学位论文-—基于cc2530的电参数测量系统设计.doc

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1、 南京工程学院毕业设计说明书（论文）南 京 工 程 学 院毕业设计说明书(论文)题 目：基于CC2530的电参数测量系统设计 指导者： 评阅者： 20 13 年 5 月 南 京摘要：越来越多非线性负荷和冲击性负荷的投运使得电力系统的电能质量问题日益加重,同时越来越多的用户使用基于微处理器和计算机的自动化设备,这些设备对电能质量敏感,对电能质量要求更加严格,使得电能质量问题成为供用电双方关注的焦点作为电能质量问题定量衡量和鉴定手段的电能质量监测技术成为大家迫切研究的领域。本课题的目标是开发一种具有可编程、同步测量与分析计算、无线通信等功能三相电参数测量系统。该系统能够实时监测电网中的三相电压、电

2、流、频率、功率及功率因数等基本电能参量，为电能质量分析提供方便。核心DSP 芯片采用TI公司的TMS320F28335，模数转换芯片为AD7656，Zigbee无线通信芯片为CC2530。本系统具有采样频率高、同步实时处理速度快、集成度高、成本低廉等特点 ，另外所采用的通信方式是近些年发展迅速的ZigBee也是一个特色。关键词：TMS320F28335，AD7656，CC2530，ZigBee无线通信IIIAbstract：More and more non-linear loads and shock loads put into operation makes the power syst

3、em power quality problems is increasing, while more and more users use microprocessor-based automation and computer equipment that power quality sensitive to power quality requirements more stringent, making the power quality issue has become the focus of both parties for the electricity power quali

4、ty problems as a quantitative measurement and identification of means of power quality monitoring technology become a pressing research field. The goal of this project is to develop a programmable, synchronous measurement and analysis computing, wireless communications and other functions-phase elec

5、trical parameter measurement system. The system is capable of real-time monitoring of the grid phase voltage, current, frequency, power and power factor, and other basic power parameters for power quality analysis with ease. Core DSP chip using TIs TMS320F28335, analog-digital conversion chip AD7656

6、, Zigbee wireless communication chip CC2530. The system has a high sampling frequency, synchronous real-time processing speed, high integration, low cost and so on, in addition to means of communication used in recent years the rapid development of ZigBee is a specialty.KEYWORDS:TMS320F28335，AD7656，

7、CC2530,ZIGBEE第一章 绪论51.1课题背景51.2电信号测量发展与需求分析61.2.1 发展历程61.2.2需求分析71.3本课题的设计目标，要点71.3.1设计目标71.3.2要点及难点71.4本文的主要内容和章节安排8第二章 系统设计技术基础概述92.1测量与计量的技术要求92.1.1信号采样92.1.2基本电参数计算102.2数字信号处理技术132.2.1 DSP发展概述132.2.2 DSP芯片特点及基本结构142.3无线通信Zigbee技术15第三章 系统的硬件设计173.1 系统硬件总体方案173.2信号调理电路设计173.3 抗混叠滤波193.4过零检测电路203.5

8、 倍频锁相电路203.6数模转换模块设计213.7数字信号处理模块设计233.7.1 芯片特点233.7.2 DSP的软硬件资源243.7.3 DSP最小系统25第四章 系统的软件设计294.1 DSP软件及主程序294.2 AD7656 中断子程序314.3 通信模块程序31第五章 分析与小结33附录：35参考文献：39 第一章 绪论1.1课题背景 随着我国电力工业的迅速发展，电能质量对于电网的安全经济运行，保证工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均有重要意义。为了改善这一状况，对电力系统进行完整分析和监测，成为检测技术的重要方向。准确、完整地进行电力参数的测量和分析是成功的关键，

