簡易電能質量分析儀設計畢業(yè)設計定稿

1、石家莊鐵道大學畢業(yè)設計 簡易電能質量分析儀設計design of simple power quality analyzer 2012 屆 電氣與電子工程 學院專 業(yè) 電氣工程及其自動化 學 號 20082341 學生姓名 指導教師 完成日期 2012年 5 月 30 日畢業(yè)設計成績單姓名學號班級專業(yè)畢業(yè)設計題目簡易電能質量分析儀指導教師姓名指導教師職稱副教授講師評 定 成 績指導教師得分評閱人得分答辯小組組長得分成績： 院長 簽字： 年 月 日畢業(yè)設計任務書題目 簡易電能質量分析儀學生姓名學號班級專業(yè)電氣工程及其自動化承擔指導任務單位電氣與電子工程學院導師姓名導師職稱副教授講師一、主要內容

2、采用單片機設計一個簡易電能質量檢測儀，可以實現3、5、7、9次諧波電氣值的測量。2、 基本要求1. 能得到電壓、電流有效值、功率、功率因數；2. 諧波電路設計要合理，可以得到相應的諧波值；3. 硬件成果數據測試；4. 用protel完成電路圖繪制。三、研究方法 1.通過參考資料查閱手冊了解所需器件的電氣特性。2. 通過比較和計算完成各種設備的選擇；3. 通過實驗，調試完成各模塊電路設計。四、應收集的資料及參考文獻1. 有關msp430f149單片機方面的文獻資料；2. 有關濾波方面的文獻資料；3. 有關電源模塊方面的文獻資料；4. 有關諧波分析的資料。五、進度計劃1. 第1周-第3周 收集相關

3、文獻資料，完成開題報告；2. 第4周-第7周 進行方案論證，確定系統(tǒng)設計方案：3. 第8周-第13周 完成硬件電路設計； 4. 第14周-第16周 整理設計說明書，準備答辯。教研室主任簽字時間 年 月 日畢業(yè)設計開題報告題目簡易電能質量分析儀設計學生姓名學號班級專業(yè)電氣工程及其自動化一、研究背景 隨著全球工業(yè)化進程的不斷加快，在現代人類社會生活中電力已經成為不可缺少的重要能源之一。改善電能質量對于電網和電氣設備的安全、經濟運行，保障產品質量和科學實驗以及人民生活和生產的正常等均有重要意義。電能質量直接關系到國民經濟的總體效益。因此，正確的檢測和分析諧波是有效抑制和補償諧波的基礎，也是提高電能質

4、量的基礎。二、國內外研究現狀 國外有關電能質量監(jiān)測的研究正掀起高潮，從所適用的功率理論的擴展,到電能質量評價指標體系的建立；從全國性的電能質量普查、監(jiān)測到用戶終端電氣環(huán)境的定義;各種電能質量問題分析方法的提出，以及用戶電力技術等電能質量控制技術的研究和裝置的開發(fā)正深入進行。1996年，ieee將每兩年召開一次的電力諧波國際學術會議更名為電力諧波與電能質量學術會議，把電能質量提高到一個新的高度來認識。 目前，國內在電能質量監(jiān)測方面的研究大多局限在諧波問題的范圍內,也提出和開發(fā)了一些監(jiān)測和改善電能質量的電能質量補償裝置，包括各種有源電力濾波器、動態(tài)無功補償裝置、電能質量綜合補償裝置，以及動態(tài)電壓恢

5、復器等，與國外的差距是非常明顯的。三、課題進行的主要工作及采用的方法 本文基于msp430f149單片機，其最大采樣頻率為25 600 hz，rs-232串行通信波特率為9 600 bps結合由四雙向模擬開關cd4066與rc帶通濾波電路等構成。分為單片機主控制模塊，電源模塊、信號采集模塊和液晶顯示模塊。待測的模擬信號是電網中的交流高電壓和交流大電流，為了隔離高電壓和大電流需要進行幅值轉換變成低電壓和小電流，然而，這里不僅僅幅值是最重要的，為了不產生附加的畸變，變換過程中的頻率響應應具有適當的帶寬。設計選取了dvdi-001臥式穿芯小型精密電壓互感器和ta1419-4臥式穿芯小型精密交流電流互

