基于DSP+ARM的便攜式電能質(zhì)量分析儀設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于高性能DSP芯片ADSP21161和S3C2410 ARM芯片實(shí)現(xiàn)的電能質(zhì)量分析儀的設(shè)計(jì)方法。以DSP芯片為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理，以S3C2410芯片為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、人機(jī)界面及系統(tǒng)控制，同時(shí)采用WinCE嵌入式操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟件平臺。該方案提高了系統(tǒng)的智能化及可靠性，降低了系統(tǒng)功耗并有利于系統(tǒng)擴(kuò)展。測試結(jié)果表明該分析儀的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足IEC電能質(zhì)量測試標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；DSP+ARM；WinCE：小波變換

0 引言
隨著國家工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，一方面，非線性、沖擊性和不平衡負(fù)荷的大量增長使得電能質(zhì)量惡化；另一方面，隨著信息技術(shù)的發(fā)展。越來越多的敏感負(fù)載對電能質(zhì)量的要求也越來越高。這就要求電能質(zhì)量檢測分析設(shè)備具有實(shí)時(shí)檢測、快速分析、實(shí)時(shí)顯示的能力。采用高性能數(shù)字信號處理器(DSP)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(ARM)雙處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)電能質(zhì)量分析儀能滿足上述要求。DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電壓、電流信號的實(shí)時(shí)采集處理，通過加窗傅里葉變換和小波算法得到電能質(zhì)量參數(shù)；ARM嵌入式平臺運(yùn)行WinCE操作系統(tǒng)完成人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲、實(shí)時(shí)顯示等功能。該系統(tǒng)為儀器的可擴(kuò)展性和智能化建立了良好的軟硬件平臺。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
便攜電能質(zhì)量分析儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以功能實(shí)現(xiàn)和便攜式設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，并兼顧系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
1．1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
該硬件系統(tǒng)包括信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集與處理、ARM嵌入式平臺、協(xié)控制器和電源系統(tǒng)5個(gè)模塊，系統(tǒng)框架如圖1所示。電網(wǎng)電壓電流信號經(jīng)調(diào)理電路預(yù)處理；采用高速ADC數(shù)字化后由DSP處理器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)緩存及快速、準(zhǔn)確的分析計(jì)算；采集到的波形數(shù)據(jù)和分析計(jì)算結(jié)果通過FIFO傳遞到ARM嵌入式平臺；采用LCD實(shí)現(xiàn)波形和分析結(jié)果顯示；采用SD卡或USB存儲設(shè)備來存儲大量的數(shù)據(jù)以便回放或進(jìn)一步深入分析；利用鍵盤或觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；設(shè)置RS 232、USB和網(wǎng)絡(luò)接口，便于實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量分析儀的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化擴(kuò)展。

系統(tǒng)中采用CPLD芯片設(shè)計(jì)了協(xié)控制器。它的作用主要是產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換器所需要的采樣時(shí)鐘、完成采樣通道的時(shí)序控制、綜合FIFO讀時(shí)鐘邏輯、網(wǎng)卡地址控制邏輯和DSP啟動(dòng)模式的設(shè)置。系統(tǒng)硬件電路配有多種電源，通過對系統(tǒng)各模塊電源進(jìn)行控制，以及使DSP按測量需求工作在節(jié)電模式等措施實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用電池供電，滿足便攜式儀器要求。