基于DSP和CPLD的电力参数检测终端的设计

摘??? 要：本文介绍了电力参数检测终端的硬件结构以及参数的计算，着重讲述了采样脉冲的产生过程、抗混叠软件滤波、缺相检测原理、测频方法和谐波计算原理。
关键词：DSP；软件滤波；缺相检测；谐波分析；FFT

引言
在供电系统中，对谐波、负荷电流、功率因数等电力参数进行合理的估算并采取相应的措施是非常必要的。本文设计了一种基于DSP和CPLD的电网质量的监控装置。该装置通过采集这些参数，计算并判断电能质量的优劣，同时与监测主站进行通讯，接收主站下达的各种命令，传送主站所需的各种参数，达到实时监控的目的。本文详细分析了DSP的硬件及软件实现、FFT算法的实现、谐波分析、软件滤波、参数计算以及由CPLD实现的缺相检测、采样脉冲产生、键盘消抖、地址译码等逻辑实现的问题。

硬件设计
变压器监测终端首先把经过CT、PT的三相电压和电流转换为标称值为100V和5A的电压、电流，再把该信号经过传感器转换为跟随式的标称值为5V的电压信号。信号经过过零比较器生成频率相同的方波，以利于测频和实现缺相检测。同时由CPLD和DSP控制可同时对ADS7864完成六路信号的数据采集。然后由DSP完成软件滤波、FFT运算以及各电网参数的计算检测并进行各种判断，将需要的数据存贮于掉电保护的NVRAM中。系统时钟由可编程万年历时钟芯片DS2000提供，同时由控制中心精确对时。如果判断读出的数据值越限，DSP就控制相应的输出继电器动作，进行外部电容器的投切及报警信息的发送。终端与主站通过RS-232、RS-485传送信息，RS-232主要做为当地调试接口，RS-485用于远程通讯。系统配有键盘输入和LCD显示。

信号调理电路
RC滤波器的输出信号范围为-5V~+5V，而ADS7864的模拟输入信号范围为0~+5V，因此需要进行信号的调理。

采样脉冲的产生
本系统中采用以数字锁相环为核心的采样脉冲产生器。将待测信号经过过零比较器LM339，得到一个方波作为数字锁相环的输入。设输入信号频率为fi，反馈频率为ff，输出信号的频率为fo。根据闭环控制理论ff=fi，需要128倍频，通过分频器选择分频比(128倍分频器由CPLD实现)，使ff=(1/128)fo，从而得到f0=128fi。所以采样信号周期T=156.25ms(设基频为50Hz)。将f0=128fi做为采样频率送至ADS7864的采样保持输入引脚。

A/D转换器ADS7864
ADS7864是TI的6通道全差分输入双12位A/D转换器。这种模数转换器能以500kHz的采样率同时进行六通道信号的采样。ADS7864的六路输入通道可以分成三对，分别用于电网的三相电压和三相电流的输入，并可将模拟信号转换成DSP或微处理器所需的数字信号。输入到片内六个采样-保持放大器的信号经过全差分可在ADC输入期间保持，以使其在50kHz时仍然提供高达80dB的良好模抑制比，这一点对高噪声时的输入噪声抑制可起到非常重要的作用。另外，ADS7864特有的并行接口能够与六个FIFO寄存器进行连接，从而可以更快速地捕获数据。

本设计中将f0=128fi接至ADS7864的采样保持信号HOLDa、HOLDb、HOLDc。当其为0时，可以同时保持六路输入信号，然后按工作模式设定的先后次序分别进行A/D转换。为了提高系统的效率，将ADS7864的/BUSY信号接至CPLD，由其判断ADS7864产生三个/BUSY信号后产生一个中断，通知DSP一次性读走ADS7864的FIFO中六个转换好的数据。

缺相检测的实现
CPLD对经过过零比较器整成方波的三相信号进行判断，根据判断结果，选取某一相信号送入到倍频电路，同时把判断的结果传送给DSP，由DSP根据结果发出报警。在此给出CPLD的A相判断程序。
process(reset,f42,Fa) ----------------f42=610.352Hz
begin
if reset='0' then
?? sum5<=0;
?? sd(0)<='1';
elsif (f42'event and f42='1') then
?????????? if(Fa='0')then
??????????????? if sum5=9 then
?????????????????? sd(0)<='0';
?????????????????? sum5<=0;
???????????????? else
??????????????????? sum5<=sum5+1;
???????????????? end if;
?????????? else
???????????????? sd(0)<='1';
???????????????? sum5<=0;
????????? end if;
end if;
end process;
假设在16.384ms内没有高电平信号就判断为该相无信号，即本系统的测量频率下限为30.52Hz。

数据结果的传输与判断
DSP根据采样数据进行计算后得到的结果保存在掉电不丢失的RAM里，根据上行站点的要求通过GSM引擎模块发送出数据，或通过RS-232串口直接从系统中读取数据。DSP也根据设定的参数标准，用计算所得的数据与之比较，判断各种参数是否合格。如果不合格则做出相应的动作，如控制电容的投切、向上行站点报警、记录不合格数据等，从而实现无人监控。

信号的软件滤波
本系统的频率测量范围以A级为标准，截止频率选为2.5kHz，并在频带宽度内特性应尽可能平坦。当频率高于截止频率时应尽快衰减。

DSP的FIR滤波器的差分方程为：y(n)=h(k)×x(n-k)。用Matlab可以算出滤波器系数：h=fir1(n,w)。其中n为滤波器阶数，w为归一化截止频率，0.0<w<1.0，1.0对应于半抽样速率，w对应幅值为-6dB，返回值h为一个N+1维矢量，即滤波器系数。

TMS320F206有544字的双口片上RAM(B0、B1、B2)，其中有288字(B1、B2)用于数据存储器，256字(B0)可以通过设定片上DARAM配置位CNF而分配成程序或数据存储器。为了有效利用MACD指令，将CNF置为1，即将B0分配成程序存储器。整个滤波器程序的两条核心指令就是：
RPT? NM1
MACD (PAM)，(DMA)
指令RPT NM1使下一条指令执行N-1次(N为滤波器长度)；而指令MACD (PAM)，(DMA)则完成以下的操作：a.用PAM装载程序计数器；b.将数据空间地址为DAM(片上B1)的数据与程序空间地址为PAM(片上B0)的数据相乘；c.将前次乘积加至累加器；d.将指定的数据存储器地址中的内容复制到下一高地址数据存储器，且程序指针指向下一个滤波器系数。按照图4的分配方式存放输入采样值和冲击响应就可以正确利用上面的两条指令。
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参数的计算
DSP初始化各个参数后，首先检测是否缺相，接着检测频率，依次再采集电压电流参数。在对采集的数据进行预处理后，计算各个电参数和FFT，最后计算谐波分量并根据标准进行判断。另外，各种参数标准的设定、通讯等功能都由各自的子程序去实现。&

（包盛花|）

[1].CPLDdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2].100Vdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/100V_1748275.html.
[3].ADS7864datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ADS7864_1076289.html.
[4].RS-232datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS-232_584855.html.
[5].RS-485datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS-485_584821.html.
[6].LM339datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/LM339_1060635.html.
[7].TMS320F206datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F206_17297.html.
[8].N-1datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/N-1_1997158.html.
[9].PAMdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PAM_1643521.html.