6、感器來來滿足以上要求。而輸出數據由1602液晶顯示出來。四、預期達到的結果 可實現對工頻交流電低次諧波的簡單電氣特性測量。并可以通過lcd1602將檢測數據顯示出來。指導教師簽字時 間 年 月 日摘 要隨著我國科技的進步和生產技術自動化水平的提高，電力已經成為現代人類社會中非常重要且必須的能源，因此對于電能質量的研究就顯得越來越重要。電能質量監(jiān)測作為電能質量監(jiān)控的一個關鍵環(huán)節(jié)，在電力系統(tǒng)的運行管理和技術監(jiān)督中起著很重要的作用，同時也是保證電力系統(tǒng)良好供電質量的必要手段。文章在對電能質量指標及其綜合評價方法進行分析的基礎上，設計了一種電能質量檢測裝置。本文著重介紹了該設計系統(tǒng)的硬件部分。在以單片

7、機msp430f149構成的主控制模塊為基礎的前提下，分別設計了電源模塊、信號采集模塊、輸出顯示模塊。電源模塊通過對交流市電進行變壓整流及穩(wěn)壓輸出為系統(tǒng)提供電源。信號采集模塊實現對模擬信號的采集處理。各種電氣參數則通過輸出顯示模塊1602顯示出來。關鍵詞：電能質量 msp430f149 選頻電路 諧波測量 abstract with our advances in technology and production technology level of automation, power has become very important and must be the energy of

8、the modern human ociety, the quality of electricity has become increasingly important. power quality monitoring as a key link in the power quality monitoring plays an important role in power system operation and management and technical supervision, but also the necessary means to ensure good qualit

9、y of power supply of the power system.designed on the basis of analyzing the indicators of power quality and its comprehensive evaluation method, a power quality detection device. this article focuses on the hardware part of the design system. microcontroller msp430f149 constitute the main control m

10、odule based on the premise, namely, design a power supply module, the signal acquisition module, the output display module. ac mains transformer rectifier and voltage regulator output, the power supply module provides power for the system. signal acquisition module for analog signal acquisition and

11、processing. various electrical parameters displayed in the output display module 1602.key words: power quality msp430f149 selected frequency circuit harmonic measurement目 錄第1章 緒論11.1 引言11.2 選題背景及設計意義11.2.1 國外研究現狀11.2.2 我國的研究現狀21.3 本文的主要工作3第2章 系統(tǒng)原理設計42.1 交流采樣原理42.2 電能質量參數算法52.2.1 快速傅里葉變換算法原理52.2.2 基本

12、交流電參數計算原理8第3章 裝置硬件設計113.1 單片機主控制模塊113.1.1 msp430f149單片機簡介123.1.2 msp430f149引腳分布及工作方式133.2 電源模塊153.2.1 交直轉換模塊153.2.2 退耦電路163.3 信號采集模塊173.3.1 數據采集系統(tǒng)簡介183.3.2 信號采集電路總體設計183.3.3 過零檢測電路設計193.3.4 模擬信號采集電路203.3.5 諧波檢測電路213.4 液晶顯示模塊233.4.1 lcd1602簡介233.4.2 lcd1602引腳定義243.4.3 1602指令集25第4章 交流電壓、電流有效值測試274.1 測

13、試方法：274.2 誤差產生原因分析27第5章 結論與總結29參考文獻30致 謝31附錄a 外文資料翻譯32a.1：英文32a.2：譯文43附錄b msp430f149引腳分布50附錄c 硬件電路圖53第1章 緒論1.1 引言隨著全球工業(yè)化進程的不斷加快，在現代人類社會生活中電力已經成為不可缺少的重要能源之一。尤其在近年來，電網中諸如煉鋼電弧爐、半導體變流裝置和電氣化鐵路等大型負荷及大量現代日常電氣設備不斷增加，電網中的電壓、電流波形受到諸如沖擊性、非線性及不平衡用電特性的影響，發(fā)生不同程度的畸變；三相不平衡以及電壓波動和閃變等一系列電能質量問題不斷復雜化，電網遭到嚴重污染。公用電網中的諧波電