9、因此电网质量的问题成为关键，电力参数的分析和监测已成为国际上讨论和研究的重点 。电能质量监测作为电能质量监控的一个关键环节,在电力系统运行管理和技术监督中起着重要的作用,同时也是保证电力系统良好供电质量的必要手段,研发功能强大的电能质量监测系统,使之能详细记录电力系统运行过程中的电能质量指标,监测电能质量污染源,从而为电网电能质量的治理和改善提供依据,对保证电力系统的安全,经济及稳定运行有重要的意义。在电能质量问题不断加重和用户对电能质量的要求不断提高情况下,提高电能质量的监测水平有重要意义,一般认为电能质量监测的目的有:1分析电力系统的性能:通过监测电力系统的电能质量,使电力管理部门了解电力

10、系统运行的总体状态,分析电力系统电能质量的水平和问题所在,从而为电力系统以后的规划布局和运营调度提供依据；2根据系统各个监测点的电能质量监测数据,分析各种特性的电力负荷对电能质量的影响,有针对性的对电能质量进行治理,根据实际情况加装各种改善电能质量的装置；3为供用电双方的争端提供裁决的数据依据，精确的电能质量监测,可以找出引起电能质量问题的原因,从而根据监测结果找到提高电能质量的方法和应对措施,并确定相关的治理责任方。对电能质量的准确测量是治理与改善电能质量的基础，依托通信技术,建立能够实时共享各个监测点电能质量数据的监测平台,为电力系统的规划决策提供依据,同时根据系统的总体电能质量状况对其进

11、行调节和调度。电能质量监测对电网的安全、可靠、经济运行有着重大意义。1.2电信号测量发展与需求分析1.2.1 发展历程电力监测仪表或监测系统的发展主要分为三个阶段：第一个阶段是早期的机械式仪表。它们通常利用电磁感应和机械原理，采用指针式结构对电力参数进行测量。由于电磁感应的结构和机械结构的不稳定性，在测量电力参数精度和准确性方面还有很大局限性，但也由于其结构简单、方便耐用、价格低廉，在一些简单的基础应用领域仍有广泛使用。第二阶段是模拟电子技术的发展，带动了电参数测量的变革。从 20 世纪 70 年代以后，电力监测仪表广泛开始采用模拟电子电路设计方案。这种采用可以直观反映电参量关系原理设计的电子

12、仪表比机械式监测仪表在稳定性和精度方面有了很大进步。特别是 80 年代初期大规模集成电路的发展，更是促进了电子仪表的飞跃。例如 1976 年，日本就曾采用时分割乘法器设计实现了高精度电子式电能测量仪。但应用模拟电子技术设计的电子仪表也有其不足之处，如其结构复杂，对器件要求较高，而且可测参数较少，功能有限，这些都限制了模拟电子仪表的进一步发展。第三阶段是数字采用技术广泛应用于电力参数监测领域，数字式电子电力监测仪表主要是以微处理器为核心，对转化的电网参数数字信号进行运算分析，进而达到获取各重要参数的目的。数字采样技术方案相对于前两种有着明显的优势，如其功能强大，准确度高，功耗小，使用周期长等特点

13、。数字采样和处理技术的发展为仪表技术领域带来了一次重大变革，国外的许多重要生产商都将它们广泛的应用于测量领域，比较著名的仪器仪表公司如 HP、Tektronix、Advantest 等。早期设计的嵌入单片机的数字式仪表结构设计简洁，功能较多，但大多其实际的测量功能仍是由模拟电子线路完成的，单片机只是完成简单控制、数据读取、参数显示的功能，并未有参与测量数据的处理分析过程当中。随着计算机技术的快速发展，各种微处理器的出现层出不穷。DSP(Digital Signal Processor)是专用于高速数字信号处理的高速、高位微处理器。它拥有强大的计算功能，易于实现自适应信号的处理，同时它具有体积小

14、、稳定性高、可重复性等特点，自二十世纪 80 年代问世以来，经过 20 多年的迅速普及和发展，同时也随着 90 年代末数字采样技术在电力测量领域的的广泛应用，当前数字式电子电力监测仪表主要以微处理器为核心，对转换后的数字电网信号进行分析、优化，然后提供更多参数，更高精度，更多功能的的运算结果和预测。1.2.2需求分析目前,基于DSP技术和网络技术的电能质量监测技术是近几年的研究热点,国内外已经有基于此技术的设备在实际中应用。电能质量监测装置位于监测系统的终端,其负责现场数据的采集和处理,并将处理结果上传到监控中心。监测装置的监测精度和实时性是监控系统性能的基础。所以根据电能质量监测的实际需要和

