The design of harmonic measurement instrument with DSP based on wavelet transform
摘要：介紹了基于瞬時(shí)無功功率理論的小波變換算法。通過在采樣間隔里，每采樣一個(gè)新的數(shù)據(jù)，就進(jìn)行算法運(yùn)算，可實(shí)時(shí)運(yùn)算電力諧波和無功電流，這種算法比把所有或者一部分點(diǎn)都準(zhǔn)備好后才進(jìn)行運(yùn)算的算法更實(shí)時(shí)，效率更高。最后描述了采用TMS320VC5402和AT89C51等電路實(shí)現(xiàn)了上述測(cè)量算法的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)過程及結(jié)果。
關(guān)鍵詞： DSP；諧波； 實(shí)時(shí)；小波變換
Abstract: In this paper, The wavelet transform theory based on the instananeous reative power is presents.The harmonic and reative current can be computed with the algorithm during the sampling interval. the algorithm is more efficient than the conventional algorithm that all datas are computed after they are all sampled.then, the principle of designing the harmonic and reative current measurement instrument to implement the algorithm by using DSP and MCU devices is described.
Key Words: DSP; Harmonic;real ;wavelet
0 引言
現(xiàn)在很多的諧波檢測(cè)儀都是先在一個(gè)工頻內(nèi)測(cè)出N個(gè)點(diǎn)，然后進(jìn)行算法運(yùn)算，得到所需的數(shù)據(jù)。本文在討論基于瞬時(shí)無功功率理論的小波變換算法的基礎(chǔ)上，介紹了采用 TI公司的TMS320VC5402和AT89C51等集成電路設(shè)計(jì)諧波功率測(cè)量?jī)x的方法。這種測(cè)量?jī)x能在采樣間隔里，每采樣一個(gè)新的數(shù)據(jù)，就進(jìn)行算法運(yùn)算，能滿足電力系統(tǒng)中對(duì)諧波和無功電流的快速、實(shí)時(shí)、高精度的測(cè)量要求。
1基于瞬時(shí)無功功率理論的小波變換算法
2 硬件設(shè)計(jì)
本文采用MCU+DSP的設(shè)計(jì)方法，就可以充分發(fā)揮DSP芯片的數(shù)字信號(hào)處理優(yōu)勢(shì)和MCU的控制功能。
上述算法設(shè)計(jì)的諧波功率測(cè)量?jī)x原理框圖如圖 1所示，由電壓和電流同步采樣取樣電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、TMS320VC5402、AT89C51、顯示及鍵盤等電路組成。A/D和DSP之間的通信采用DSP的多通道緩沖串口MCBSP，MCU和DSP之間的通信采用DSP的主機(jī)接口HPI。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以MCU為核心完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，主要包括與DSP進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換和人機(jī)交換等。數(shù)字處理芯片TMS320VC5402主要完成電壓和電流信號(hào)的采集及其對(duì)其進(jìn)行小波分析和其他相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，這幾步過程都應(yīng)在一個(gè)工頻周期內(nèi)完成，以一個(gè)工頻采樣128點(diǎn)為例，AD同步采樣的時(shí)間大約160μs，AD73360平均轉(zhuǎn)換時(shí)間是25μs，在指令周期為10ns的TMS320VC5402中用MAC單周期指令計(jì)算尺度為5的DB20小波算法的時(shí)間為25μs，數(shù)據(jù)通過MCBSP的時(shí)間為25μs，加上其他的延時(shí)，遠(yuǎn)小于160μs的采樣時(shí)間。可見，如用單片機(jī)來作控制，可以滿足實(shí)時(shí)性。如果使用指令周期為50ns的TMS320F240完成上述算法，所需時(shí)間為280μs，已經(jīng)大于160μs的采樣時(shí)間，可見無法實(shí)現(xiàn)
2.1 同步采集電路設(shè)計(jì)
DSP對(duì)電壓和電流信號(hào)的采集采取每個(gè)工頻信號(hào)采樣128次的方式。由于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，采樣時(shí)刻并不固定，也就影響到電參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，本文采用鎖相環(huán)倍頻電路，將相電壓整形后進(jìn)行128倍頻，利用倍頻后的信號(hào)作為同步采樣中斷信號(hào)，將DSP中斷設(shè)為邊沿觸發(fā)（下降沿有效）方式，利用同步信號(hào)的下降沿觸發(fā)，進(jìn)入中斷進(jìn)行采樣。利用這種采樣方式可以跟蹤電網(wǎng)頻率的變化進(jìn)行精確采樣。
整形電路使用比較器LM389，將來自于互感器的電壓信號(hào)整形方波信號(hào)，這方波信號(hào)一方面提供給倍頻電路，同時(shí)它也給DSP控制程序提供一個(gè)周期開始信號(hào)。倍頻電路由鎖相環(huán)CD4046和分頻電路CD4520組成。這里采用倍頻電路的輸出信號(hào)作為A/D轉(zhuǎn)換的中斷信號(hào)。方波信號(hào)經(jīng)鎖相環(huán)倍頻后，作為采樣保持器采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號(hào);模擬信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大單元后，接入數(shù)據(jù)處理芯片的A/D轉(zhuǎn)換引腳，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。
