電能參數(shù)計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)

趙志衡，黃 棣，王立欣，高月龍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系，黑龍江哈爾濱150001)

本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式電能參數(shù)計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，用于“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”和“電能變換與電能質(zhì)量控制技術(shù)”課程的教學(xué)。該平臺(tái)以DSP為核心，實(shí)現(xiàn)對三相交流電參數(shù)的測量、分析和顯示，同時(shí)具有參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，以改變回路中的阻抗參數(shù)。利用該教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可以掌握利用CCS開發(fā)環(huán)境調(diào)試DSP的方法;可以促進(jìn)C語言及匯編語言的學(xué)習(xí);可以提高DSP的編程能力，掌握以DSP為核心的硬件設(shè)計(jì)方法及有關(guān)電參數(shù)的軟件算法。通過一系列的實(shí)驗(yàn)，可以促進(jìn)學(xué)生對于所修相關(guān)各門課程知識(shí)的掌握。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體框圖及工作原理

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由電能參數(shù)分析模塊和阻抗參數(shù)調(diào)節(jié)模塊組成，可以連接上位機(jī)進(jìn)行在線調(diào)試，也可以實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該平臺(tái)具有對三相交流電參數(shù):電壓、電流和頻率進(jìn)行測量，對有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)和電能分析計(jì)算及顯示等功能。調(diào)試單元主要由仿真器構(gòu)成，學(xué)生可以利用調(diào)試單元，調(diào)試自己編寫的DSP程序，對電能參數(shù)進(jìn)行測量與計(jì)算，并可將程序計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。電能參數(shù)分析模塊硬件部分包括預(yù)處理單元、DSP核心處理單元、鍵盤和液晶等;阻抗參數(shù)調(diào)節(jié)模塊包括三相負(fù)載、空氣開關(guān)、三相變壓器以及散熱裝置等，可產(chǎn)生兩種類型不同的阻抗。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

對圖1所示的系統(tǒng)上電后，由DSP向阻抗參數(shù)調(diào)節(jié)模塊發(fā)出控制信號，通過對負(fù)載元件的投切改變阻抗特性。三相電壓和電流信號經(jīng)由信號變換電路(電壓、電流互感器組)和信號調(diào)理電路處理后由采樣電路進(jìn)行同步采樣和轉(zhuǎn)換，然后送入DSP進(jìn)行處理和計(jì)算，并將實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果顯示出來［3-4]。

1.2 電能參數(shù)分析模塊

電能參數(shù)分析模塊主要由互感器組、電力信號采集模塊、DSP核心處理單元和輸入輸出單元組成。

三組電壓互感器、電流互感器實(shí)現(xiàn)對三相電壓、電流信號的范圍進(jìn)行變換，構(gòu)成信號變換電路。電力信號采集模塊由信號調(diào)理電路以及過零比較電路組成。信號調(diào)理電路利用放大電路將互感器輸出的電信號進(jìn)行放大濾波，使其達(dá)到采樣芯片所允許電壓范圍，從而充分利用采樣芯片的精度。過零比較電路將A相電壓信號變換為方波脈沖，并將其送入DSP捕獲單元中，捕獲單元會(huì)對方波的上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，再由相應(yīng)計(jì)算單元得到輸入電壓信號的頻率。

DSP核心處理單元主要實(shí)現(xiàn)信號的采集與計(jì)算，以及對輸入輸出設(shè)備的控制，是整個(gè)開發(fā)平臺(tái)的關(guān)鍵部分。該單元以TI公司的TMS320F2812為核心，配有采樣芯片AD7656，可以實(shí)現(xiàn)6通道同步采樣，從而使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。此外，該單元設(shè)置了外部存儲(chǔ)器SDRAM，預(yù)留了JTAG接口以及復(fù)位電路。實(shí)現(xiàn)的算法包括:三相電壓、電流有效值的計(jì)算，有功功率、無功功率及功率因數(shù)的計(jì)算，諧波的計(jì)算等。

1.3 阻抗參數(shù)調(diào)節(jié)模塊

為方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)了阻抗參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，DSP可控制接觸器的通斷實(shí)現(xiàn)對負(fù)載元件的投切，獲得R-C和R-L兩種工況，從而改變相關(guān)電能參數(shù)，如功率因數(shù)和輸出電流等。然后利用開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行測量、分析和顯示。籍此可以加深學(xué)生對于阻抗參數(shù)對電能參數(shù)影響規(guī)律的認(rèn)識(shí)。所設(shè)計(jì)的阻抗調(diào)節(jié)模塊的原理圖如圖2所示。