15、技术的发展,未来对监测装置的具体要求可以概括为:1设备要有很好的实时性,能够快速捕捉电能质量问题；2控制和通信功能将得到加强化。监测仪表除具备一般的电量参数测量功能外，还将具备远程有线或无线的传输信号的能力，与计算机和其它仪表联网通信，并可以远程监测和控制；3系统的各个部分应该尽量模块化,以适应不同应用场合的灵活配置；4要控制监测设备的成本,以便进行大规模现场安装；5数据管理和控制将进一步向智能化发展，集计算机、信息管理、自动控制等功能于一体。1.3本课题的设计目标，要点1.3.1设计目标1总体设计电能质量监测系统的结构,完成DSP芯片选型,外围电路设计,AD模块，通信模块的设计；2三相电压、

16、电流的有效值的测量，有功功率、无功功率、功率因数等参数的计算分析；3编写DSP相关的底层驱动程序,实现AD7656的采样控制和CC2530通信；1.3.2要点及难点1针对单相断电或过零检测坏节多次触发而引起采样中断或失步等情况,加设防采样失步控制逻辑,使得AD采样的触发可选的由锁相倍频的输出保证系统能在恶劣坏境下的正常采样；2设计和实现锁相环电路,保证了系统的整周期采样；3设计了适合系统需要的模拟调理电路,其中采用了归一化方法设计的抗混叠低通滤波器,减小了FFT计算的混叠误差,提高了谐波分析的精度；4工作要求：电压电流测量误差1%，实现CC2530无线通信。1.4本文的主要内容和章节安排本文“

17、基于CC2530的电参数测量系统设计”共分五章莱尼阐述相应的理论与设计要点，设计过程。各章节主要内容和章节安排如下：第一章绪论：本章主要叙述相关的课题背景,包括课题的提出，课题的需求分析，课题在国内外的研究现状，本课题的研究目标和重点难点。第二章系统设计技术基础概述：本章首先叙述电力电能工业中对于测量及计量的技术要求，实施标准情况,然后对于相关的算法理论基础和硬件基础作了介绍,最后简单说明了相应的软件设计方法。第三章系统的硬件设计：本章主要对组成和实现功能的整个系统的各个模块的划分，组成模块硬件设备的选型分析，然后对系统的功能模块各部分实现功能和流程作详细设计,尤其是各部分的同步和协调；最后基

18、础的数据输入与处理，通信功能模块部分作了详细设计,为整个系统的调试与功能完成奠定了基础。第四章系统的软件设计：本章介绍了系统的软件总体方案，即主要功能模块的具体软件实现流程，应用汇编语言与 C 语言混合编程的方式编写了部分软件程序，并利用仿真器和对程序进行了简要的调试分析。第五章分析与小结；对全文的内容和不足之处进行了分析、总结。 第二章 系统设计技术基础概述2.1测量与计量的技术要求2.1.1信号采样同步采样法是指采样时间间隔和被测交流信号周期 及一个周期内采样点数 N 满足，同步采样法又称为等间隔周期采样。同步采样是 FFT 算法的基本条件。若采样频率与实际信号的频率没有保持相对一致，这时

19、，采样周期信号的相位在始端和终端就不会连续，那么基于 FFT 算法的谐波分析也就会产生较大误差。理想的电网信号是交变的正弦周期信号，因此从理论上来说电网参数，如电压电流有效值，或平均功率等的计算都是对一个函数在一个周期或几个周期平均值的计算。周期为T 的函数 f (t )的平均值可以表示为：。若将宽为的区间上等间隔分为 N段，均匀采样得N个数据，上式即为同步采样的理论基础，而实际应用中由于电网周期的波动，使得当以固定采样频率对电网信号采样时，N 个采样点不一定均匀分布在一个周期上，这时采样区间变成了，是同步时间误差，此时式2.11的计算结果与f(t)实际的平均值之间存在一定的偏差，为了消除这种

