交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺的軟件設(shè)計

殷 巧，肖繼學(xué)，童 俊，程 志，廖 旋，張漢中，吳瑞竹

（西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，四川 成都 610039）

0 引 言

隨著智慧城市、智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，人們對電力的要求逐漸提高，對電力質(zhì)量的監(jiān)控力度不斷加大，對電力智能傳感器的需求日益迫切。對于交流電力智能傳感器，基于性價比最優(yōu)的原則，人們利用數(shù)字仿真方法在PC系統(tǒng)上對其粗信號處理方法進(jìn)行了卓有成效的前期研究工作[1-11]。

為進(jìn)一步深入研究，人們開始著手交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺的研制，并初步完成平臺硬件設(shè)計[12-13]。該實驗平臺由基于C51單片機MCU（若無特別說明，本文之后的MCU均指C51單片機MCU）的現(xiàn)場測試系統(tǒng)和PC系統(tǒng)構(gòu)成。探頭感知交流電力的電壓、電流，感知出來的信號通過調(diào)理電路的濾波、放大后經(jīng)A/D接口電路進(jìn)入MCU系統(tǒng)，MCU進(jìn)行粗信號處理獲得交流電力的幅值、初相位等特征參數(shù)。MCU系統(tǒng)的狀態(tài)與分析結(jié)果一方面可通過現(xiàn)場LCD顯示出來，另一方面根據(jù)需求經(jīng)過串口傳送給PC系統(tǒng)。

與硬件相對應(yīng)，該平臺的軟件分為MCU系統(tǒng)軟件和PC系統(tǒng)軟件兩個部分。由于PC系統(tǒng)軟件經(jīng)過前期開發(fā)已比較完善[13-15]，本論文的軟件設(shè)計將集中在MCU系統(tǒng)上。

1 軟件設(shè)計方案

C51單片機MCU的軟件開發(fā)可基于匯編語言，也可基于C語言。前者實現(xiàn)靈活、高效且可靠性高，但對設(shè)計者在MCU的結(jié)構(gòu)、資源分布以及系統(tǒng)硬件等方面有較高要求，設(shè)計比較困難，開發(fā)周期較長；后者易于理解，對設(shè)計者的硬件要求相對不高，易于利用現(xiàn)有的功能模塊，開發(fā)周期短，但效率與可靠性相對不高。由于本實驗平臺僅僅進(jìn)行交流電力智能傳感器的粗信號處理，鑒于開發(fā)周期等因素，本文將基于C語言，在集成開發(fā)環(huán)境Keil中開發(fā)MCU部分的軟件。

圖1為MCU部分主程序的流程框圖。MCU系統(tǒng)軟件運行后，首先初始化系統(tǒng)參數(shù)及各設(shè)備的狀態(tài)，如A/D、LCD、串口和存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等，然后打開串口。接著通過A/D模塊采集電力信號并進(jìn)行預(yù)處理，獲得其周期、頻率等信息；經(jīng)過粗信號處理，分析出電力電壓、電流幅值、初相位或者相位差等特征參數(shù)；這些結(jié)果保存起來，并通過LCD現(xiàn)場顯示。如果PC系統(tǒng)有查詢要求，則MCU系統(tǒng)通過響應(yīng)串行中斷將這些結(jié)果或系統(tǒng)狀態(tài)“告訴”給PC系統(tǒng)（圖2未表示出MCU系統(tǒng)的串口中斷響應(yīng)）。MCU系統(tǒng)通過一個按鍵來判斷是否結(jié)束信號處理，如果按下該鍵，則關(guān)閉串口，結(jié)束主程序；否則，轉(zhuǎn)向信號采集，進(jìn)行信號預(yù)處理、粗信號處理等，一直循環(huán)工作。

