基于CC2530的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、南 京 工 程 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)題 目：基于cc2530的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 評(píng)閱者： 20 13 年 5 月 南 京摘要：越來(lái)越多非線性負(fù)荷和沖擊性負(fù)荷的投運(yùn)使得電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題日益加重,同時(shí)越來(lái)越多的用戶使用基于微處理器和計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化設(shè)備,這些設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量敏感,對(duì)電能質(zhì)量要求更加嚴(yán)格,使得電能質(zhì)量問題成為供用電雙方關(guān)注的焦點(diǎn)作為電能質(zhì)量問題定量衡量和鑒定手段的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)成為大家迫切研究的領(lǐng)域。本課題的目標(biāo)是開發(fā)一種具有可編程、同步測(cè)量與分析計(jì)算、無(wú)線通信等功能三相電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中的三相電壓、電流、頻率、功率及功率因數(shù)等基本電能參

2、量，為電能質(zhì)量分析提供方便。核心dsp 芯片采用ti公司的tms320f28335，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為ad7656，zigbee無(wú)線通信芯片為cc2530。本系統(tǒng)具有采樣頻率高、同步實(shí)時(shí)處理速度快、集成度高、成本低廉等特點(diǎn) ，另外所采用的通信方式是近些年發(fā)展迅速的zigbee也是一個(gè)特色。關(guān)鍵詞：tms320f28335，ad7656，cc2530，zigbee無(wú)線通信abstract：more and more non-linear loads and shock loads put into operation makes the power system power quality prob

3、lems 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 quality problems as a quan

4、titative 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 electrical parameter meas

5、urement 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, zigbee wireless com

6、munication 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，cc2530,zigbee第一章 緒論51

7、.1課題背景51.2電信號(hào)測(cè)量發(fā)展與需求分析61.2.1 發(fā)展歷程61.2.2需求分析71.3本課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)，要點(diǎn)71.3.1設(shè)計(jì)目標(biāo)71.3.2要點(diǎn)及難點(diǎn)71.4本文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排8第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)概述92.1測(cè)量與計(jì)量的技術(shù)要求92.1.1信號(hào)采樣92.1.2基本電參數(shù)計(jì)算102.2數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)132.2.1 dsp發(fā)展概述132.2.2 dsp芯片特點(diǎn)及基本結(jié)構(gòu)142.3無(wú)線通信zigbee技術(shù)15第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)173.1 系統(tǒng)硬件總體方案173.2信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)173.3 抗混疊濾波193.4過零檢測(cè)電路203.5 倍頻鎖相電路203.6數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)2

8、13.7數(shù)字信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)233.7.1 芯片特點(diǎn)233.7.2 dsp的軟硬件資源243.7.3 dsp最小系統(tǒng)25第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)294.1 dsp軟件及主程序294.2 ad7656 中斷子程序314.3 通信模塊程序31第五章 分析與小結(jié)33附錄：35參考文獻(xiàn)：39 第一章 緒論1.1課題背景 隨著我國(guó)電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電能質(zhì)量對(duì)于電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保證工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行以及降低能耗等均有重要意義。為了改善這一狀況，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行完整分析和監(jiān)測(cè)，成為檢測(cè)技術(shù)的重要方向。準(zhǔn)確、完整地進(jìn)行電力參數(shù)的測(cè)量和分析是成功的關(guān)鍵，因此電網(wǎng)質(zhì)量的問題成為關(guān)鍵，電力參數(shù)的分析

9、和監(jiān)測(cè)已成為國(guó)際上討論和研究的重點(diǎn) 。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)作為電能質(zhì)量監(jiān)控的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),在電力系統(tǒng)運(yùn)行管理和技術(shù)監(jiān)督中起著重要的作用,同時(shí)也是保證電力系統(tǒng)良好供電質(zhì)量的必要手段,研發(fā)功能強(qiáng)大的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),使之能詳細(xì)記錄電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電能質(zhì)量指標(biāo),監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量污染源,從而為電網(wǎng)電能質(zhì)量的治理和改善提供依據(jù),對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全,經(jīng)濟(jì)及穩(wěn)定運(yùn)行有重要的意義。在電能質(zhì)量問題不斷加重和用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高情況下,提高電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)水平有重要意義,一般認(rèn)為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的目的有:1分析電力系統(tǒng)的性能:通過監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量,使電力管理部門了解電力系統(tǒng)運(yùn)行的總體狀態(tài),分析電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的

10、水平和問題所在,從而為電力系統(tǒng)以后的規(guī)劃布局和運(yùn)營(yíng)調(diào)度提供依據(jù)；2根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析各種特性的電力負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的影響,有針對(duì)性的對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行治理,根據(jù)實(shí)際情況加裝各種改善電能質(zhì)量的裝置；3為供用電雙方的爭(zhēng)端提供裁決的數(shù)據(jù)依據(jù)，精確的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè),可以找出引起電能質(zhì)量問題的原因,從而根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果找到提高電能質(zhì)量的方法和應(yīng)對(duì)措施,并確定相關(guān)的治理責(zé)任方。對(duì)電能質(zhì)量的準(zhǔn)確測(cè)量是治理與改善電能質(zhì)量的基礎(chǔ)，依托通信技術(shù),建立能夠?qū)崟r(shí)共享各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)平臺(tái),為電力系統(tǒng)的規(guī)劃決策提供依據(jù),同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的總體電能質(zhì)量狀況對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)和調(diào)度。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)對(duì)電網(wǎng)的安全、可

11、靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重大意義。1.2電信號(hào)測(cè)量發(fā)展與需求分析1.2.1 發(fā)展歷程電力監(jiān)測(cè)儀表或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展主要分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段是早期的機(jī)械式儀表。它們通常利用電磁感應(yīng)和機(jī)械原理，采用指針式結(jié)構(gòu)對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。由于電磁感應(yīng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，在測(cè)量電力參數(shù)精度和準(zhǔn)確性方面還有很大局限性，但也由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便耐用、價(jià)格低廉，在一些簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域仍有廣泛使用。第二階段是模擬電子技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了電參數(shù)測(cè)量的變革。從 20 世紀(jì) 70 年代以后，電力監(jiān)測(cè)儀表廣泛開始采用模擬電子電路設(shè)計(jì)方案。這種采用可以直觀反映電參量關(guān)系原理設(shè)計(jì)的電子儀表比機(jī)械式監(jiān)測(cè)儀表在穩(wěn)定性和精度方面有了