圖2 阻抗參數(shù)調(diào)節(jié)模塊原理圖

為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的安全性和穩(wěn)定性，采取了相應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)。電流測量回路選用穿心式電流互感器，通過磁耦合方式測量一次電流，將一次側(cè)電網(wǎng)與二次側(cè)設(shè)備隔離開來，起到了保護(hù)作用。DSP對負(fù)載元件的投切是一個(gè)弱電控制強(qiáng)電的過程，為提高驅(qū)動(dòng)能力，引入了繼電器和交流接觸器，并通過光耦隔離電路將數(shù)字電路與功率電路隔離開來，以提高抗干擾能力。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的軟件部分由主程序和采樣、測頻、數(shù)據(jù)處理、輸出顯示及鍵盤控制等若干子程序組成。軟件程序的編寫是由C語言結(jié)合匯編語言實(shí)現(xiàn)的，利用CCS(Code Composer Studio)開發(fā)環(huán)境進(jìn)行在線調(diào)試，調(diào)試成功的程序可以通過編程工具燒寫到DSP中，最終實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用定時(shí)采樣，為保證每個(gè)工頻周期內(nèi)采樣128個(gè)點(diǎn)，由定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷。在中斷服務(wù)程序中對6通道信號(三相電壓、電流信號)進(jìn)行同步采樣。每采樣一個(gè)工頻周期后，對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在程序中定義了6個(gè)數(shù)組來保存采樣結(jié)果，每次采樣完一個(gè)工頻周期的電壓、電流信號后，將采樣值轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)值，再計(jì)算電壓、電流的有效值以及功率、功率因數(shù)和電能等其他參數(shù)。在計(jì)算期間停止采樣，計(jì)算完畢后重新開始采樣。最后將實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果通過液晶顯示出來。其主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3 基于該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由電能參數(shù)分析模塊和阻抗參數(shù)調(diào)節(jié)模塊組成。其中，電能參數(shù)分析模塊的內(nèi)部構(gòu)成如圖4所示，包括DSP核心處理單元、信號變換及采集單元、鍵盤、液晶以及仿真器，通過仿真器與上位機(jī)相連，進(jìn)行在線調(diào)試。

圖4 電能參數(shù)分析模塊結(jié)構(gòu)圖

基于該平臺(tái)所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

表1 主要實(shí)驗(yàn)列表

該平臺(tái)所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是基于以下考慮，通過實(shí)驗(yàn)1-3，掌握CCS軟件開發(fā)環(huán)境的使用，并熟悉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)以及啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)程序的編寫。實(shí)驗(yàn)4-6是DSP對外設(shè)的控制實(shí)驗(yàn)，加深對DSP的硬件擴(kuò)展電路的掌握。實(shí)驗(yàn)7、8是算法程序?qū)嶒?yàn)，利用DSP實(shí)現(xiàn)一些數(shù)學(xué)運(yùn)算，體驗(yàn)用DSP進(jìn)行數(shù)字處理的優(yōu)勢。實(shí)踐9、10最后兩個(gè)實(shí)驗(yàn)屬于綜合實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生在很好地掌握了前8個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以嘗試完成電能參數(shù)的計(jì)算，包括計(jì)算三相電壓、電流的有效值，有功功率、無功功率的有效值、功率因數(shù)以及一定時(shí)間內(nèi)的電能等，并將計(jì)算結(jié)果通過液晶顯示出來，從而對電能參數(shù)計(jì)算與分析的整個(gè)過程有一個(gè)全面的了解。同時(shí)也熟悉了DSP的編程、調(diào)試過程，掌握利用DSP實(shí)現(xiàn)電能參數(shù)分析的基本原理和步驟。

此外，學(xué)生還可利用該平臺(tái)自行設(shè)計(jì)和完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如C語言和匯編語言的編程實(shí)驗(yàn);中斷實(shí)驗(yàn);A/D和D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn);DSP數(shù)據(jù)存取實(shí)驗(yàn);指示燈實(shí)驗(yàn);正弦波的采樣實(shí)驗(yàn);異步串口通信實(shí)驗(yàn);CAN接口通訊實(shí)驗(yàn);卷積算法實(shí)驗(yàn)等等。學(xué)生需要運(yùn)用“電路原理”(電壓電流有效值、有功功率、無功功率、電能、功率因數(shù)等物理量的計(jì)算)，“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”(基于DSP的硬件設(shè)計(jì)、DSP的初始化及調(diào)試等)，“C語言設(shè)計(jì)”(各計(jì)算程序的編寫)以及“數(shù)字信號處理”(諧波分析中FFT算法)等多門課程知識(shí)，綜合運(yùn)用才能完成全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

下面給出模擬量輸入模塊編程實(shí)驗(yàn)。計(jì)算電能參數(shù)、評估電能質(zhì)量的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確無誤地采集電信號。該實(shí)驗(yàn)是通過編程設(shè)置、控制采樣芯片，完成對三相電壓和電流信號的采樣。采樣周期內(nèi)的程序流程如圖5所示。

圖5 采樣周期的程序流程圖

4 結(jié)語

為了對電能質(zhì)量監(jiān)測和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才的培養(yǎng)，本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式電能參數(shù)計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過基于該平臺(tái)的若干實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更好的掌握以DSP為核心的嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方法，有助于更好的理解電能質(zhì)量參數(shù)測量及計(jì)算方法，并可以促進(jìn)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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