20、误差，一般来说有硬件和软件两方面的修正方法。（1）硬件修正同步偏差的方法要实现准确的同步采样，根本的解决办法是使采样频率准确跟踪电网频率的变化，即始终保证（其中为采样间隔），一般采用硬件锁相环路法。硬件电路锁相环法原理是由相位比较器、低通滤波器和压控振荡器三个环路部件组成的一个反馈控制系统，硬件锁相环路法的原理见图 2.1。相位比较器对输入信号和压控振荡器输出的信号进行比较，当输入信号与压控振荡器输出信号频率相同时，相位比较器的输出为零:两信号的频率和相位不同时，鉴相器的输出就产生一个误差电压，这个误差电压经过滤波环节，控制压控振荡器，然后通过分频电路控制数字采样的触发信号和加窗函数，实现对输

21、入信号频率的跟踪。 锁相环法的特点是采样频率可以实时跟踪输入信号频率，且处理器不再需要产生采样触发信号，可以专注于更复杂的数学运算处理。但硬件锁相环电路需要增加硬件电路，增加成本，使系统变得复杂，使系统更受器件和环境因素的影响，例如器件的延迟、漂移等因素都可能引入新的误差。 图 2.1 锁相法（2） 软件修正同步偏差的方法软件法原理主要是通过对采样数据进行预处理，以达到抑制同步偏差。“准同步算法”的主要特点在于不要求采样频率与信号频率严格同步，其基本原理是在采样过程中，通过适当增加采样数据量，一般为 35 个周期，然后通过数值积分公式进行迭代运算，从而求出对各次谐波量的高准确度估计；准同步采样

22、法的缺陷在于它需要多个周期的数据和每个周期增加采样点数然后进行迭代运算，它所需的数据量较多，运算量也大，对于实时性要求较高的系统不太适合。2.1.2基本电参数计算系统基本测量的参数主要包括：电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数。首要环节是对输入的电气信号进行离散化，即采样。根据被采集信号的不同，数据采集可分为直流采样和交流采样两大类。直流采样技术的精度和稳定性受外界因素的影响较大，且测量误差和体积较大、价格昂贵。交流采样技术具有计算灵活、响应快、精度高等特点，得到了广泛应用。传统的测量装置由于硬件资源与速度的限制，周期波的采样点较少，并且在算法方面有一定的限制，只能采

23、用计算量小的算法，因而达不到高的测量精度；同时，谐波分量等一些参数无法获得。为解决以上问题，本文选用TMS320F28335数字信号处理芯片为测量系统的核心，以提高三相电参数的测量速度和精度。对比分析后，系统选用交流采样，数值的计算选用快速傅立叶变换算法。将电压序列u(t)分解为基波和各次谐波分量的形式可以得到：式中 k 代表谐波的次数（k = 1 , 2 ,3 , . . . ），积分离散化后可得：经过计算得到第k 次谐波的电压的幅值、相角有效值如下；同理，也可计算出电流的幅值、相角和有效值。由于非正弦周期函数的有效值等于信号中的各次谐波的有效值的平方和的平方根，所以电压、电流总的有效值分别

24、为：电网中的有功功率一般指的是平均功率，可定义为：将u(t)和 i(t)分别用傅立叶级数表示展开，并考虑正弦函数的正交性，可得：为了计算方便，功率因数采用下式求得：结合系统采样及计算精度的需求，选用每周期每路采样 128 点，共采集4 个周期后对采集的波形进行512 点的FFT。 进行频率测量的主要算法有:(1)周期法:周期法即为零交法。通过测量信号波形相继过零点间的时间宽度来计算频率。该方法概念清晰，易于实现,其公式如下:对它的改进主要是提高实时性和测量精度。改进算法有:水平正交算法，高次修正函数法和最小二乘多项式的曲线拟和法,但这样计算量和复杂度很大。(2)解析法:通过对信号观测模型进行数

