收稿日期:2006-03作者简介:许卫兵(1973 ),男,讲师,从事检测与控制技术领域的科研和教学工作。
电能质量监测和监测仪器讲座第六讲 基于DSP 技术的新型电能质量在线监测许卫兵1,2,孙 佐1(1.池州师范专科学校,安徽池州247000;2.东南大学电气工程系,江苏南京210096)摘要:提出一种基于DSP +M CU 的双内核结构新型电能质量在线监测方案。
该设计方案在体积、性能和成本上较现在已有设计更有优势,适合安装在现场,有利于作为永久性在线监测电能质量的设备。
关键词:数字信号处理器;在线监测;电能质量;实时性中图分类号:TM 933.4 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2006)03-0070-03Power Qua lity OnlineM onitor Based on DS P TechnologyXU W ei b i n g 1,2,SUN Zuo1(1.Depart m ent ofM echan i ca l and E l ectrical Eng i nee ri ng ,Chizhou T eachers Co ll ege ,Chizhou 247000,Chi na ;2.D epa rt m en t of E lectrica l Eng ineer i ng ,Southeast U n i versity ,N anji ng 210096,Chi na)Abstrac t :The design of a new po w er qualit y onli ne m onitor based on DSP +M CU techno l ogy i s put for w ard .It i s m ore advantageous in ter m s of vo l u m e ,perfor m ance and cost i n co m par ison w ith the ex i sti ng design .It i s s u itable for on the site i nstall a ti on and used per m anentl y as an onli ne m onito r for powe r qua lity .K ey word s :D SP ;onli ne m on itor ;po w er quality ;rea l ti m e电能质量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化和智能化的方向发展。
除了传统的监测功能外,它在功能和技术上更加强调:①各种信息的提取、收集、分类和管理;②分析手段智能化;③电网运行性能和条件的自动评估;④为用户提供决策支持;⑤对问题进行预测。
基于这种需求,文中介绍一种基于DSP +MCU 的双CPU 的设计方案。
1 硬件系统设计1.1 硬件设计系统要处理的任务种类繁多,既有数据采样、各种计算等周期性任务,又有通信、人机交互等随机性事件。
因此在硬件设计上,不但要考虑处理设备本身具有高速的处理速度和处理能力,而且还要具有实时任务调度能力,并还要考虑到设计成本问题。
本文所搭建的系统硬件平台采用DSP+M C U 的双CPU 主从式结构。
选用性能价格比较高的16位定点DSP 芯片T M S320LF2407作为下位机,主要完成数据的采集、滤波处理及与上位机的通信。
T M S320LF2407是美国T I 公司的TM S320系列的一员,它采用增强的哈佛结构,应用高性能静态COM S 技术生产,为了降低功耗,采用3.3V 电源供电,具有特殊的DSP 指令和33ns 的指令周期,具有16通道10位A /D 转换器,其最小转换速率为500ns ,内有高达32K 16位的FL ASH 程序存储器。
高达2.5K 16位的数据/程序RAM,544 16位双端口RAM (DARAM ),所以本设计:(1)采用DSP 内部的A /D 转换器进行模/数转换。
(2)DSP 和MCU51之间的数据交换通过16位片内544 16位双端口RAM (DARAM )实现。
(3)运用DSP 的片内看门狗定时器(W DT )。
(4)可扩展的外部存储器总共192K 16位,其中程序存储器空间、数据存储器空间、I/O 寻址空间各为64K 16位。
同时TM S320LF2407引脚较少,价格适中,用它构造电脑决策数据采集系统不但可以满足系统的设计要求而且降低系统的复杂性,性价比也有很大提高。
利用DSP 数字信号处理速度高的优势来处理大运算量的实时任务,M C U 负责系统配置管理、人机交互、通信等,系统硬件框图如图1所示。
双CP U 采用DSP 和MCU 相结合的办法,二者采用主从结构(M C U 为上位机,DSP 为下位机),通过DSP 片内的双口RAM (DARAM )实现数据交换和协同工作,而DSP 的人机接口则由MCU51实现。
M C U 采用AT M EL 公司的AT89C55WD,它除兼容M CS-51外自带硬件看门狗定时器。
MC U 用来分担部分实时性要求不高的系统任务,主要包括液晶显示、键盘管理、时钟控制、系统配置管理、人机交互等。