14、壓和諧波電流就是對電網環(huán)境最嚴重的一種污染之一。只有對電網中的諧波源分布和諧波狀態(tài)有了清楚的認識才能有效地治理諧波。據統(tǒng)計，電網用電負荷中異步電動機占的比例最大。電網電壓和頻率的偏差、諧波、三相電壓不平衡以及電壓波動和閃變等，均會直接影響電機的轉速、力矩和發(fā)熱，從而影響生產工效和產品質量。電網諧波含量增加，導致了電氣設備壽命縮短，網損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加，并聯電容器不能正常運行，同時可能引發(fā)繼電保護和自動裝置的非故障性動作，導致儀表指示和電能計量不準以及計算機、通信受干擾等一系列問題。特別是隨著計算機、電力電子和信息技術等高新產業(yè)的發(fā)展和普及，對電能質量提出了越來越高的要求。改善

15、電能質量對于電網和電氣設備的安全、經濟運行，保障產品質量和科學實驗以及人民生活和生產的正常等均有重要意義。電能質量直接關系到國民經濟的總體效益。因此人們對電能質量問題的重視并非近幾年的事，只不過早期對此認識比較簡單，主要局限在保持電網頻率和電壓水平(即靜態(tài)或平均偏差不過大)上。隨著電力行業(yè)的發(fā)展，隨著經濟的發(fā)展，供電公司要提高自身的競爭力，其中一個最重要的部分就是提供高質量的電能。因此，正確的檢測和分析諧波是有效抑制和補償諧波的基礎，也是提高電能質量的基礎。本設計重點研究電能質量分析儀的硬件方法，實現對多項電能質量評價指標的綜合監(jiān)測與分析，為提高電網電能質量，保障其高質量運行提供有實際價值的理

16、論與技術支持。1.2 選題背景及設計意義1.2.1 國外研究現狀國外有關電能質量監(jiān)測的研究正掀起高潮，從所適用的功率理論的擴展,到電能質量評價指標體系的建立；從全國性的電能質量普查、監(jiān)測到用戶終端電氣環(huán)境的定義；各種電能質量問題分析方法的提出，以及用戶電力技術等電能質量控制技術的研究和裝置的開發(fā)正深入進行。1996年，ieee將每兩年召開一次的電力諧波國際學術會議更名為電力諧波與電能質量學術會議，把電能質量提高到一個新的高度來認識。理論方面積極開展電能質量指標的評價體系研究。如何評價電能質量的好壞，通常使用的幾種定量評價電能質量的指標如總諧波畸變率，功率因數等，但當波形為非周期信號、頻率為分數

17、次諧波頻率時，上述評價指標就有不協(xié)調的問題。這涉及到如何處理畸變、不平衡現象的功率定義問題，這方面國外已經作了大量研究，并給出了一些建議，但至今尚未取得一致意見。針對上述的電能質量問題，國外已提出并開發(fā)了許多改善和提高電能質量的裝置，包括：有源電力濾波器和無源濾波器、電池貯能系統(tǒng)、配電用靜態(tài)同步補償器、配電用串聯電容器、動態(tài)電壓恢復器、功率因數校正電容器、避雷器、超導磁能貯存系統(tǒng)、靜態(tài)電子分接開關、固態(tài)轉移開關、固態(tài)斷路器、靜止無功補償器、晶閘管開關電容器、不間斷電源等。這些裝置主要是采用電力電子技術，一些裝置已相當成熟，其產品開始進入大量實用化階段。如日本的有源電力濾波器使用很普遍，并聯型有

18、源電力濾波器最大容量達50mva，采用的是gto、scr器件，用于抑制電弧引起的閃變。統(tǒng)一電能質量調節(jié)器或稱電能質量調節(jié)器(pqc)。它可快速補償供電電壓中的突升或突降、波動和閃變、諧波電流和電壓、各相電壓的不平衡以及故障時的短時電壓中斷等，是一項具有綜合功能的電能質量控制器。西門子公司已系列生產出pqc裝置，基于igbt的pwm換流器，是并聯型有源電力濾波器和串聯型有源電力濾波器的組合，是眾多此類研制品中較有代表性的產品。西門子的pqc與系統(tǒng)聯接有三種方式，并聯時，主要防止非正常負荷對系統(tǒng)的影響；串聯時，則用于防止系統(tǒng)對負荷的影響；而當串并聯時，則將具有雙向補償的功能。用戶電力技術。它是將電