12、很大進(jìn)步。特別是 80 年代初期大規(guī)模集成電路的發(fā)展，更是促進(jìn)了電子儀表的飛躍。例如 1976 年，日本就曾采用時(shí)分割乘法器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高精度電子式電能測(cè)量?jī)x。但應(yīng)用模擬電子技術(shù)設(shè)計(jì)的電子儀表也有其不足之處，如其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)器件要求較高，而且可測(cè)參數(shù)較少，功能有限，這些都限制了模擬電子儀表的進(jìn)一步發(fā)展。第三階段是數(shù)字采用技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力參數(shù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，數(shù)字式電子電力監(jiān)測(cè)儀表主要是以微處理器為核心，對(duì)轉(zhuǎn)化的電網(wǎng)參數(shù)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算分析，進(jìn)而達(dá)到獲取各重要參數(shù)的目的。數(shù)字采樣技術(shù)方案相對(duì)于前兩種有著明顯的優(yōu)勢(shì)，如其功能強(qiáng)大，準(zhǔn)確度高，功耗小，使用周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。數(shù)字采樣和處理技術(shù)的發(fā)展為儀表技術(shù)領(lǐng)域帶

13、來(lái)了一次重大變革，國(guó)外的許多重要生產(chǎn)商都將它們廣泛的應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域，比較著名的儀器儀表公司如 hp、tektronix、advantest 等。早期設(shè)計(jì)的嵌入單片機(jī)的數(shù)字式儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，功能較多，但大多其實(shí)際的測(cè)量功能仍是由模擬電子線路完成的，單片機(jī)只是完成簡(jiǎn)單控制、數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)顯示的功能，并未有參與測(cè)量數(shù)據(jù)的處理分析過程當(dāng)中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，各種微處理器的出現(xiàn)層出不窮。dsp(digital signal processor)是專用于高速數(shù)字信號(hào)處理的高速、高位微處理器。它擁有強(qiáng)大的計(jì)算功能，易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)信號(hào)的處理，同時(shí)它具有體積小、穩(wěn)定性高、可重復(fù)性等特點(diǎn)，自二十世紀(jì) 8

14、0 年代問世以來(lái)，經(jīng)過 20 多年的迅速普及和發(fā)展，同時(shí)也隨著 90 年代末數(shù)字采樣技術(shù)在電力測(cè)量領(lǐng)域的的廣泛應(yīng)用，當(dāng)前數(shù)字式電子電力監(jiān)測(cè)儀表主要以微處理器為核心，對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行分析、優(yōu)化，然后提供更多參數(shù)，更高精度，更多功能的的運(yùn)算結(jié)果和預(yù)測(cè)。1.2.2需求分析目前,基于dsp技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)是近幾年的研究熱點(diǎn),國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有基于此技術(shù)的設(shè)備在實(shí)際中應(yīng)用。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置位于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端,其負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和處理,并將處理結(jié)果上傳到監(jiān)控中心。監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)精度和實(shí)時(shí)性是監(jiān)控系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。所以根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要和技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的具體要求可以概

15、括為:1設(shè)備要有很好的實(shí)時(shí)性,能夠快速捕捉電能質(zhì)量問題；2控制和通信功能將得到加強(qiáng)化。監(jiān)測(cè)儀表除具備一般的電量參數(shù)測(cè)量功能外，還將具備遠(yuǎn)程有線或無(wú)線的傳輸信號(hào)的能力，與計(jì)算機(jī)和其它儀表聯(lián)網(wǎng)通信，并可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制；3系統(tǒng)的各個(gè)部分應(yīng)該盡量模塊化,以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合的靈活配置；4要控制監(jiān)測(cè)設(shè)備的成本,以便進(jìn)行大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)安裝；5數(shù)據(jù)管理和控制將進(jìn)一步向智能化發(fā)展，集計(jì)算機(jī)、信息管理、自動(dòng)控制等功能于一體。1.3本課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)，要點(diǎn)1.3.1設(shè)計(jì)目標(biāo)1總體設(shè)計(jì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),完成dsp芯片選型,外圍電路設(shè)計(jì),ad模塊，通信模塊的設(shè)計(jì)；2三相電壓、電流的有效值的測(cè)量，有功功率、無(wú)功功率、功

16、率因數(shù)等參數(shù)的計(jì)算分析；3編寫dsp相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)ad7656的采樣控制和cc2530通信；1.3.2要點(diǎn)及難點(diǎn)1針對(duì)單相斷電或過零檢測(cè)壞節(jié)多次觸發(fā)而引起采樣中斷或失步等情況,加設(shè)防采樣失步控制邏輯,使得ad采樣的觸發(fā)可選的由鎖相倍頻的輸出保證系統(tǒng)能在惡劣壞境下的正常采樣；2設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)電路,保證了系統(tǒng)的整周期采樣；3設(shè)計(jì)了適合系統(tǒng)需要的模擬調(diào)理電路,其中采用了歸一化方法設(shè)計(jì)的抗混疊低通濾波器,減小了fft計(jì)算的混疊誤差,提高了諧波分析的精度；4工作要求：電壓電流測(cè)量誤差1%，實(shí)現(xiàn)cc2530無(wú)線通信。1.4本文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排本文“基于cc2530的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)”共分

17、五章萊尼闡述相應(yīng)的理論與設(shè)計(jì)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)過程。各章節(jié)主要內(nèi)容和章節(jié)安排如下：第一章緒論：本章主要敘述相關(guān)的課題背景,包括課題的提出，課題的需求分析，課題在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本課題的研究目標(biāo)和重點(diǎn)難點(diǎn)。第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)概述：本章首先敘述電力電能工業(yè)中對(duì)于測(cè)量及計(jì)量的技術(shù)要求，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)情況,然后對(duì)于相關(guān)的算法理論基礎(chǔ)和硬件基礎(chǔ)作了介紹,最后簡(jiǎn)單說明了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)方法。第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)：本章主要對(duì)組成和實(shí)現(xiàn)功能的整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)模塊的劃分，組成模塊硬件設(shè)備的選型分析，然后對(duì)系統(tǒng)的功能模塊各部分實(shí)現(xiàn)功能和流程作詳細(xì)設(shè)計(jì),尤其是各部分的同步和協(xié)調(diào)；最后基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)輸入與處理，通信功能模塊部分作了詳