25、学变换,将待测量f或f表示为样本值的显函数来估计,但精度总体不高。(3)误差最小化原理类算法:包括最小二乘算法、最小绝对值近似法、牛顿类算法、离散卡尔曼滤波算法。(4)DFT(FFT)类算法及其改进算法。(5)正交去调制法。电压偏差的测量电压允许偏差是指电力系统电压缓慢变化时,实际电压与系统标称电压之差。通常指电压变化率小于每秒1%时实际电压值与系统标称电压之差,可用有名值或标么值表示。100式中实际电压为实际测量电压,额定电压为系统标称电压。电压变动指的是供电点电压在两个相邻的、持续一定时间的电压均方根值U1和UZ之间的差值。通常以额定电压的百分数来表示电压变动的相对百分值U,即:100系统

26、在同一方向小于30ms的快速变化不计入电压变动,小于30ms的期间内,同方向的电压均方根值的变动只算作一次变动,在单位时间内电压变动的次数称为电压变动的频度。2.2数字信号处理技术2.2.1 DSP发展概述数字信号处理(DSP,DigisignaiProeessing)是随着信息学科和计算机学院的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科,包括传统数字信号处理，现代数字信号处理，统计与自适应数字信号处理等几个部分，把信号使用数字或符号表示的序列,通过计算机或通用(专用)信号处理设备,用滤波，变换，压缩，增强，估计，识别等数值计算方法处理,从而达到提取有用信息便于应用的目的。20世纪60年代以来,随着

27、计算机技术和信息技术的进步,数字信号处理技术得到迅速的发展。20世纪70年代末到80年代初,世界上第一个数字信号处理器(DigitalSignalproeessor,简称DSP)问世,开始将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中。而后,数字信号处理器凭着其特有的灵活性、精确性、稳定性、可重复性、体积小、功耗小、易于大规模集成,特别是可编程性和易于实现自适应处理等特点,给数字信号处理带来了巨大的发展机遇,并使得信号处理手段更加灵活!功能更加复杂,其应用领域也拓展到国民经济生活的诸多方面。经过二十几年的发展,DSP器件在其速度性能以及开发软件上都得到了迅猛发展。生产DSP器件的公司数量增多并且规

28、模不断壮大,DSP厂家除TI公司外,还有美国模拟器件公司(AD)、朗讯(AT&T)、摩托罗拉(Motorola)、NEC等。尤以T1公司生产的系列DSP芯片影响力最大,应用最为广泛。TI在推出TMS3201x系列产品后,相继推出了第二代DSP芯片、第三代芯片.C3x、第四代DSP芯片.C4x、第五代DSP芯片,Csx/C54x、第二代DSP芯片的改进型。CZxx集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片以及目前速度最快的第六代DSP芯片C62x/67x等。由于不同层次的需要,DSP器件朝着两个方向分化,一是专用型,即一种芯片仅完成一种算法,其运算是用硬件直接实现的,内部结构规则简单,运算速度高于

29、通用的DSP,缺点是灵活性差,几乎都是定点型的,精度和动态范围有限,需要较多外围控制器件和严格的时钟同步信号,并且专用DSP几乎不具备自适应处理能力,这类芯片多出现在一些消费类电子行业等专用领域；二是通用型,这类芯片具有较丰富的硬件接口和很强的可编程性,其运算和处理是用“软件”实现的,适用于开发与研究我们平常采用的DSP是指通用型DSP。2.2.2 DSP芯片特点及基本结构根据数字信号处理的要求,DSP一般具有如下特点:(1)在一个指令周期内,可完成一次乘法和一次加法；(2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据；(3)片内具有快速RAM,通常可以通过独立的数据总线,在两块芯片中同时访问；

