[摘要] 提出将DSP技术应用到电力谐波分析中，并介绍了一种以单片机(AT89C51)为主控机，TMS320VC5402为数据处理芯片的电力系统谐波分析仪，详细介绍了该装置的整体结构、工作原理和软、硬件设计思路。 关键词 DSP 电力系统 谐波分析 AT89C51. 0 引言 目前，电力系统谐波分析通常都是通过快速傅立叶变换(FFT)实现的。国内测量仪器可靠性和精度方面尚未严格考核过，主要适用于谐波测量方面，处理功能较差，运算速度较慢，不能满足电力监测高实时性的要求。 针对上述情况，本文设计了一种以单片机(Mcu)为主机，DSP为从机的便携式电力系统谐波分析仪。该分析仪具有结构简单、运算速度快、易于操作、成本低等特点。 1 整体设计方案 作为一个电力谐波检测装置，它必须具有以下几种功能：在任何时刻能够对电力系统信号进行数据采样； 具有快速、准确地分析包括电流、电压和功率在内的各种电力基本参量； 能够以文本和图形两种方式显示分析结果(如各种参量的波形图，谐波含量柱状图等)； 在必要时，能够将分析结果打印出来； 整个检测装置必须功耗低，以满足采用电池供电的要求，从而实现便于携带的目的。基于上述情况，笔者提出如图1所示的设计方案。整个系统的设计思路如下：把来自电网的电压(或电流)，经过降压，抗混叠滤波后，由A／D采样转换成DSP可以处理的离散数据；然后由DSP执行数据处理程序(如FFT)，计算出结果，并存储在DSP的内部RAM 中，再由单片机来读取这些数据，并把结果显示在液晶显示屏上或打印出来，可以使用按键来选择显示的电力参数和翻页显示。图1中的电压、电流信号必须为经过TV、TA，且经过抗混叠滤波处理的低压或小电流信号，使其能符合A／D转换和D SP处理的需要。 在本方案中，单片机作为主控器完成整个系统的控制和键盘处理，分析结果显示与打印功能，并实现与DSP的通讯。按键输入则用于通过键盘选择要显示或打印的电力参量等。FLAsH与DSP相连接，用于引导和储存信号处理程序。而D SP实现对电压、电流信号的采集及对其进行FFT变换和其他相关计算。 2 硬件设计 为简化设计和降低成本，本装置中的单片机采用美国Atmel公司生产的AT89C5 1，它是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4k字节的Fla sh可编程可擦除只读存储器，而且其输出引脚和指令系统都与MCS一5 1兼容。该单片机主要用来完成人机交互和整个系统的协调，而DSP则用来完成数据的采集和处理。单片机和DSP之间的通信(数据交换)是利用先进的DSP主机接口技术(HPI)来实现，它是一个8位的并口，提供了D S P和主处理器的接口。本设计中的DSP采用TI公司生产的低功耗芯片TMS320VC5402，它具有运算速度快、功耗小、性价比高、片内RAM 容量大等特点。在整个方案中，以单片机作为主机，DSP作为从机，用单片机来控制整个系统，所以单片机和DSP之间的主从式连接是本设计的重点。接口电路图如图2。 数据采集和转换也是本设计的另一个重点。这里A／D采用TI公司的TLV1570ADC，它是1个8通道10位串行的带自动扫描的A／D转换器，它与DSP构成的信号采集和处理系统具有硬件设计简单、可靠性好的特点。在该A／D转换电路中，使用了DSP的多通道缓冲串口(McBSPs)，采用了TMS320VC5402的DMA通道读取TLV1570ADC的转换结果， 用定时中断时间来触发DMA进行数据传输， 在设定的数据传输完毕后，触发DMA中断，CPU响应DMA中断进行后续处理。这样DMA 以后台形式进行数据传输，无需CPU进行控制， 提高了CPU的效率。图3为TLV1570和TMS320VC5402的接口电路。在实际使用中， 必须保证A／D采样频率和串行口传输速率设置的相互协调， 从而确保DSP有足够的时间读取当前采样的数据。由于TMS320VC5402内部的ROM较小，而用户能用的部分更少，故要外扩程序存储器FLASH。本系统中使用的FLASH是SST公司推出的256k×16位产品SST39VF400A，它具有以下主要特点：可直接与3．3V的高性能DSP接口，简化了系统的电源要求；最快的存取速度高达90ns，CMOS工艺，具有1 0 次写入／擦除寿命、低功耗、块保护功能等。在电路启动时，由TMS320VC5402内部ROM 中的引导程序将存储在FLASH中的工作程序转移到0SP中的SRAM 里，提高程序运行效率，降低对外部ROM的速度要求。这样，不仅可以提高系统硬件的成本，而且可以提高系统的整体抗干扰性，这就需要运用DSP自举引导功能。TMS320VC5402引导方式：主机接口HPI、并口、标准串口、8位串行E 2PROM及I／O口自举引导方式。图4为SST39VF400A和DSP的接口电路。 3 软件设计 整个软件的设计采用模块化、结构化设计思想。在软件算法方面， 系统采用传统的FFT， 对采集的电压和电流信号进行频谱分析， 进而得出有关谐波的各项值。系统软件流程框图设计如图5。其中显示模块用于选择分析结果的显示输出方式：文本方式、波形方式或谐波柱状图等。打印模块主要用于将各种显示的值打印出来。MCU读取数据模块将按照图6所示的流程来读取数据。图6为单片机和D S P 数据交换的流程图。单片机和TMS320VC5402之间的通信是通过HPI接口来实现的。通过增强的8位HPI允许主机处理器对DSP的片内存储器进行访问，通过两个连续的8位字节组合在一起形成一个1 6位字传输。当主机设备执行与HPI寄存器的一个数据传输时，HPI控制逻辑自动执行对内部DSP的RAM访问已完成数据传输，DSP然后可以在它的存储空间访问数据。主机对HPI内存的寻址必须通过HPI的寄存器(HPIA、HPIC和HPID)来实现，一般的步骤是：初始化HPIC，接着初始化HPIA为主机希望寻址的HPI内存地址，即主机欲访问DSP片内RAM，需要先发送一个16位地址到HPI地址寄存器(HPIA)，然后通过数据寄存器(HPID)访问该地址所指向的存储单元。若主机欲连续访问一段RAM 空间，则要先送该段的首地址到HPIA，然后以地址自动加1的方式访问，即主机每访问一个存储单元后HPIA 自动指向下一个单元。 4 系统仿真实验 为验证该装置的正确性与精确度， 本系统做了一个简单的仿真试验， 采用信号发生器产生方波作为A／D的输入信号， 其数学表达式为： 该信号具有所有的奇次谐波， 而该系统滤去了高次谐波， 计算次数最高为2 0次， 因输入为方波，故显示最高为1 9次谐波。实验结果见表1。 由表1可知， 计算值与该函数的傅立叶级数的各实际值非常接近。故本装置具有可靠性高、计算精度高、速度快等特点， 适合在电力系统实时检测的应用。 5结束语 在电力系统的谐波问题日益严重的情况下，使用本系统可以为谐波的抑制和消除提供依据，为电力系统的正常运行和电力电子装置的安全提供保障。但由于傅立叶分析有其局限性，故不可避免地存在由时域截断而产生的能量泄漏问题，这是有待于进一步解决的问题。