18、細(xì)設(shè)計(jì),為整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試與功能完成奠定了基礎(chǔ)。第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)：本章介紹了系統(tǒng)的軟件總體方案，即主要功能模塊的具體軟件實(shí)現(xiàn)流程，應(yīng)用匯編語(yǔ)言與 c 語(yǔ)言混合編程的方式編寫了部分軟件程序，并利用仿真器和對(duì)程序進(jìn)行了簡(jiǎn)要的調(diào)試分析。第五章分析與小結(jié)；對(duì)全文的內(nèi)容和不足之處進(jìn)行了分析、總結(jié)。 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)概述2.1測(cè)量與計(jì)量的技術(shù)要求2.1.1信號(hào)采樣同步采樣法是指采樣時(shí)間間隔和被測(cè)交流信號(hào)周期 及一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) n 滿足，同步采樣法又稱為等間隔周期采樣。同步采樣是 fft 算法的基本條件。若采樣頻率與實(shí)際信號(hào)的頻率沒有保持相對(duì)一致，這時(shí)，采樣周期信號(hào)的相位在始端和終端就不會(huì)連續(xù)

19、，那么基于 fft 算法的諧波分析也就會(huì)產(chǎn)生較大誤差。理想的電網(wǎng)信號(hào)是交變的正弦周期信號(hào)，因此從理論上來(lái)說電網(wǎng)參數(shù)，如電壓電流有效值，或平均功率等的計(jì)算都是對(duì)一個(gè)函數(shù)在一個(gè)周期或幾個(gè)周期平均值的計(jì)算。周期為t 的函數(shù) f (t )的平均值可以表示為：。若將寬為的區(qū)間上等間隔分為 n段，均勻采樣得n個(gè)數(shù)據(jù)，上式即為同步采樣的理論基礎(chǔ)，而實(shí)際應(yīng)用中由于電網(wǎng)周期的波動(dòng)，使得當(dāng)以固定采樣頻率對(duì)電網(wǎng)信號(hào)采樣時(shí)，n 個(gè)采樣點(diǎn)不一定均勻分布在一個(gè)周期上，這時(shí)采樣區(qū)間變成了，是同步時(shí)間誤差，此時(shí)式2.11的計(jì)算結(jié)果與f(t)實(shí)際的平均值之間存在一定的偏差，為了消除這種誤差，一般來(lái)說有硬件和軟件兩方面的修正方法

20、。（1）硬件修正同步偏差的方法要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的同步采樣，根本的解決辦法是使采樣頻率準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，即始終保證（其中為采樣間隔），一般采用硬件鎖相環(huán)路法。硬件電路鎖相環(huán)法原理是由相位比較器、低通濾波器和壓控振蕩器三個(gè)環(huán)路部件組成的一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，硬件鎖相環(huán)路法的原理見圖 2.1。相位比較器對(duì)輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出的信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)頻率相同時(shí)，相位比較器的輸出為零:兩信號(hào)的頻率和相位不同時(shí)，鑒相器的輸出就產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓，這個(gè)誤差電壓經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)，控制壓控振蕩器，然后通過分頻電路控制數(shù)字采樣的觸發(fā)信號(hào)和加窗函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)頻率的跟蹤。 鎖相環(huán)法的特點(diǎn)是采樣頻

21、率可以實(shí)時(shí)跟蹤輸入信號(hào)頻率，且處理器不再需要產(chǎn)生采樣觸發(fā)信號(hào)，可以專注于更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算處理。但硬件鎖相環(huán)電路需要增加硬件電路，增加成本，使系統(tǒng)變得復(fù)雜，使系統(tǒng)更受器件和環(huán)境因素的影響，例如器件的延遲、漂移等因素都可能引入新的誤差。 圖 2.1 鎖相法（2） 軟件修正同步偏差的方法軟件法原理主要是通過對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以達(dá)到抑制同步偏差?！皽?zhǔn)同步算法”的主要特點(diǎn)在于不要求采樣頻率與信號(hào)頻率嚴(yán)格同步，其基本原理是在采樣過程中，通過適當(dāng)增加采樣數(shù)據(jù)量，一般為 35 個(gè)周期，然后通過數(shù)值積分公式進(jìn)行迭代運(yùn)算，從而求出對(duì)各次諧波量的高準(zhǔn)確度估計(jì)；準(zhǔn)同步采樣法的缺陷在于它需要多個(gè)周期的數(shù)據(jù)和每個(gè)周期

22、增加采樣點(diǎn)數(shù)然后進(jìn)行迭代運(yùn)算，它所需的數(shù)據(jù)量較多，運(yùn)算量也大，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)不太適合。2.1.2基本電參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)基本測(cè)量的參數(shù)主要包括：電流有效值、電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)。首要環(huán)節(jié)是對(duì)輸入的電氣信號(hào)進(jìn)行離散化，即采樣。根據(jù)被采集信號(hào)的不同，數(shù)據(jù)采集可分為直流采樣和交流采樣兩大類。直流采樣技術(shù)的精度和穩(wěn)定性受外界因素的影響較大，且測(cè)量誤差和體積較大、價(jià)格昂貴。交流采樣技術(shù)具有計(jì)算靈活、響應(yīng)快、精度高等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的測(cè)量裝置由于硬件資源與速度的限制，周期波的采樣點(diǎn)較少，并且在算法方面有一定的限制，只能采用計(jì)算量小的算法，因而達(dá)不到高的測(cè)量精度；