30、(4)具有低开销或无开销的循环及跳转的硬件支持；(5)具有快速的中断处理和硬件1/0接口支持；(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；(7)可以并行执行多个操作；(8)支持流水线操作,取指、译码、取操作数和执行等操作可以重叠执行；DSP具有以下基本结构:(1)哈佛结构。传统的冯诺依曼结构的数据总线和指令总线是公用的,因而在高速运算时在传输通道上会出现瓶颈现象。而采用哈佛结构的DSP芯片片内至少有4套总线:程序的地址总线与数据总线,数据的地址总线与数据总线。由于这种结构的程序总线和数据总线分离,因而可以在一个机器周期内同时获取程序存储器内的指令字和数据存储器内的操作数,从而提高了执行速度。

31、流水线操作：DSP芯片的哈佛结构就是为实现流水线技术而设计的。采用流水线技术可使DSP芯片单周期完成乘法累加运算,极大地提高了运算速度从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理2-4条指令,每条指令处于流水线的不同阶段。(2)专用的硬件乘法器。数字信号处理中最基本的一个运算是乘法累加运算,也是最重要和最耗时的运算,为了提高芯片的运算速度,必须大幅度降低乘法运算的时间。于是在DSP芯片中设计了硬件乘法器,并且运算所需时间最短,仅为一个机器周期。这种单周期的硬件乘法器是DSP芯片实现高速运算的有力保证。(3)多总线结构。许多DSP内部都采用了多总线结构,这样保证在一个周期内,可以同时访问数据数

32、据和程序存储空间,因此可以解决传统芯片的总线冲突问题,是系统的速度和效率大大提高。(4)特殊的DSP指令。为了更好地满足数字信号处理应用的需要,在DSP系统中,设计了一些特殊的DSP指令,以完成一些专门的运算。例如C54xDSP的FIRS指令,专门用于FIR(有限脉冲响应)滤波运算。(5)快速的指令周期。哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令,再加上集成电路的优化设计,可使DSP的指令周期在50ns以下,现在高性能的DSP指令周期可以达到5ns。2.3无线通信Zigbee技术ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。它是一种介于无线标记技术与蓝牙之间的技术提案，此前

33、被称作HomeRF Lite或FireFly无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，是通过数千个微小的传感器之间相互协调来实现通信的。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以通信效率非常高。而这些数据就可以进入计算机用于分析，或者被另外一种无线技术如WiMax收集。ZigBee是一个由可多达65 000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，十分类似现有移动通信的CDMA网或GSM网。其中每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75 m，到

34、扩展后的几百米，甚至几公里。另外，整个ZigBee网络还可以与现有的其他各种网络链接。例如，可以通过互联网在北京监控云南某地的一个ZigBee控制网络。 不同的是，ZigBee网络主要为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要为语音通信而建立。每个移动基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象连接，例如与传感器连接直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，与多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点(RFD)无

35、线连接。每个ZiBee网络节点(FFD和RFD)可支持多达31个的传感器和受控设备，并且每一个传感器和受控设备还可以有8种不同的接日方式。另外，ZigBee可以采集和传输数字量和模拟量。ZigBee有如下方面的特点：可靠:采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突;节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。时延短:针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。通常时延都在1530 ms之间。网络容量大:可支持高达65 000个节点。安全:ZigB

36、ee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES一1280。高保密性:采用64位出厂编号，并支持AES一128加密。数据传输速率低:只有10250 KB/s,专注于低传输应用。功耗低:在低功耗待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者一直引以为自豪的独特优势。成本低:因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，且ZigBee协议免收专利费，所以大大降低了成本。优良的网络拓扑能力:ZigBee设备具有无线网络自愈能力，ZigBee具有星、树和网状网络结构的能力，因此通过ZigBee无线网络拓扑能简单地覆盖广阔范围。有效

37、范围大:有效覆盖范围为1075 m(通过功放可在低功耗条件实现1 000 m以上的通信距离)，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公室环境。工作频段灵活:使用的频段分别为2. 4 CGHz(全球),868 MHz(欧洲)及915 MHz(美国），均为免执照频段。 第三章 系统的硬件设计3.1 系统硬件总体方案系统采用TMS320F28335 DSP为控制处理核心，霍尔电流、电压传感器对电力系统进行实时采集,将采集到的信号通过以AD7656为核心的数模转换模块进行处理然后传送的DSP中，利用采集的电流、电压瞬时值通过数据处理计算出电能相关参数。为了使系统

