基于DSP+ARM的電能質(zhì)量檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

房緒鵬+李輝+莊見(jiàn)偉+徐飛

摘 要： 基于電能質(zhì)量分析的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)一種基于DSP+ARM的雙CPU架構(gòu)的電能質(zhì)量檢測(cè)儀。利用DSP高效強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力與在人機(jī)界面、通信和多任務(wù)管理上有很好表現(xiàn)的ARM，構(gòu)建一個(gè)在線式電能質(zhì)量檢測(cè)儀。為了減少DSP的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中對(duì)CPU資源的消耗，DSP采用中斷的模式分別通過(guò)并口與AD7606連接和通過(guò)雙口RAM與ARM連接。該設(shè)計(jì)采用有源濾波濾除50次以上諧波，能夠?qū)ゎl交流電的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和諧波等主要電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。以太網(wǎng)口方便不同供電點(diǎn)甚至多個(gè)供電系統(tǒng)的集中檢測(cè)。

關(guān)鍵詞： 電能質(zhì)量； DSP； ARM； 雙口RAM； 在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TN98?34； TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）04?0179?04

Design of electric energy quality detector based on DSP+ARM

FANG Xupeng， LI Hui， ZHUANG Jianwei， XU Fei

（Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： According to the actual demand of the electric energy quality analysis， an electric energy quality detector with dual?CPU architecture based on DSP and ARM was designed. An on?line electric energy quality detector was constructed by means of the DSP with powerful data processing capacity and ARM with good manifestation in man?machine interface， communication and multi?task management. In order to reduce the consumption of CPU resource during the DSP data transfer， the interrupt mode is used in the DSP to connect the AD7606 and the ARM through the parallel port and dual?port RAM respectively. The active power filtering is adopted in the design to filter out the harmonics more than 50 times. The design can measure the main electric energy quality parameters of the voltage effective value， current effective value， active power， reactive power， power factor and harmonic of the power frequency AC. The Ethernet port is convenient for the centralized detection of the different power supply points or even multiple power supply systems.

Keywords： electric energy quality； DSP； ARM； dual?port RAM； online monitoring

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，引起電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題的原因有：由發(fā)電機(jī)、變壓器、非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波；電力系統(tǒng)的內(nèi)外故障引起的電能質(zhì)量問(wèn)題。電能質(zhì)量問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備的壽命縮短，網(wǎng)損加大，裝置誤動(dòng)作，對(duì)通信造成干擾甚至使通信信號(hào)丟失[1?2]。本文將在數(shù)據(jù)處理方面具有優(yōu)勢(shì)的DSP與基于高級(jí)操作系統(tǒng)并在人機(jī)界面、通信、和多任務(wù)處理上有很好表現(xiàn)的ARM芯片相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)。

1 電能質(zhì)量檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量檢測(cè)儀的硬件主要包括信號(hào)的采集與調(diào)理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、DSP處理單元、ARM處理單元等。電網(wǎng)的電壓和電流信號(hào)由信號(hào)采集與調(diào)理電路經(jīng)高速ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)[3]；DSP處理器將采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理，并將處理的結(jié)果寫入雙口RAM；ARM處理單元將來(lái)自雙口RAM的處理計(jì)算結(jié)果進(jìn)行管理，并與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的存儲(chǔ)與在線監(jiān)測(cè)，如圖1所示。

1.1 信號(hào)采集與調(diào)理電路

信號(hào)的采集與調(diào)理電路具有信號(hào)采集、放大與濾波的功能。電壓信號(hào)和電流信號(hào)的采集分別使用電壓互感器和電流互感器。

其中電壓互感器選用TV31E?2 mA/2 mA電流型電壓互感器。因互感器的輸出是電流信號(hào)，需將電流信號(hào)經(jīng)運(yùn)放轉(zhuǎn)換為±2 V的電壓信號(hào)。電流互感器選用TA21A11?5 A/2 mA電流互感器，電流互感器的輸出端經(jīng)運(yùn)放電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為±2 V的電壓信號(hào)。但由于電壓互感器和電流互感器所采集的信號(hào)中含有有用信號(hào)和各種頻譜的無(wú)用信號(hào)[4]。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，連續(xù)信號(hào)的最高頻率必須小于采樣頻率的，否則會(huì)引起頻率的重疊，使得采集的數(shù)字信號(hào)不能再現(xiàn)為原始信號(hào)，為此需對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波。

抗混疊濾波電路根據(jù)所需采樣的最高次諧波的頻率確定濾波器的截止頻率?？够殳B濾波電路對(duì)轉(zhuǎn)換為±2 V的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行濾波，并放大為±10 V的電壓信號(hào)，如圖2所示。