23、同時(shí)，諧波分量等一些參數(shù)無(wú)法獲得。為解決以上問題，本文選用tms320f28335數(shù)字信號(hào)處理芯片為測(cè)量系統(tǒng)的核心，以提高三相電參數(shù)的測(cè)量速度和精度。對(duì)比分析后，系統(tǒng)選用交流采樣，數(shù)值的計(jì)算選用快速傅立葉變換算法。將電壓序列u(t)分解為基波和各次諧波分量的形式可以得到：式中 k 代表諧波的次數(shù)（k = 1 , 2 ,3 , . . . ），積分離散化后可得：經(jīng)過計(jì)算得到第k 次諧波的電壓的幅值、相角有效值如下；同理，也可計(jì)算出電流的幅值、相角和有效值。由于非正弦周期函數(shù)的有效值等于信號(hào)中的各次諧波的有效值的平方和的平方根，所以電壓、電流總的有效值分別為：電網(wǎng)中的有功功率一般指的是平均功率，可

24、定義為：將u(t)和 i(t)分別用傅立葉級(jí)數(shù)表示展開，并考慮正弦函數(shù)的正交性，可得：為了計(jì)算方便，功率因數(shù)采用下式求得：結(jié)合系統(tǒng)采樣及計(jì)算精度的需求，選用每周期每路采樣 128 點(diǎn)，共采集4 個(gè)周期后對(duì)采集的波形進(jìn)行512 點(diǎn)的fft。 進(jìn)行頻率測(cè)量的主要算法有:(1)周期法:周期法即為零交法。通過測(cè)量信號(hào)波形相繼過零點(diǎn)間的時(shí)間寬度來(lái)計(jì)算頻率。該方法概念清晰，易于實(shí)現(xiàn),其公式如下:對(duì)它的改進(jìn)主要是提高實(shí)時(shí)性和測(cè)量精度。改進(jìn)算法有:水平正交算法，高次修正函數(shù)法和最小二乘多項(xiàng)式的曲線擬和法,但這樣計(jì)算量和復(fù)雜度很大。(2)解析法:通過對(duì)信號(hào)觀測(cè)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)變換,將待測(cè)量f或f表示為樣本值的顯函數(shù)

25、來(lái)估計(jì),但精度總體不高。(3)誤差最小化原理類算法:包括最小二乘算法、最小絕對(duì)值近似法、牛頓類算法、離散卡爾曼濾波算法。(4)dft(fft)類算法及其改進(jìn)算法。(5)正交去調(diào)制法。電壓偏差的測(cè)量電壓允許偏差是指電力系統(tǒng)電壓緩慢變化時(shí),實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差。通常指電壓變化率小于每秒1%時(shí)實(shí)際電壓值與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差,可用有名值或標(biāo)么值表示。100式中實(shí)際電壓為實(shí)際測(cè)量電壓,額定電壓為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。電壓變動(dòng)指的是供電點(diǎn)電壓在兩個(gè)相鄰的、持續(xù)一定時(shí)間的電壓均方根值u1和uz之間的差值。通常以額定電壓的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示電壓變動(dòng)的相對(duì)百分值u,即:100系統(tǒng)在同一方向小于30ms的快速變化不計(jì)入電壓

26、變動(dòng),小于30ms的期間內(nèi),同方向的電壓均方根值的變動(dòng)只算作一次變動(dòng),在單位時(shí)間內(nèi)電壓變動(dòng)的次數(shù)稱為電壓變動(dòng)的頻度。2.2數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)2.2.1 dsp發(fā)展概述數(shù)字信號(hào)處理(dsp,digisignaiproeessing)是隨著信息學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)院的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科,包括傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理，統(tǒng)計(jì)與自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理等幾個(gè)部分，把信號(hào)使用數(shù)字或符號(hào)表示的序列,通過計(jì)算機(jī)或通用(專用)信號(hào)處理設(shè)備,用濾波，變換，壓縮，增強(qiáng)，估計(jì)，識(shí)別等數(shù)值計(jì)算方法處理,從而達(dá)到提取有用信息便于應(yīng)用的目的。20世紀(jì)60年代以來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)字信號(hào)處理技

27、術(shù)得到迅速的發(fā)展。20世紀(jì)70年代末到80年代初,世界上第一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(digitalsignalproeessor,簡(jiǎn)稱dsp)問世,開始將理論研究結(jié)果廣泛應(yīng)用到低成本的實(shí)際系統(tǒng)中。而后,數(shù)字信號(hào)處理器憑著其特有的靈活性、精確性、穩(wěn)定性、可重復(fù)性、體積小、功耗小、易于大規(guī)模集成,特別是可編程性和易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)處理等特點(diǎn),給數(shù)字信號(hào)處理帶來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇,并使得信號(hào)處理手段更加靈活!功能更加復(fù)雜,其應(yīng)用領(lǐng)域也拓展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活的諸多方面。經(jīng)過二十幾年的發(fā)展,dsp器件在其速度性能以及開發(fā)軟件上都得到了迅猛發(fā)展。生產(chǎn)dsp器件的公司數(shù)量增多并且規(guī)模不斷壯大,dsp廠家除ti公司外,還有美

28、國(guó)模擬器件公司(ad)、朗訊(at&t)、摩托羅拉(motorola)、nec等。尤以t1公司生產(chǎn)的系列dsp芯片影響力最大,應(yīng)用最為廣泛。ti在推出tms3201x系列產(chǎn)品后,相繼推出了第二代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芯片的改進(jìn)型。czxx集多片dsp芯片于一體的高性能dsp芯片以及目前速度最快的第六代dsp芯片c62x/67x等。由于不同層次的需要,dsp器件朝著兩個(gè)方向分化,一是專用型,即一種芯片僅完成一種算法,其運(yùn)算是用硬件直接實(shí)現(xiàn)的,內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)則簡(jiǎn)單,運(yùn)算速度高于通用的dsp,缺點(diǎn)是靈活性差,幾乎都是定點(diǎn)

29、型的,精度和動(dòng)態(tài)范圍有限,需要較多外圍控制器件和嚴(yán)格的時(shí)鐘同步信號(hào),并且專用dsp幾乎不具備自適應(yīng)處理能力,這類芯片多出現(xiàn)在一些消費(fèi)類電子行業(yè)等專用領(lǐng)域；二是通用型,這類芯片具有較豐富的硬件接口和很強(qiáng)的可編程性,其運(yùn)算和處理是用“軟件”實(shí)現(xiàn)的,適用于開發(fā)與研究我們平常采用的dsp是指通用型dsp。2.2.2 dsp芯片特點(diǎn)及基本結(jié)構(gòu)根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求,dsp一般具有如下特點(diǎn):(1)在一個(gè)指令周期內(nèi),可完成一次乘法和一次加法；(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開,可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；(3)片內(nèi)具有快速ram,通常可以通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線,在兩塊芯片中同時(shí)訪問；(4)具有低開銷或無(wú)開銷的循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件