在70 仪表技术2006年第3期图1 系统硬件框图通信方面,设备具有RS422和CAN 两种设备网接口和一个RS232接口,设备网接口可以让设备集成到企业级的电能质量分析与管理系统中,RS232接口可以和台式机或笔记本电脑实现点对点的通信,方便维护人员进行现场设备维护和故障诊断。
这种由两个处理器对系统任务并行处理的方式,能更有效地发挥DSP 的功效和MC U 的特长。
同时这种结构又可以保证系统资源有一定程度的冗余,易于今后系统功能的升级和改进。
1.2 系统功能该系统具有以下功能:(1)具有友好的人机交互功能,能通过键盘实现对被监测的量进行选择性的显示。
(2)带有RS232通讯模块,可以实现远程通讯功能。
(3)能实现对三相电压、电流信号实时跟踪,实时计算电流有效值、电压有效值、电压电流三相不平衡度、有功、无功、视在功率、频率、功率因数,能够分析稳态谐波。
(4)具有事件记录、故障报警和故障波形跟踪记忆功能。
(5)系统资源丰富,升级空间大,DSP 内建的32K 16位的FLAS H 程序存储器可以方便地多次擦写,便于软件升级,M C U 提供20K 的可编程FLASH 程序存储器ROM 空间,可重复擦写1000次。
(6)开关量输入功能,DSP 具有相当多的I/O 口,系统除了监测电压、电流信号外,还要监测各种开关信号,如断路器的分断状态,以便了解系统运行状况。
2 软件系统设计2.1 软件设计原则本系统软件设计采用模块化设计方法,针对本系统要实现的是对电网数据实时采集分析计算,做到在线监测的目的,在软件设计上有以下原则:(1)实时性:电能质量检测装置要实现的是对电网数据实时采集分析计算,不间断的采集数据达到在运行期间的同步计算。
(2)快速性:在硬件上要求采样和计算芯片的高速性,软件上要求算法的高效率,从而可以在采样间隔的时间内完成各个电能质量参数的计算和数据存储,达到计算和采样的同步性。
(3)可扩展性:对于软件系统来说,可通过对DSP 程序的更新来达到算法的升级,如在将来版本的装置中采用小波变换的算法等进行数据分析和变换,实现对暂态电能质量的分析。
2.2 软件设计软件设计包括下位机DSP 芯片的软件设计和上位机MCU 单片机的软件设计。
二者都采用模块化结构设计,软件系统任务分配模型如图2所示。
实时性要求强的部分,采用中断处理。
DSP 软件采用C 语言和汇编语言混合编程方式,用汇编语言编制FFT 算法部分,在一个周波20m s 时间内实现对电压电流6路信号的128点基二FFT 分析,以获取每周波的谐波信息。
DSP 软件还可得到电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、基波相位因数、频率、相角等多项测量结果。
M C U51单片机部分软件采用C 语言编码,每3s 接收一次DSP 计算出来的结果,统计最大、最小、95%概率大值、合格率,存储正常记录、事件记录、波形记录。
在人机对话方面、处理按键、刷新显示等方面,通过RS232接口或电话线与主站通讯。
通讯协议采用基于I EC870(I EC 第57技术委员会制定的国际远动规约标准《远动设备与系统》)协议的扩展协议,通讯的数据量比较大。
I EC870协议以16进制形式传输数据,比ASCII 码方式传输速度快,且它将一个长帧分成小于255字节的多帧通讯,在一帧出错时,可单独重要这一帧数据,从而提高了通讯成功率。
系统图2 软件系统功能模块71 2006年第3期仪表技术采用主从式结构,即将DSP 及所包含的A /D 模块看作M C U 的一个子模块,但DSP 软件模块自成体系,也有自己的功能模块和调度方式。
按照两个CPU 系统所承担的不同任务,规定M C U 为上位机,DSP 为下位机。
MC U 主要负责系统管理,包括人机交互,通信等,DSP 负责实时数据计算,完成数据的采集、滤波处理及与上位机的通信。
DSP 的任务是采集从片内A /D 转换器中读取的数据,进行计算和分析,然后将数据提供给M C U,M C U 利用这些数据进行显示、通讯等。
系统校准的参数保存在EEPROM 中,M C U 在初始化过程中会读取这些系数并提供给DSP ,这和DSP 自身的初始化程序一起作为DSP 模块的初始化部分。
系统需要显示何种数据都由MC U 发出请求,由DSP 进行处理,系统的主动权始终在M C U 手中。
对M C U 而言,DSP 子系统就相当于MCU 的一个 外设 ,它进行频繁数据读取和计算。
将数据保存在内部RAM 中,当M C U 有中断请求,就解析命令并执行MCU 所提交的任务。
在系统实际运行中,DSP 始终处于繁忙的计算中,而M C U 可能并不繁忙,只是在等待用户输入,处理远程通讯等,这样才能保证M CU 图3M C U 程序流程对于外界输入做出实时响应。
这样,在MCU 软件系统设计上,应该注重人机界面,系统的稳定性。
在DSP 的软件设计中,应该保证在整个软件系统及算法设计上具有较强的实时性和稳定性。
整个系统软件设计是由主程序和外部中断服务子程序和软件中断子程序组成。
M C U 的所有功能都是在图3所示的主流程下实现的。
DSP 的开发工具包括代码产生工具和代码调试工具。
代码产生工具对用户开发的高级语言或汇编语言源代码进行编译,生成可以在目标DSP 上运行的可执行代码。
代码调试工具根据调试者的命令观察DSP 的状态,控制DSP 代码的执行,进行结果显示,对用户的代码进行调试或性能测试。