由此可見，MCU系統(tǒng)的軟件主要包括系統(tǒng)狀態(tài)及參數(shù)初始化、信號采集、信號預(yù)處理、鍵盤處理、LCD顯示、粗信號處理、結(jié)果保存、串口通信等功能模塊。交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺的主要功能為檢驗各種粗信號處理方法在基于MCU的交流電力智能傳感器中的實時性與精度。故本文主要設(shè)計信號預(yù)處理、粗信號處理兩個核心功能模塊。系統(tǒng)狀態(tài)及參數(shù)初始化、信號采集、鍵盤處理、LCD顯示、結(jié)果保存、串口通信等功能模塊利用常規(guī)方法即可實現(xiàn)[13，16]。由于交流電力的電流信號分析方法與其電壓信號分析方法類似，將以電壓信號為例探討MCU系統(tǒng)信號預(yù)處理、粗信號處理這兩個關(guān)鍵功能模塊的軟件設(shè)計。

圖1 主程序流程框圖

圖2 信號預(yù)處理流程圖

2 信號預(yù)處理模塊

工程上，交流電力的電壓信號可描述為

式中：u（t）——電力在t時刻的電壓大?。?/p>

Um、f、θ0、U0——表示電力電壓的幅值、頻率、初相位、偏移量。

由此可見，Um、f、θ0、U0為交流電力電壓的特征參數(shù)。有了這些特征參數(shù)以及類似的電力電流特征參數(shù)，就可以確定該電力如功率因數(shù)、有功功率、無功功率等性能指標(biāo)。

設(shè)電力電壓信號的采樣周期為Ts，第i個采樣值記為us（i），i=1，2，3，…，N（N為樣本總數(shù)）。通過這些樣本的預(yù)處理，分析出了f、U0以及電壓的初始幅值Um0。研究式（1）發(fā)現(xiàn)，在一個周期內(nèi)，如果起始電壓等于其極值，則該大小的電壓共出現(xiàn)兩次（包括起始處），否則，與起始電壓相等的電壓共有3個（包括起始處），相鄰兩處電壓的變化趨勢相反。例如，起始處附近電壓遞增，則與起始電壓相等的第一處附近電壓遞減，第二處電壓遞增。基于這一規(guī)律，利用us（i）就確定了尋找電力電壓周期的有效方法。其基本思路為：如果us（1）等于極值，則尋找與us（1）相等（或在一定精度范圍內(nèi)最接近）的us（Np）。否則，尋找與us（1）相等（或在一定精度范圍內(nèi)最接近）的us（Nm）、us（Np），Np為交流電壓一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。從而可得電壓周期Tp=NpTs，頻率f=1/Tp。分析式（1）可知，U0等于u（t）在一個周期內(nèi)的平均值。因此，可通過連續(xù)Np個采樣信號us（i）計算出U0。設(shè)u（t）的極值表示為 Umax，則由式（1）知，Um=Umax-U0。由此，利用Umax分析出了電壓的初始幅值Um0。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出了流程如圖2所示的信號預(yù)處理軟件模塊。為了降低工程上各種干擾的影響，以連續(xù)3個周期f、U0、Um0的平均值作為其計算分析結(jié)果。顯然，Np越大，即Ts越短，分析出的這些結(jié)果其精度就越高。

3 粗信號處理模塊

至于交流電力電壓的特征參數(shù)Um、θ0，由于噪聲干擾等因素，直接根據(jù)式（1）以及傳統(tǒng)方法比較精確地計算出來比較困難。據(jù)相關(guān)研究成果[1-11]，交流電力智能傳感器的粗信號處理可分為傳統(tǒng)定義法、相關(guān)法和最小均方法（least mean square，LMS）3種方法。設(shè)在一個周期內(nèi)即從Np個連續(xù)樣本中均勻地抽取NA個樣本進(jìn)行分析，對于傳統(tǒng)定義法，有

設(shè)up（i）=sin（2πfiTs），對于相關(guān)法、LMS法，則可分別通過式（4）與式（5）、式（6）與式（7）獲得交流電力電壓的 Um、θ0。