30、支持；(5)具有快速的中斷處理和硬件1/0接口支持；(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；(7)可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；(8)支持流水線操作,取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行；dsp具有以下基本結(jié)構(gòu):(1)哈佛結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)總線和指令總線是公用的,因而在高速運(yùn)算時(shí)在傳輸通道上會(huì)出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象。而采用哈佛結(jié)構(gòu)的dsp芯片片內(nèi)至少有4套總線:程序的地址總線與數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù)的地址總線與數(shù)據(jù)總線。由于這種結(jié)構(gòu)的程序總線和數(shù)據(jù)總線分離,因而可以在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)獲取程序存儲(chǔ)器內(nèi)的指令字和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)的操作數(shù),從而提高了執(zhí)行速度。流水線操作：dsp芯片的哈佛結(jié)構(gòu)就是為實(shí)現(xiàn)

31、流水線技術(shù)而設(shè)計(jì)的。采用流水線技術(shù)可使dsp芯片單周期完成乘法累加運(yùn)算,極大地提高了運(yùn)算速度從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。處理器可以并行處理2-4條指令,每條指令處于流水線的不同階段。(2)專用的硬件乘法器。數(shù)字信號(hào)處理中最基本的一個(gè)運(yùn)算是乘法累加運(yùn)算,也是最重要和最耗時(shí)的運(yùn)算,為了提高芯片的運(yùn)算速度,必須大幅度降低乘法運(yùn)算的時(shí)間。于是在dsp芯片中設(shè)計(jì)了硬件乘法器,并且運(yùn)算所需時(shí)間最短,僅為一個(gè)機(jī)器周期。這種單周期的硬件乘法器是dsp芯片實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算的有力保證。(3)多總線結(jié)構(gòu)。許多dsp內(nèi)部都采用了多總線結(jié)構(gòu),這樣保證在一個(gè)周期內(nèi),可以同時(shí)訪問數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)空間,因此可以解決傳統(tǒng)芯片的總

32、線沖突問題,是系統(tǒng)的速度和效率大大提高。(4)特殊的dsp指令。為了更好地滿足數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的需要,在dsp系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)了一些特殊的dsp指令,以完成一些專門的運(yùn)算。例如c54xdsp的firs指令,專門用于fir(有限脈沖響應(yīng))濾波運(yùn)算。(5)快速的指令周期。哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的dsp指令,再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),可使dsp的指令周期在50ns以下,現(xiàn)在高性能的dsp指令周期可以達(dá)到5ns。2.3無(wú)線通信zigbee技術(shù)zigbee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)與藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，此前被稱作homerf lite或firefl

33、y無(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，是通過數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以通信效率非常高。而這些數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)用于分析，或者被另外一種無(wú)線技術(shù)如wimax收集。zigbee是一個(gè)由可多達(dá)65 000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類似現(xiàn)有移動(dòng)通信的cdma網(wǎng)或gsm網(wǎng)。其中每一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信;每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里。另外，整個(gè)zi

34、gbee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡(luò)鏈接。例如，可以通過互聯(lián)網(wǎng)在北京監(jiān)控云南某地的一個(gè)zigbee控制網(wǎng)絡(luò)。 不同的是，zigbee網(wǎng)絡(luò)主要為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，而移動(dòng)通信網(wǎng)主要為語(yǔ)音通信而建立。每個(gè)移動(dòng)基站價(jià)值一般都在百萬(wàn)元人民幣以上，而每個(gè)zigbee“基站”卻不到1000元人民幣。每個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對(duì)象連接，例如與傳感器連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來(lái)的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(ffd)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，與多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點(diǎn)(rfd)無(wú)線連接。每個(gè)zibee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(ffd和r

35、fd)可支持多達(dá)31個(gè)的傳感器和受控設(shè)備，并且每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備還可以有8種不同的接日方式。另外，zigbee可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。zigbee有如下方面的特點(diǎn)：可靠:采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突;節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)中通過自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴r(shí)延短:針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。通常時(shí)延都在1530 ms之間。網(wǎng)絡(luò)容量大:可支持高達(dá)65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。安全:zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算

36、法采用通用的aes一1280。高保密性:采用64位出廠編號(hào)，并支持aes一128加密。數(shù)據(jù)傳輸速率低:只有10250 kb/s,專注于低傳輸應(yīng)用。功耗低:在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是zigbee的支持者一直引以為自豪的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。成本低:因?yàn)閦igbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，且zigbee協(xié)議免收專利費(fèi)，所以大大降低了成本。優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?zigbee設(shè)備具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自愈能力，zigbee具有星、樹和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力，因此通過zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芎?jiǎn)單地覆蓋廣闊范圍。有效范圍大:有效覆蓋范圍為1075 m(通過功

37、放可在低功耗條件實(shí)現(xiàn)1 000 m以上的通信距離)，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通家庭或辦公室環(huán)境。工作頻段靈活:使用的頻段分別為2. 4 cghz(全球),868 mhz(歐洲)及915 mhz(美國(guó)），均為免執(zhí)照頻段。 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)硬件總體方案系統(tǒng)采用tms320f28335 dsp為控制處理核心，霍爾電流、電壓傳感器對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,將采集到的信號(hào)通過以ad7656為核心的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理然后傳送的dsp中，利用采集的電流、電壓瞬時(shí)值通過數(shù)據(jù)處理計(jì)算出電能相關(guān)參數(shù)。為了使系統(tǒng)具有無(wú)線通信功能,在設(shè)計(jì)中采用cc2530

