金雄（1984—），湖北黃梅人，三峽電力職業(yè)學(xué)院助理講師，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。