上述計算中，NA越大（NA不大于 Np），分析精度越高。選擇低成本的單片機作為交流電力智能傳感器的MCU可利于該智能傳感器的推廣、應(yīng)用，這也是構(gòu)建圖1所示交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺的初衷。PC系統(tǒng)上的數(shù)字仿真已經(jīng)驗證了這3種方法的性能[1-12]。由式（2）～式（7）知，利用這 3 種方法計算出Um、θ0主要涉及小數(shù)的加法、乘法、除法運算。在Keil中有單精度、雙精度浮點型兩種小數(shù)表示方法。利用這些表示方法進(jìn)行分析，這3種方法的精度與PC系統(tǒng)上數(shù)字仿真的結(jié)果一致。雖然其精度較高，但每個單精度、雙精度浮點型小數(shù)變量分別占4、8個字節(jié)，消耗的系統(tǒng)內(nèi)存空間資源較大，需要較大的運算量。一方面，智能傳感器除了進(jìn)行粗信號處理外，還要進(jìn)行通信、自診斷、自校正等，故單片機內(nèi)存資源相對比較緊缺；另一方面，目前的單片機晶振頻率通常沒有PC的高，大量的4、8個字節(jié)的單精度、雙精度浮點型小數(shù)運算會讓這3種方法的實時性變差。因而，放棄了Keil中現(xiàn)有的小數(shù)表示法。為了理解，也便于分析、比較這3種方法的計算精度與實時性，實現(xiàn)上述3種粗信號處理方法時分別采用了8位、16位即1、2個字節(jié)字寬的小數(shù)部分表示法對小數(shù)進(jìn)行處理。

當(dāng)采用8位字寬處理小數(shù)時，把操作數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分拆開，為便于保持操作數(shù)的符號，將其整數(shù)放置于char類型變量中，小數(shù)放在uchar類型變量中，即整數(shù)部分、小數(shù)部分分別用一個字節(jié)表示，共用了兩個字節(jié)表示一個小數(shù)。uchar變量的最高位至最低位的權(quán)分別為 2-1，2-2，2-3，…，2-8?；诔朔ǚ峙渎?，實現(xiàn)了兩位小數(shù)的乘法運算，其流程如圖3所示。圖中，拆分操作數(shù)指將兩個操作數(shù)（乘數(shù)、被乘數(shù)）的整數(shù)部分與小數(shù)部分分開。積的符號運算基本思想為：當(dāng)兩個操作數(shù)的符號一致時，積的符號為正，否則為負(fù)。運算結(jié)果的整數(shù)部分與小數(shù)部分分開存放。軟件開發(fā)中，將這些集成為一個功能模塊，當(dāng)需要兩個小數(shù)相乘時，就調(diào)用該功能模塊予以實現(xiàn)。式（2）～式（7）所示3種方法均需計算多個小數(shù)的和，因此，開發(fā)了多個小數(shù)的累加子程序，其流程如圖4所示。首先，將需要累加的小數(shù)分為正小數(shù)、負(fù)小數(shù)兩類。接著分別累加這兩類小數(shù)，其符號不變，只關(guān)心累加和的大小。在累加過程中將整數(shù)、小數(shù)部份分別進(jìn)行累加，小數(shù)部分每進(jìn)位一次，進(jìn)位標(biāo)志位CY=1，此時整數(shù)部分的值就加1。整數(shù)部分在累加過程中可能發(fā)生溢出，溢出標(biāo)志位OV=1，于是需要再分配一個8位的空間進(jìn)行存放，每當(dāng)發(fā)生溢出的時候此空間的數(shù)據(jù)增1。然后，將正、負(fù)兩類小數(shù)的累加和帶符號相加，獲得多個小數(shù)的最終累加和。

