基于ARM7TDMI的配電綜合測控儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2采樣數(shù)據(jù)的處理

　　現(xiàn)場實(shí)測信號(hào)所包含的大量噪聲干擾和高次諧波會(huì)引起諧波測量、頻率測量等方面的誤差，對(duì)于FFT算法如果采樣值不能均勻分布在信號(hào)周期內(nèi)，也將造成頻譜泄露，從而帶來很大的測量誤差，所以對(duì)采樣數(shù)據(jù)必須進(jìn)行處理。

　　2.1噪聲的處理

　　電力系統(tǒng)中的各種噪聲一般可以認(rèn)為是隨機(jī)性白噪聲。這些年，相繼有學(xué)者提出過許多消除噪聲的方法，如小波變換法等。小波變換在時(shí)頻域同時(shí)存在時(shí)具有良好的局部化特性，可根據(jù)信號(hào)不同頻率成分自動(dòng)調(diào)節(jié)取樣密度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)消噪處理。但是小波變換在頻譜分析方面沒有明顯優(yōu)越性?？紤]到測控儀的改進(jìn)重點(diǎn)是增加諧波功能以及ARM7硬件對(duì)FFT的方便性，本設(shè)計(jì)依然采用FFT為基本算法來尋求基于FFT算法的消噪方法。

　　采用FFT算法消噪可以在窗函數(shù)上做文章，可以參考使用余弦窗來提高精度的思路，以及正弦信號(hào)自相關(guān)函數(shù)為同頻率的余弦函數(shù)，而白噪聲函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)幾乎為零的特性來消除白噪聲。采用加余弦窗函數(shù)方法進(jìn)行修正可以減少信號(hào)中的白噪聲影響，提高測控儀的諧波測量精度。其周期信號(hào)X(n)=sinωn的自相關(guān)的函數(shù)為：
 

　　式中，N為采樣點(diǎn)數(shù)。

　　2.2頻譜混疊的防止

　　諧波測量中要處理的信號(hào)是采樣和A／D變換得到的數(shù)字信號(hào)。要獲得準(zhǔn)確的FFT運(yùn)算結(jié)果，必須滿足Nyquist采樣定理，以防止頻譜混疊造成的測量誤差。防止頻譜混疊通常是用模擬濾波器濾除采樣頻率fs一半的高頻信號(hào)，但由于模擬濾波器在低頻帶難以保證較好的物理特性；而本測控儀的采樣頻率又較高，因此，可采用模擬濾波器和數(shù)字濾波器相結(jié)合，同時(shí)考慮諧波測量范圍的方法來減少頻譜混疊的影響。

　　2.3同步采樣處理

　　根據(jù)FFT的原理要求，采樣點(diǎn)應(yīng)均勻分布在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)(即實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣)，否則會(huì)引起信號(hào)頻譜泄露，從而造成測量誤差。由于硬件同步技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它會(huì)提高測控儀制造成本，因此，本文采用軟件同步來實(shí)現(xiàn)同步采樣。軟件同步實(shí)質(zhì)是一種補(bǔ)償方法，主要思想是采用軟件方法來跟蹤信號(hào)頻率的變化，并利用可變窗函數(shù)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)周期的同步采樣，以減少頻譜泄露造成的誤差。軟件同步的關(guān)鍵是如何實(shí)時(shí)檢測和確定信號(hào)的頻率。 該測控儀采用復(fù)序列FFT和鎖相環(huán)來直接對(duì)電壓或電流信號(hào)采樣值進(jìn)行處理，然后配合數(shù)字濾波技術(shù)求得信號(hào)過零并得到信號(hào)頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的同步采樣，同時(shí)完成信號(hào)頻率的測量。這種檢測和確定信號(hào)頻率的方法計(jì)算簡單、跟蹤速度快、測控儀的采樣率較高，能夠得到較高的測量精度，完全可以滿足工程實(shí)際的需要。

3測控儀軟件設(shè)計(jì)

　　依據(jù)上述數(shù)據(jù)處理思路和數(shù)據(jù)采集、參數(shù)計(jì)算的算法，下面介紹該測控儀的軟件設(shè)計(jì)方法。 

　　3.1軟件設(shè)計(jì)思路

　　新改進(jìn)和研制的測控儀在保留原來電容投切、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測、電量采集等功能基礎(chǔ)上，由于還要增加諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測，因而軟件涉及的算法較多，數(shù)據(jù)處理工作量較大；另外，ARM7不同于單片機(jī)，軟件的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因此，本測控儀的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了提高程序代碼效率、滿足實(shí)時(shí)性要求，該測控儀采用C語言語言編程，整個(gè)測控儀軟件由主程序和多個(gè)應(yīng)用子程序組成。

　　主程序來完成硬件初始化、硬件自檢和循環(huán)操等功能；子程序包括數(shù)據(jù)采集處理、電容器投切控制、電量和運(yùn)行參數(shù)計(jì)算、電能質(zhì)量監(jiān)測、上位機(jī)串行通信等程序。主、子程序采用中斷方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和處理，程序設(shè)計(jì)采用由頂向下、逐步細(xì)化的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法。

　　3.2 FFT的實(shí)現(xiàn)

　　實(shí)現(xiàn)FFT時(shí)，必須解決數(shù)據(jù)溢出問題。由N點(diǎn)DFT計(jì)算公式：

 
　　在進(jìn)行DFT運(yùn)算時(shí)，如果不采取一定的措施，溢出是不可避免的。為了避免FFT運(yùn)算數(shù)據(jù)溢出，可對(duì)DFT蝶形運(yùn)算單元的中間結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。下面是對(duì)FFT蝶形單元的中間結(jié)果：

　　設(shè)A和B為歸一化的輸入，那么，在復(fù)數(shù)時(shí)間抽取FFT運(yùn)算時(shí)，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為：1+cos45°+sin45°+2.414。而在實(shí)數(shù)DIT的FFT運(yùn)算中，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為2，因此，可在每一級(jí)FFT計(jì)算中。事實(shí)上，用因子2進(jìn)行歸一化。對(duì)ARM7運(yùn)用芯片的移位特性和用2歸一化，不會(huì)增加任何運(yùn)算量。這樣，如果FFT包含M級(jí)，則輸出相當(dāng)于除以2M=N。其中N為FFT的長度。

　　3.3諧波參數(shù)的計(jì)算

　　參數(shù)計(jì)算采用N=128點(diǎn)FFT算法，計(jì)算結(jié)果依次存放為A0、B0、A1、B1、……、An、Bn。其中An為n次諧波的實(shí)部，Bn為n次諧波的虛部。這樣，即可計(jì)算出各次諧波的(以電壓為例)相角、幅值和諧波畸變率、含有率等指標(biāo)：

　　這樣，依據(jù)計(jì)算的電壓、電流和相角，便可計(jì)算電網(wǎng)的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電力電量等各種參數(shù)值，從而按照相關(guān)策略實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器等設(shè)備的控制。各種監(jiān)測數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)還可送計(jì)算機(jī)中長期保存，并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，實(shí)現(xiàn)配電監(jiān)控管理。 

4結(jié)束語

　　依據(jù)供電企業(yè)對(duì)配電測控功能的新要求，本文以PHILIPS公司的LPC2220FBM144芯片為核心，充分運(yùn)用ARM7強(qiáng)大的運(yùn)算能力，給出了新一代配電綜合測控儀的研制方法。實(shí)際使用證明，其采用的算法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)是完全可行的。