19、力電子技術、微處理機技術、自動控制技術等高新技術運用于中、低壓配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)中，以減小諧波畸變。消除電壓波動和閃變、各相電壓的不對稱和供電的短時中斷，從而提高供電可靠性和電能質量的新型綜合技術。用戶電力技術概念的提出，有助于供電部門提供高可靠性和高質量的電力，也有助于滿足各種新工藝用戶對電力供應的更高要求。用戶電力技術控制器包括上面介紹的動態(tài)電壓恢復器、固態(tài)斷路器、統(tǒng)一電能質量調節(jié)器等。1.2.2 我國的研究現狀監(jiān)測和改善電能質量的主要措施是采用電力電子技術。目前，國內在電能質量監(jiān)測方面的研究大多局限在諧波問題的范圍內，也提出和開發(fā)了一些監(jiān)測和改善電能質量的電能質量補償裝置，包括各種有源電

20、力濾波器、動態(tài)無功補償裝置、電能質量綜合補償裝置，以及動態(tài)電壓恢復器等，與國外的差距是非常明顯的。電能質量監(jiān)測的基礎理論研究，包括統(tǒng)一的畸變波形下電能質量的含義，電能質量的界定方法、評價體系的研究，各功率成份的定義及物理意義研究等。目前為適應不同需要提出了許多功率成份的定義方法，在其數學表達式、物理意義及實施方面各有所長，但距離理論上和實際上的統(tǒng)一的并易于接受的表達式尚有一定的差距。1.3 本設計的主要工作本文基于msp430f149單片機，其最大采樣頻率為25600 hz，rs-232串行通信波特率為9 600 bps結合由四雙向模擬開關cd4066與rc帶通濾波電路等構成。分為單片機主控制

21、模塊，電源模塊、信號采集模塊和液晶顯示模塊。待測的模擬信號是電網中的交流高電壓和交流大電流，為了隔離高電壓和大電流需要進行幅值轉換變成低電壓和小電流，然而，這里不僅僅幅值是最重要的，為了不產生附加的畸變，變換過程中的頻率響應也應具有適當的帶寬。設計選取了dvdi-001臥式穿芯小型精密電壓互感器(potential transformer，pt)和ta1419-4臥式穿芯小型精密交流電流互感器(current transformer，ct)來滿足以上要求。220v的高壓電和大電流經過互感器可轉化為幅值為0.5+0.5 v的微信號。信號調理電路使0.5+0.5 v的輸入信號進行約3倍的放大和1.

22、6 v的抬升。而輸出數據由1602液晶顯示出來。第2章 系統(tǒng)原理設計2.1 交流采樣原理一般來說，對電力系統(tǒng)參數采樣和計算的方法主要有兩種：直流采樣法和交流采樣法。直流采樣法是采樣經過整流后的直流量，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數值，過程設計簡單，計算方便。但直流采樣法存在一些問題：測量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性的影響；整流電路參數調整困難且受波形因素影響較大；此外，用直流采樣法測量工頻電壓、電流是通過測量平均值來求出有效值的，當電路中諧波含量不同時，平均值與有效值之間的關系也將發(fā)生變化，給計算結果帶來了誤差。因此，要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測量結果，須采用交流采樣技術。交流

23、采樣技術是按一定規(guī)律對被測信號的瞬時值進行采樣，再按一定算法進行數值處理，從而獲得被測量的測量方法。該方法的理論基礎是采樣定理，即要求采樣頻率為被測信號頻譜中最高頻率的2倍以上，這就要求硬件處理電路能提供高的采樣速度和數據處理速度。目前，dsp、高速mcu及高速a/d轉換器的大量涌現，為交流采樣技術提供了強有力的硬件支持。交流采樣法包括同步采樣法、準同步采樣法、非同步采樣法等種，我們重點介紹同步采樣法。同步采樣法就是整周期等間隔均勻采樣，要求被測信號周期t與采樣時間間隔及一周內采樣點數n之間滿足關系式t = n，即：采樣頻率為被測信號頻率的n倍。根據提供采樣信號方式不同，同步采樣法又分為軟件同