38、芯片,可以及時(shí)把現(xiàn)場(chǎng)采集的電能相關(guān)參數(shù)通過zigbee協(xié)議以無(wú)線通信的形式傳送到上位機(jī)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。系統(tǒng)的總體框圖如圖3.1所示。 圖3.1 系統(tǒng)整體框圖3.2信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 交流電壓變送器以05 v的交流電壓作為輸出信號(hào)。因ad7656的外部基準(zhǔn)輸入信號(hào)范圍為03 v因此必須添加合適的調(diào)理電路以滿足a/d輸入的要求。交流電壓調(diào)理電路見圖3.2，由圖可知該電路由3部分組成：第1部分為射極跟隨器以提高電路的輸入阻抗：第2部分是電壓偏移電路：第3部分為箝位限幅電路，以保證輸出電壓信號(hào)在2.53 v，滿足a/d輸入信號(hào)范圍。圖3.2 交流電壓信號(hào)調(diào)理電路相電流調(diào)理電路如圖3.3所示

39、，該電路采用了運(yùn)算放大器加電壓跟隨器的方式，電壓跟隨器起到了隔離作用，以便在a/d入口前進(jìn)行阻抗匹配。在a/d入口端采用二極管鉗位，防止a/d輸入電壓越界。來(lái)自檢測(cè)通道的電流互感器的電流號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后經(jīng)電壓平移后將交流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為2.5-3.3v的單極性電壓信號(hào)接入a/d通道引腳。圖3.3 電流信號(hào)調(diào)理電路3.3 抗混疊濾波測(cè)量裝置在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換之前,需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波,濾除高于二分之一采樣頻率的諧波成分,防止采樣信號(hào)的頻譜混疊。根據(jù)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波(gb/t14594一1993)的規(guī)定:“測(cè)量的諧波次數(shù)一般為第2到第10次”；“a級(jí)儀器頻率測(cè)量范圍為0-25oo

40、hz”,本裝置所設(shè)計(jì)的濾波器以a級(jí)儀器頻率測(cè)量范圍作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。電能質(zhì)量裝置要求抗混疊低通濾波器有很好的平坦通帶幅值響應(yīng)。常用的抗混疊濾波器有巴特沃斯、貝賽爾和切比雪夫等濾波器。巴特沃斯濾波器的通頻帶幅值響應(yīng)最為平坦，但高于截止頻率的衰減度較小，且相位線性度差;貝賽爾濾波器的相位線性度最好，高于截止頻率的衰減度最小，通頻帶幅值響應(yīng)差；而切比雪夫?yàn)V波器在高于截止頻率時(shí)有著最大的衰減度，但其線性度最差，且在通帶范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象。綜合各方面的因素，本設(shè)計(jì)選用巴特沃斯濾波器。為了克服巴特沃斯濾波器“高于截止頻率的衰減度差”的缺點(diǎn)，采用四階濾波器，提高衰減度。為了保證50次以內(nèi)的諧波分量不被濾掉，通

41、帶幅值平坦范圍為0-2500hz設(shè)計(jì)中取一定的余量，取通帶邊界頻率為。由于采樣率是25.6khz，阻帶邊界頻率理論為12.8khz，減小高頻分量對(duì)fft計(jì)算的影響。采用歸一化方法設(shè)計(jì)該低通濾波器，歸一化低通濾波器原理圖及其頻率響應(yīng)曲線如下圖3.4所示。 圖3.4 濾波電路3.4過零檢測(cè)電路如圖3.5所示,過零檢測(cè)電路是以電壓比較器max474為核心的電路。電路中,vo1是來(lái)自信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)的一相電壓信號(hào),vo2為同相位的方波信號(hào)。該電路在輸入信號(hào)由正到負(fù)的過零時(shí),電路輸出高電平；當(dāng)輸入信號(hào)經(jīng)過由負(fù)到正的過零時(shí),電路輸出低電平,實(shí)現(xiàn)將電網(wǎng)正弦信號(hào)整形成同相位的方波信號(hào)。過零檢測(cè)電路的輸出信號(hào)位5v

42、,為了匹配ad7656和dsp的電平,信號(hào)需要一個(gè)光耦隔離作為緩沖。將過零檢測(cè)電路輸出的方波引入到dsp的ecap模塊對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)將其引入鎖相倍頻環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)鎖相倍頻電路的觸發(fā)。 圖3.5 過零檢測(cè)電路3.5 倍頻鎖相電路鎖相環(huán)電路主要由相位比較器pc、低通濾波器lpf、壓控振蕩器vco3部分組成。本文中鎖相芯片選用cd4046芯片,它是一款通用cmos鎖相環(huán)集成電路,具有電源電壓范同寬、輸入阻抗高、動(dòng)態(tài)功耗小等特點(diǎn)。以cd4046為核心的鎖相電路對(duì)過零檢測(cè)的輸出信號(hào)vo2進(jìn)行自動(dòng)跟蹤,鎖相倍頻電路如圖3.6。鎖相倍頻電路中,k計(jì)數(shù)器相當(dāng)于l/k分頻器。當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí),計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)

43、的頻率(cd4040的管腳12)和鎖相環(huán)的輸入信號(hào)(cd4046的管腳3)的頻率相等,于是在計(jì)數(shù)器的輸入端(cd404o的管腳10)得到倍頻輸出信號(hào)。如圖3.6所示,將cd4040的12引腳和cd4046的鎖相環(huán)輸入端管腳3相連,形成512次倍頻電路。 圖3.6 倍頻鎖相電路3.6數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心器件之一，a/d 模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的選擇是決定整個(gè)系統(tǒng)精度和性能的重要因素之一，同時(shí)在前面的介紹中我們也可以知道，并不是采樣頻率越高越好，也要從整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性方面綜合考慮。作為分辨率方面的考慮，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器件存在固有的偏移誤差、增益誤差、非線性誤差等，而且要考慮外界噪聲的干擾，整個(gè)系統(tǒng)的

44、精度要求為0.1%，16 位的 a/d 換器可以滿足整個(gè)系統(tǒng)的精度要求。另外從采樣頻率考慮，由采樣定理我們知道采樣頻率應(yīng)至少是原始信號(hào)頻譜最高頻率的 2 倍，這時(shí)才有可能從采樣信號(hào)恢復(fù)到原始信號(hào)，在具體的工程實(shí)踐時(shí)，我們將采樣頻率取為原始信號(hào)最高頻率的 510 倍。最后也要從采樣通路的數(shù)目上考慮，參照各種型號(hào)的 a/d 轉(zhuǎn)換器件的價(jià)格，選擇ad7656高性能六路16位a/d采集芯片。ad7656的特點(diǎn)如下：6個(gè)獨(dú)立adc真雙極性模擬輸入引腳/軟件可選范圍:士70v、士5v高吞吐速率:250 k5p5，coms工藝技術(shù)低功耗 740 mw(250 ksps, 5 v電源)寬輸入帶寬 信噪比(sn