38、具有无线通信功能,在设计中采用CC2530芯片,可以及时把现场采集的电能相关参数通过ZIGBEE协议以无线通信的形式传送到上位机从而实现对电能实时监控和管理。系统的总体框图如图3.1所示。 图3.1 系统整体框图3.2信号调理电路设计 交流电压变送器以05 V的交流电压作为输出信号。因AD7656的外部基准输入信号范围为03 V因此必须添加合适的调理电路以满足A/D输入的要求。交流电压调理电路见图3.2，由图可知该电路由3部分组成：第1部分为射极跟随器以提高电路的输入阻抗：第2部分是电压偏移电路：第3部分为箝位限幅电路，以保证输出电压信号在2.53 V，满足A/D输入信号范围。图3.2 交流电

39、压信号调理电路相电流调理电路如图3.3所示，该电路采用了运算放大器加电压跟随器的方式，电压跟随器起到了隔离作用，以便在A/D入口前进行阻抗匹配。在A/D入口端采用二极管钳位，防止A/D输入电压越界。来自检测通道的电流互感器的电流号经运算放大器转换为电压信号后经电压平移后将交流量信号转换为2.5-3.3V的单极性电压信号接入A/D通道引脚。图3.3 电流信号调理电路3.3 抗混叠滤波测量装置在进行数模转换之前,需要对模拟信号进行抗混叠滤波,滤除高于二分之一采样频率的谐波成分,防止采样信号的频谱混叠。根据电能质量公用电网谐波(GB/T14594一1993)的规定:“测量的谐波次数一般为第2到第10

40、次”；“A级仪器频率测量范围为0-25OOHz”,本装置所设计的滤波器以A级仪器频率测量范围作为设计标准。电能质量装置要求抗混叠低通滤波器有很好的平坦通带幅值响应。常用的抗混叠滤波器有巴特沃斯、贝赛尔和切比雪夫等滤波器。巴特沃斯滤波器的通频带幅值响应最为平坦，但高于截止频率的衰减度较小，且相位线性度差;贝赛尔滤波器的相位线性度最好，高于截止频率的衰减度最小，通频带幅值响应差；而切比雪夫滤波器在高于截止频率时有着最大的衰减度，但其线性度最差，且在通带范围内会发生谐振现象。综合各方面的因素，本设计选用巴特沃斯滤波器。为了克服巴特沃斯滤波器“高于截止频率的衰减度差”的缺点，采用四阶滤波器，提高衰减度

41、。为了保证50次以内的谐波分量不被滤掉，通带幅值平坦范围为0-2500Hz设计中取一定的余量，取通带边界频率为。由于采样率是25.6KHz，阻带边界频率理论为12.8kHz，减小高频分量对FFT计算的影响。采用归一化方法设计该低通滤波器，归一化低通滤波器原理图及其频率响应曲线如下图3.4所示。 图3.4 滤波电路3.4过零检测电路如图3.5所示,过零检测电路是以电压比较器MAX474为核心的电路。电路中,Vo1是来自信号调理环节的一相电压信号,Vo2为同相位的方波信号。该电路在输入信号由正到负的过零时,电路输出高电平；当输入信号经过由负到正的过零时,电路输出低电平,实现将电网正弦信号整形成同相

42、位的方波信号。过零检测电路的输出信号位5V,为了匹配AD7656和DSP的电平,信号需要一个光耦隔离作为缓冲。将过零检测电路输出的方波引入到DSP的eCAP模块对电网频率进行测量,同时将其引入锁相倍频环节,实现锁相倍频电路的触发。 图3.5 过零检测电路3.5 倍频锁相电路锁相环电路主要由相位比较器PC、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO3部分组成。本文中锁相芯片选用CD4046芯片,它是一款通用CMOS锁相环集成电路,具有电源电压范同宽、输入阻抗高、动态功耗小等特点。以CD4046为核心的锁相电路对过零检测的输出信号Vo2进行自动跟踪,锁相倍频电路如图3.6。锁相倍频电路中,K计数器相当于l