24、步采樣法和硬件同步采樣法兩種。本文主要涉及硬件同步法。(1)硬件同步法 硬件同步采樣法是由專門的硬件電路產生同步于被測信號的采樣脈沖。一種利用過零中斷理實現同步等間隔采樣的電路如圖2-1 所示。圖2-1 過零中斷電路此電路原理為過零比較器，其閥值電壓等于零。比較器的輸入信號是連續(xù)變化的模擬量，而輸出信號是數字量1和0，因此可以為采樣電路提供硬件中斷。處于開環(huán)狀態(tài)的集成運放是一種簡單的過零比較器，如上圖。上圖中集成運放tl062工作在非線性狀態(tài)，因此當時，；當時，。其中是集成運放的最大輸出電壓。2.2 電能質量參數算法針對電能質量的六項國家衡量標準，可以將其歸類為以下幾個方面來計算，其基本思路是

25、將連續(xù)信號的計算公式離散化并近似轉變成采樣信號的計算公式。2.2.1 快速傅里葉變換算法原理傅立葉變換是一種將信號從時域變換到頻域的變換形式，是電信和信號處理等領域中的一種重要工具。離散傅立葉變換(dft)是連續(xù)傅立葉在離散系統(tǒng)中的表現形式，但由于dft運算量太大，即使采用計算機也很難對問題進行實時分析，所以并沒得到真正的應用。而快速傅立葉變換 (fft)是快速計算(dft)的一種高效方法，在實際應用中成為穩(wěn)態(tài)諧波測量的最好方法。在本系統(tǒng)中，對電壓和電流兩個信號同時進行采樣，同時作頻譜分析，以便快速給出它們的頻譜序列和各次諧波的幅值和相角。將的序列先按的奇偶分為以下兩組： (2-1)則可以將d

26、ft化為： (2-2)利用系數的可約性和對稱性，上式可以表示成兩個部分：前半部分： (2-3)后半部分： (2-4)本設計中，我們對電壓電流兩個信號同時進行采樣，同時做頻譜分析，他們的頻譜序列分別為和，采用復序列fft計算。設： () (2-5)頻譜算式為： () (2-6)根據式(2-1)(2-4)，我們可以得到： (2-7)由(2-7)從而得到電壓電流的頻譜序列為： (2-8)上面式子中為的共軛復數。下面我們來推導信號經過fft變換后的幅值和相位表達式。假設有周期信號： (2-9)其中：=，是信號的周期。采樣后得到的離散序列表達式為： (2-10)n為一個周期采樣的點數。對進行dft變換得

27、到： = (2-11)由于： (2-12) 令和帶入(2-11),得到： (2-13) (2-14)利用傅里葉反變換將表示為的表達式： (2-15)同時，我們將(2-10)式展開為： (2-16)比較(2-15)和(2-16)，我們得到： (2-17)從而得到各次諧波信號的幅值和相位： (2-18)通過以上過程的分析可以用一次fft變換同時計算出電壓和電流的各次諧波的幅值和相位，為下面對各指標的計算提供了理論基礎。2.2.2 基本交流電參數計算原理(1)電壓電流有效值由電工學理論，交流電電壓，電流的定義式為： () (2-19)將連續(xù)的時間信號()離散化，每個周期取n點采樣，則有： () (2

28、-20)按照(2-19)計算出電壓（電流）有效值后，就可以按照以下計算電壓偏差公式15計算出所要的電壓偏差率：= (2-21)式中：u為實際有效值，ur是額定值。(2)功率的計算功率的測量主要有有功功率，無功功率，視在功率三個方面的參數測量。首先我們來看一下視在功率的測量方法。視在功率的定義式為： (2-22)式中：電壓有效值，v 電流有效值，a下面我們分析有功功率的計算方法。由電工學給出有功功率的計算式為： (2-23)式中： 有功功率，w 電壓有效值，v 電流有效值，a 電壓電流之間的相位角，rad 式中的 ，前面我們已經得到了，關鍵是的計算。實際中，由于諧波等因素的影響，我們很難得到的準