45、r):86.5 db(50 khz輸入頻率)片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源及緩沖器并行、串行和菊花鏈接口模式高速串行接口 spi-/qspit-/microwiret-/dsp兼容待機(jī)模式:700 nw(最大值)64引腳lqfp封裝ad7656為高速、低功耗轉(zhuǎn)換器，允許對(duì)六個(gè)片上adc進(jìn)行同步采樣，其模擬輸入可以接受真雙極性輸入信號(hào)。可通過range引腳或rng bits，選擇4 vref或2 vref作為下一次轉(zhuǎn)換的輸入范圍。每個(gè)ad7656均內(nèi)置六個(gè)sar adc、六個(gè)采樣保持放大器、一個(gè)2.5v片上基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖器和高速串行并行接口。三個(gè)convst信號(hào)全部連在一起時(shí)，允許對(duì)所有六個(gè)adc進(jìn)行

46、同步采樣。ad7656的采樣保持放大器可以將滿量程幅度的輸入正弦波分別精確地轉(zhuǎn)換成16分辨率。即ad7656以最大吞吐速率工作，采樣保持放大器的輸入帶寬也大于adc的奈奎斯特頻率。這些器件可支持高達(dá)12 mhz的輸入頻率。ad7656的高壓模擬輸入結(jié)構(gòu)需要vdd和vss雙電源。這些電源必須等于或大于模擬輸入。ad7656需要一個(gè)4.75v至5.25v的低壓avcc電源給adc核心供電，一個(gè)4.75 v至5.25 v的dvcc電源作為數(shù)字電源以及一個(gè)2.7 v至5.25 v的vdrive電源作為接口電源。ad7656可以接受2.5v至3v范圍內(nèi)的外部基準(zhǔn)電壓。 圖 3.7 ad7656接線圖3.

47、7數(shù)字信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)3.7.1 芯片特點(diǎn)tms320f28335數(shù)字信號(hào)處理器是tl公司的一款tms320f28x系列浮點(diǎn)dsp控制器。與以往的定點(diǎn)dsp相比,該器件的精度高,成本低,功耗小,性能高,外設(shè)集成度高,將各種通信協(xié)議集成在片內(nèi),比如將can總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層都集成在片內(nèi),在硬件上,只要加個(gè)一個(gè)收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)通信;還配置了豐富的外設(shè),兼?zhèn)淞溯^強(qiáng)的運(yùn)算能力和控制、通信功能；數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大,a/d轉(zhuǎn)換更精確快速等。它采用哈佛流水線結(jié)構(gòu),保證程序數(shù)據(jù)的高速傳輸,能夠快速執(zhí)行中斷響應(yīng).并具有統(tǒng)一的內(nèi)存管理模式,可用c/c+語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法;其性能指標(biāo)較tms32of28x

48、系列的其他型號(hào)有很大的提高,主要特色有:(1)采用高性能的靜態(tài)cmos技術(shù),主頻達(dá)150mhz,其浮點(diǎn)核的運(yùn)算速度最高為3o0mflops(百萬(wàn)浮點(diǎn)指令/秒)；(2)易于開發(fā),浮點(diǎn)算法的軟件程序語(yǔ)法和高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)法十分相近,開發(fā)環(huán)境集成度高,可以通過gel實(shí)時(shí)觀察所有寄存器,有豐富的模塊函數(shù)可以調(diào)用,無(wú)需自己編寫模塊設(shè)置函數(shù)；(3)支持簡(jiǎn)易操作系統(tǒng)(dsp/bios),方便開發(fā)多任務(wù)的應(yīng)用程序； （4）增強(qiáng)型控制外設(shè)，多達(dá)18個(gè)脈寬調(diào)制(pwm)輸出，高達(dá)6個(gè)支持150ps微邊界定位(mep)分辨互率的高分辨率脈寬調(diào)制器(hrpwm)輸出，高達(dá)6個(gè)事件捕捉輸入，多達(dá)兩個(gè)正交編碼器接口，高達(dá)8個(gè)

49、32位定時(shí)器(6個(gè)ecap以及2個(gè)eqep）；（5）串行端口外設(shè)：多達(dá)2個(gè)控制器局域網(wǎng)(can)模塊，多達(dá)3個(gè) sci (uart)模塊，高達(dá)2個(gè)mcbsp模塊(可配置為spi），一個(gè)spi模塊，一個(gè)內(nèi)部集成電路(12c)總線；（6） 多達(dá)88個(gè)具有輸入濾波功能可單獨(dú)編程的多路復(fù)用通用輸入輸出(gpio)引腳 ，jtag邊界掃描支持，高級(jí)仿真特性，分析和斷點(diǎn)功能，借助硬件的實(shí)時(shí)調(diào)試；（7）開發(fā)支持包括：ansi c/c+編譯器/匯編語(yǔ)言/連接器。3.7.2 dsp的軟硬件資源tms320f28335有豐富的內(nèi)外設(shè)資源，其片內(nèi)集成了一個(gè)32位外部存儲(chǔ)器接口,可以外擴(kuò)8位、16位、32位并行存儲(chǔ)器

50、,內(nèi)部的6個(gè)獨(dú)立的直接存儲(chǔ)器訪問通道edma大大提高了存儲(chǔ)器訪問的效率,edma面向?qū)崟r(shí)信號(hào)處理,可以在saram(l4一l7)外部擴(kuò)展口、ad結(jié)果寄存器、mcbsp的收發(fā)緩沖器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)移,具有高效的傳輸速率。哈佛總線結(jié)構(gòu)使dsp具有單周期取指令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)的能力。包含各種存儲(chǔ)器和總線接口:外圍接口包含20條地址線,32條數(shù)據(jù)線,以及3個(gè)片選信號(hào)（zones0，zones6，zones7），每個(gè)片選信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口,zones0對(duì)應(yīng)oxoo4000到oxoo500o的4kx16位的地址空間8；zones6對(duì)應(yīng)0xl0o000到0x200000的1mx16位的地址空