當(dāng)采用16位字寬處理小數(shù)時，其基本思路與上述一樣，不同的在于整數(shù)、小數(shù)部分分別放在int、uint類型的變量中。

圖3 兩位小數(shù)的乘法流程

圖4 小數(shù)累加流程

在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出了實現(xiàn)上述3種粗信號處理方法的系統(tǒng)軟件模塊，其流程如圖5所示。由式（2）～式（7）知，經(jīng)過信號預(yù)處理獲得的 f、U0、Um0，其精度對粗信號處理非常關(guān)鍵。為提高它們的分析精度，盡量縮短Ts，Np通常很大。如果把這大量的樣本全用于粗信號處理，粗信號處理的實時性勢必較差。因此，首先根據(jù)需求，在一個電壓信號周期內(nèi)均勻地抽取用于分析的NA個樣本。接著，對于定義法，計算出了這NA個樣本的平方和；對于相關(guān)分析法，則計算出了這NA個樣本與相應(yīng)單位純正弦信號的乘積的累加和；對于 LMS法，則根據(jù)式（6）、式（7）計算出多個相關(guān)乘積項的累加和；然后，根據(jù)式（2）與式（3）、式（4）與式（5）、式（6）與式（7）分別計算出基于定義法、相關(guān)法、LMS法的電壓幅值、初相位的大小。

圖5 粗信號處理流程

4 實 驗

在交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺上，利用本文開發(fā)出的軟件系統(tǒng)，對實驗室內(nèi)的工業(yè)用電單相交流電力進(jìn)行了測量。實驗中，MCU的晶振頻率為11.059 2MHz，Ts等于36個機器周期即約為39μs。將圖6（a）所示的采集的一段電力電壓信號通過串口送至PC系統(tǒng)，經(jīng)過快速傅里葉變換獲得如圖6（b）所示的該信號頻譜。圖6（b）表明，該電壓基本頻率為50Hz，幅值為310.8856V，在其他如100，200Hz等頻率處，存在一定的干擾。圖6（c）表明該電壓50Hz頻率分量處的初相位為9.988 6°。因此，該電力的特征參數(shù)f、Um、θ0的真值可分別近似為50Hz、310.8856V、9.9886°。

利用圖2所示的信號預(yù)處理模塊分析這些采集樣本，獲知 Np、f、U0、Um0分別為 513、49.903Hz、0V、316.432 2V。該頻率非常接近上述分析出的50Hz，故可證明該信號預(yù)處理是正確的。在此基礎(chǔ)上，采用圖5所示的粗信號處理模塊對該樣本進(jìn)行了分析，其結(jié)果如表 1、表 2 所示。其中，Umi、θ0i、ti分別表示電壓幅值、初相位、分析所用時間，其單位分別為V、rad、s，i=1、2、3 時分別表示傳統(tǒng)定義法、相關(guān)法、LMS法分析出的電力特征參數(shù)。

表1、表2表明，隨著NA的增加，3種方法分析出來的Um、θ0的不斷接近其真值。對于相同的NA個樣本，相關(guān)法、LMS法的分析精度高于傳統(tǒng)定義法，NA越小，這種情況越明顯。這與相關(guān)研究成果相吻合[2，8，12]，從而驗證了該軟件模塊的正確性。

從表1、表2可以看出，分析相同的樣本，相關(guān)法的計算時間略多于傳統(tǒng)定義法，但遠(yuǎn)少于LMS法，約為LMS法的1/4至1/3（用8位表示小數(shù)部分時，如表1）或者1/2（用16位表示小數(shù)部分時，如表2）。對于相同的分析精度，相關(guān)法需要的時間差不多，但均少于傳統(tǒng)定義法，約為傳統(tǒng)定義法的1/2（用8位表示小數(shù)部分時，略大于1/2，如表1；用16位表示小數(shù)部分時，略小于1/2，如表2）。對比表1、表2可知，采用16位表示小數(shù)的小數(shù)部分，3種方法的分析精度均略高于8位小數(shù)部分表示所分析出來的精度，但運算時間增加了1倍左右，即實時性能降低了約一半。從上面的分析也可以看出，對于該樣本，達(dá)到相同的分析精度LMS法所需的樣本數(shù)最少，相關(guān)法次之，定義法最多。