29、確值，因而利用(2-23)式很難進行有功功率的測量。那我們選擇另一種方法。我們可以從有功功率的另一個定義式： (2-24)來進行分析，即用電壓電流的瞬時值的乘積在一個周期內的積分來計算。將(2-24)式離散化處理得到有功功率的計算公式： (2-25)知道了視在功率和有功功率，我們利用公式： (2-26)式中：無功功率，var 有功功率，w計算得到。從而功率因數我們可以根據式(2-23)和式(2-26)得到：cos= (2-27) (3)頻率的計算眾所周知，由于系統(tǒng)采用整周期的均方根算法計算被測量的有效值，如果用于計算的采樣數據不是整周期采樣得到的，或者不是整周期的倍數時，那么測量值便會產生很大

30、的誤差。對于使用采樣數據來進行fft運算更是如此，由于fft隱含著周期性因素，如果沒有精確地測頻，也會導致測量出現很大的誤差。因此，該系統(tǒng)設計的一個很關鍵的部分便是如何得到待測信號的實時頻率。根據我們使用的單片機的硬件資源，本設計中，我們采用定時器捕獲的方式來實時得到頻率的數值。msp430f149單片機集成了具有脈沖捕獲/比較功能的定時器，通過設置定時器的相關寄存器，我們可以讓單片機工作在上升沿捕獲狀態(tài)。每當外部倍頻后的方波信號的上升沿過來時，都會觸發(fā)定時器中斷，在定時器中斷中，我們記下捕獲時計數器的計數值，當下一次捕獲時，記下新一次的捕獲值，兩次值相減便可以得到脈沖的周期長度。如此循環(huán)12

31、8次，128次得差值都保存在一個數組diff_array128中?？紤]到計數器剛開始計數時信號不一定從零點開始，我們舍棄前16次的值，從第17次開始，這樣就能計算出112個脈沖周期，接著計算出平均脈沖周期，該平均周期便是所測交流信號的周期，進而可以得出其頻率。用公式表示為： (2-28)式中：系統(tǒng)時鐘頻率 待測電網頻率(4)公用電網諧波為了定量表示電力系統(tǒng)正弦波形的畸變程度，gbt 14549-1993中定義了一些波形畸變的指標。它們是由各次諧波含量及諧波總量大小決定的。諧波含有率(hr)：k次諧波分量的有效值或幅值與基波分量的有效值或幅值之比，用百分數表示，第k次諧波電壓含有率表示為： (2

32、-33)式中：除基波外的各次諧波幅值 基波幅值總的諧波畸變率(thd): 諧波總量的有效值與基波分量的有效值之比，用百分數表示。電壓諧波總畸變量定義為： (2-34)式中：諧波電壓總量，利用上式，可以方便實現電網諧波參量的計算。(5)電壓波動電壓波動是指一系列電壓變動或工頻電壓包絡線的周期性變化。電壓波動值為電壓均方根值的兩個極值和之差，通常以其額定電壓的百分數來表示其相對百分值，即： (2-35)第3章 裝置硬件設計硬件結構設計是系統(tǒng)整體功能實現的基礎，它直接關系到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和采集到的數據的可靠性等問題。因此，系統(tǒng)硬件設計須遵循一定的原則：測量諧波時，為了使原始信號不產生畸變，電壓互感

33、器和電流互感器的頻率響應應具有適當的帶寬；考慮到系統(tǒng)要采集處理大量的數據，cpu的選擇要充分考慮到它的快速性；采集終端需要響應數據采集中斷等。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)需要具備良好的中斷異步響應能力。此外，微控制器芯片應選擇低功耗和具有豐富集成外設功能的，電路設計上也應本著低功耗和精簡可靠性，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)功能的擴展性。本裝置硬件設計主要有單片機主控制模塊，電源模塊、信號采集模塊和液晶顯示模塊等部分組成。 系統(tǒng)總體結構框圖見圖3-1。電流傳感器信號輸入電壓傳感器信號輸入顯示模塊主控制器模塊信號采集處理模塊信號采集處理模塊電源模塊按鍵模塊 圖3-1 系統(tǒng)整體框圖3.1 單片機主

34、控制模塊目前，數據采集系統(tǒng)的硬件設計中cpu(central proeessing unit)的選擇一般采用單片機或數字信號處理器(digital signal proeessor，dsp)來控制a/d采樣電路、存儲電路以及各種傳輸接口電路。其中，單片機的低硬件成本使得其在各種控制系統(tǒng)中迅速廣泛應用，然而它的時鐘頻率不高，運算速度較慢，難以滿足數據采集系統(tǒng)對速度的要求。而采用dsp的系統(tǒng)可以實現高速的數據傳輸和運算，但dsp的價格相對比較昂貴，開發(fā)技術難度也大。所以，本課題設計的數據采集系統(tǒng)選用了一款功能強大的混合信號編譯器，即msp430f149。3.1.1 msp430f149單片機簡介m