43、/K分频器。当锁相环锁定时,计数器输出信号的频率(CD4040的管脚12)和锁相环的输入信号(CD4046的管脚3)的频率相等,于是在计数器的输入端(CD404O的管脚10)得到倍频输出信号。如图3.6所示,将CD4040的12引脚和CD4046的锁相环输入端管脚3相连,形成512次倍频电路。 图3.6 倍频锁相电路3.6数模转换模块设计作为整个系统的核心器件之一，A/D 模数转换器件的选择是决定整个系统精度和性能的重要因素之一，同时在前面的介绍中我们也可以知道，并不是采样频率越高越好，也要从整个系统的协调性方面综合考虑。作为分辨率方面的考虑，因为转换器件存在固有的偏移误差、增益误差、非线性误

44、差等，而且要考虑外界噪声的干扰，整个系统的精度要求为0.1%，16 位的 A/D 换器可以满足整个系统的精度要求。另外从采样频率考虑，由采样定理我们知道采样频率应至少是原始信号频谱最高频率的 2 倍，这时才有可能从采样信号恢复到原始信号，在具体的工程实践时，我们将采样频率取为原始信号最高频率的 510 倍。最后也要从采样通路的数目上考虑，参照各种型号的 A/D 转换器件的价格，选择AD7656高性能六路16位A/D采集芯片。AD7656的特点如下：6个独立ADC真双极性模拟输入引脚/软件可选范围:士70V、士5V高吞吐速率:250 k5P5，COMS工艺技术低功耗 740 mW(250 kSP

45、S, 5 V电源)宽输入带宽 信噪比(SNR):86.5 dB(50 kHz输入频率)片内基准电压源及缓冲器并行、串行和菊花链接口模式高速串行接口 SPI-/QSPIT-/MICROWIRET-/DSP兼容待机模式:700 NW(最大值)64引脚LQFP封装AD7656为高速、低功耗转换器，允许对六个片上ADC进行同步采样，其模拟输入可以接受真双极性输入信号。可通过RANGE引脚或RNG bits，选择4 VREF或2 VREF作为下一次转换的输入范围。每个AD7656均内置六个SAR ADC、六个采样保持放大器、一个2.5V片上基准电压源、基准电压缓冲器和高速串行并行接口。三个CONVST信

46、号全部连在一起时，允许对所有六个ADC进行同步采样。AD7656的采样保持放大器可以将满量程幅度的输入正弦波分别精确地转换成16分辨率。即AD7656以最大吞吐速率工作，采样保持放大器的输入带宽也大于ADC的奈奎斯特频率。这些器件可支持高达12 MHz的输入频率。AD7656的高压模拟输入结构需要VDD和VSS双电源。这些电源必须等于或大于模拟输入。AD7656需要一个4.75V至5.25V的低压AVCC电源给ADC核心供电，一个4.75 V至5.25 V的DVCC电源作为数字电源以及一个2.7 V至5.25 V的VDRIVE电源作为接口电源。AD7656可以接受2.5V至3V范围内的外部基准

47、电压。 图 3.7 AD7656接线图3.7数字信号处理模块设计3.7.1 芯片特点TMS320F28335数字信号处理器是Tl公司的一款TMS320F28x系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比,该器件的精度高,成本低,功耗小,性能高,外设集成度高,将各种通信协议集成在片内,比如将CAN总线的物理层和数据链路层都集成在片内,在硬件上,只要加个一个收发器即可实现通信;还配置了丰富的外设,兼备了较强的运算能力和控制、通信功能；数据以及程序存储量大,A/D转换更精确快速等。它采用哈佛流水线结构,保证程序数据的高速传输,能够快速执行中断响应.并具有统一的内存管理模式,可用C/C+语言实现复杂的数学算法;其性能指标较TMS32OF28X系列的其他型号有很大的提高,