51、間；zones7對(duì)應(yīng)0x200000到0x300000的1mx16位的地址空間。片上256kx16的flash存儲(chǔ)器、34kx16的saram存儲(chǔ)器(m0,m1,l0，l1，l2，l3，l4，l5，l6，l7)、1kxl6的tp-rom和5kxl6的boot rom。其中flash,tprom,16kx16的saram(lo/li/lz/l3)均受密碼保護(hù),在程序燒寫時(shí),可以設(shè)定密碼,以保護(hù)開發(fā)板的知識(shí)產(chǎn)權(quán)；含有豐富的中斷資源:中斷信號(hào)可通過gpioo-gpio31連接到xint1、xint2及xnmi外部中斷,gpio32-gpio63連接到xint3一xint7外部中斷;外設(shè)中斷擴(kuò)展控制器

52、(pie)支持58個(gè)外設(shè)中斷,高效的管理片上外設(shè)和外部引腳引起的中斷請(qǐng)求；包含滿足不同功能片內(nèi)外設(shè):豐富的外設(shè)模塊:epwm輸出,事件捕獲(ecap),正交調(diào)制模塊(qep)；豐富的通信接口:包括can通信模塊、sci模塊、多通道緩沖串行接口模塊、spi模塊、i2c模塊,這些通信模塊都在片內(nèi)集成了相應(yīng)的協(xié)議,不用外加專門的控制器,就可以實(shí)現(xiàn)通信。tms320f28335增加了fpu,使得用戶不僅方便的用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制,還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法。它可有效地處理數(shù)學(xué)運(yùn)算和系統(tǒng)控制任務(wù),而這些多重任務(wù)在以往的系統(tǒng)控制中需要另一個(gè)微控制器來(lái)完成。tms32of28335含有32x32位的乘法器

53、,具有64位的處理能力,可有效處理高數(shù)字分辨率問題。3.7.3 dsp最小系統(tǒng)tms320f28335最小系統(tǒng)除了dsp芯片外,還包括時(shí)鐘電路、jtag仿真接口以及電源管理電路等。dsp的外部接線圖見附錄。時(shí)鐘電路：f28335的時(shí)鐘發(fā)生器提供兩種可選的時(shí)鐘源:一是在x1和x2引腳間接加一個(gè)晶振來(lái)啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器,此時(shí)xclkin接地;二是將外部時(shí)鐘源直接引入x2或者clkin引腳作為系統(tǒng)時(shí)鐘。當(dāng)以xclkin作為時(shí)鐘源輸入引腳時(shí),xl引腳接地,x2懸空,此時(shí)接受3.3v的時(shí)鐘源:當(dāng)以x1作為時(shí)鐘源輸入引腳時(shí),xclkin引腳接地,x2懸空,此時(shí)只能接受1.8v的時(shí)鐘源。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和節(jié)約資源本

54、最小應(yīng)用系統(tǒng)的時(shí)鐘電路采用tms320f28335內(nèi)部晶體振蕩器.具體電路如圖3.9所示。 圖 3.9 時(shí)鐘電路 jtag仿真接口:tms320f28335具有符合ieeell49.l標(biāo)準(zhǔn)的片內(nèi)邊界掃描仿真接口(jtag),仿真器通過該接口可以直接訪問cpu的內(nèi)部寄存器!掛在cpu總線上的設(shè)備以及內(nèi)置模塊的寄存器。jtag接口如下引腳：tck:時(shí)鐘信號(hào)tms:模式選擇信號(hào)tdi:數(shù)據(jù)輸入信號(hào)tdo:數(shù)據(jù)輸出信號(hào)trst:復(fù)位信號(hào)stck:時(shí)鐘返回信號(hào)圖 3.10 仿真接線 電源管理電路：f28335芯片有多種電源，它們包括: cpu核的電源(vdd) i/0電源(vddio) adc模擬電源引

55、腳(vdda2,vdda10) adc核電源(vdd1a18, vdd2a18)一對(duì)flash程序電源(vdd3vfl) 地電源引腳(vss, vsslo) adc模擬地(vssa2, vssalo) adc模擬/內(nèi)核地(vss1agnd, vdd2agnd) 所有的電源引腳都必須連接正確。所有這些芯片具有多個(gè)內(nèi)核、i/0和adc/模擬供電引腳所有的這些引腳都必須連接正確的供電電壓不能讓任何引腳懸空。i/0引腳的電壓是3.3v然而內(nèi)核的供電電壓是1.8 v或者1.9 v更多的信息可以參考具體芯片數(shù)據(jù)操作手冊(cè)的電氣部分具有可編程的flash對(duì)其供電的引腳必須連接3.3v上部分在電路中閃存中使用。

56、電源管理電路選用ti公司的tps73hd31電源管理芯片。具體電路如下圖3.11所示。 圖3.11 電源管理模塊3.8 通信模塊設(shè)計(jì)美國(guó)ti公司宣布推出第二代zigbee/ieee 802. 15. 4無(wú)線頻率(rf)收發(fā)器cc2520。該款產(chǎn)品專門用于企業(yè)、科學(xué)研究所與醫(yī)療部門的2. 4 cghz非正式頻段。它具有當(dāng)今業(yè)界最佳的選擇性/共存性及優(yōu)異的鏈路預(yù)算功能特點(diǎn)。其產(chǎn)品目標(biāo)在于滿足各種應(yīng)用中zigbee/ieee 802. 15. 4與專有無(wú)線系統(tǒng)的要求，包括工業(yè)監(jiān)控、家庭與樓宇自動(dòng)化、機(jī)頂盒、遠(yuǎn)程控制以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。cc2520的關(guān)鍵參數(shù)包括1.8-3. 8 v電源電壓，-40-125工作溫度，103 db鏈路預(yù)算等。主要特點(diǎn)：信道選擇性/共存性。相鄰信道抑制:49 db。備用信道抑制:54 db。優(yōu)秀的鏈路預(yù)算(103 db),400 m視線范圍。溫度范圍:-40-25。寬電源范圍:1.8-3.8 v。ieee 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的mac硬件支持。一個(gè)aes一128安全模塊。具有