圖6 單相交流電壓信號

表1 小數(shù)部分8位表示法的粗信號處理結(jié)果

表2 小數(shù)部分16位表示法的粗信號處理結(jié)果

5 結(jié)束語

針對現(xiàn)有交流電力智能傳感器粗信號處理實驗硬件平臺，本文首先確定了在Keil集成開發(fā)環(huán)境中利用C語言進(jìn)行軟件開發(fā)的總體方案，設(shè)計了MCU部分軟件的主程序流程。接著，詳盡地設(shè)計了MCU軟件系統(tǒng)中兩個關(guān)鍵、核心的功能模塊：信號預(yù)處理與粗信號處理。在開發(fā)信號預(yù)處理功能模塊時，分析并利用交流電力信號的特征、規(guī)律完成了交流電力的頻率、偏移量的分析；為研究幅值、初相位的獲取精度與計算中小數(shù)的小數(shù)部分所占資源之間的關(guān)系，在設(shè)計出小數(shù)部分8位、16位表示的兩位小數(shù)乘法、多個小數(shù)累加等子功能模塊的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了能實現(xiàn)傳統(tǒng)定義法、相關(guān)法、LMS法3種粗信號處理方法的功能模塊。工業(yè)用電的測試實驗驗證了本文開發(fā)出的軟件的有效性、可靠性，表明了該軟件能分析傳統(tǒng)定義法、相關(guān)法、LMS法3種粗信號處理方法的精度與實時性，為用戶在粗信號處理方法以及粗信號處理方法實現(xiàn)的系統(tǒng)資源分配、粗信號處理方法的實現(xiàn)精度與所占系統(tǒng)資源上的抉擇提供有益參考，能滿足交流電力智能傳感器粗信號處理方面的實驗要求。

[1]車暢，胡丹.交流電力功率智能傳感器粗信號處理[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2011，46（4）：598-603.

[2]肖繼學(xué)，李世璽，程志.交流電壓智能傳感器的粗信號處理[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，30（2）：35-38.

[3]Xiao J X，Yang Y，Wang K，et al.Correlation analysis for AC power smart sensor[C]∥International Conference on Electrical and Control Engineering，2010：640-643.

[4]肖繼學(xué)，楊瑜，王凱，等.交流電力功率智能傳感器中信號處理的相關(guān)性分析[J].測控技術(shù)，2010，29（9）：99-102.

[5]李世璽，肖繼學(xué)，王凱.交流電力測試系統(tǒng)中關(guān)鍵采樣點的估計方法研究[J].化工自動化及儀表，2010，37（9）：42-45.

[6]肖繼學(xué)，楊瑜，王凱，等.交流電力有功功率的測試研究[J].機床與液壓，2010，38（14）：48-51.

[7]肖繼學(xué)，楊瑜，王凱.交流電力智能傳感器中功率的一種高效測試方法[J].測控技術(shù)，2010，29（7）：94-102.

[8]肖繼學(xué)，楊瑜，王凱.交流電壓智能傳感器中信號處理的相關(guān)性分析[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（5）：98-100.

[9]王凱，肖繼學(xué)，李世璽.交流電壓智能傳感器中關(guān)鍵采樣點的估計[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，29（3）：6-8.

[10]肖繼學(xué)，楊瑜，王凱，等.基于相關(guān)分析的交流電力有功功率測試研究[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，29（4）：5-7.

[11]肖繼學(xué)，李世璽，程志.交流電壓智能傳感器的粗信號處理[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，30（2）：5-7.

[12]程志，肖繼學(xué)，李世璽.交流電力智能傳感器粗信號處理實驗硬件系統(tǒng)設(shè)計[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，30（4）：68-71.

[13]程志.交流電力智能傳感器粗信號處理實驗系統(tǒng)的研制[D].成都：西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，2012.

[14]李世璽.交流電功率智能傳感器粗信號的處理[D].成都：西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，2011.

[15]王凱.交流電壓/電流智能傳感器信號處理技術(shù)研究[D].成都：西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，2010.

[16]黃惟公，鄧成中.單片機原理與接口技術(shù)（C51版）[M].成都：四川大學(xué)出版社，2011.