35、sp430系列單片機是美國德州儀器(ti)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗單片機，它是由msp430單片機的cpu和針對不同應用而提供的外圍模塊組成的。本課題選用的msp430系列單片機之一msp430f149作為采集系統(tǒng)的主控芯片除具有低功耗優(yōu)點外，主要有以下優(yōu)勢： (1) 強大的處理能力msp430系列單片機具有高效16位risc內核、27條指令、絕大多數指令可在一個時鐘周期內完成。當msp430單片機工作在8 mhz晶振時，指令速度可達8 mips，此外，msp430f149還具有16位硬件乘法器，大大增加了數據處理和運算能力。(2) 高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊(3)

36、由于ti公司在高性能模擬器件方面有技術優(yōu)勢，并將其運用在msp430 系列單片機上，使得其外圍模塊非常豐富。sp430f149有自帶采樣保持功能的高速12位adc12模塊，為數據采集提供了可靠保障；集成的看門狗定時器可以讓單片機在出現死機的情況下能夠自動重啟，提高了系統(tǒng)工作穩(wěn)定性；通用串行通信模塊的支持同步模式和異步模式，方便了與pc機得通信。(4) 方便靈活的開發(fā)環(huán)境msp430f149采用flash型存儲器，可多次編程，其集成的片內jtag調試接口可以實現在線編程和調試。開發(fā)時僅需pc機和jtag調試器，專門的軟件開發(fā)工具 iar workbench和可選的開發(fā)語言匯編語言或c語言方便了系

37、統(tǒng)的軟件開發(fā)。 為了數據的便于處理，需要將模擬信號轉換為數字信號。本系統(tǒng)的a/d轉換采用的是msp430f149內嵌的adc12，其主要特點有：(1)采樣速度高達200 kbit/s。 (2)12位轉換精度，1位非線性微分誤差，1位非線性積分誤差。 (3)內置采樣與保持電路。 (4)配置有8路外部通道與4路內部通道；具有16個轉換結果存儲寄存器。adc12的特點決定其完全能達到系統(tǒng)的快速性和可靠性的要求，同時它也簡化了電路。msp430f149單片機引腳圖如圖3-2所示。圖3-2 msp430f149引腳分布圖msp430f149內部的adc12單元共有12個轉換通道(其中8路外部通道與4路內

38、部通道)，通過a0a7實現外部8路模擬信號的輸入，設有16個轉換存儲器adc12mem 用于存儲和轉換數據。內部 adc12單元與外部的ad芯片相比，它不用端口之間進行長距離的傳輸，而只是內部寄存器的讀取，具有傳輸速度快和抗干擾能力強的特點，但同樣由于芯片的高度集成，相鄰引腳間的干擾和波動比較大。3.1.2 msp430f149引腳分布及工作方式(1)msp430f149引腳分布見附錄a(2)(2)msp430f149工作方式(硬件控制和軟件控制)通過對不同模塊操作模式和cpu狀態(tài)的智能管理，msp430f149芯片的工作方式可以滿足多種超低電壓和超低功耗的需求，即使在中斷處理期間也一樣。一個

39、中斷事件可以把系統(tǒng)從各種低功耗方式喚醒并且通過reti指令回到中斷以前的工作狀態(tài)。系統(tǒng)使用的時鐘信號有aclk和mclk。aclk就是晶振的頻率信號，smclk和是aclk的倍頻信號，作為系統(tǒng)和子系統(tǒng)時鐘。下面是芯片支持的6種工作方式：(1)活動方式(am)：cpu和不同組合的外圍模塊被激活，處于活動狀態(tài)。(2)低功耗方式0(lpm0)：cpu停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，aclk和smclk有效，mclk 的環(huán)路控制有效。(3)低功耗方式1(lpm1)：cpu停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，aclk和smclk有效，mclk 的環(huán)路控制無效。(4)低功耗方式2(lpm2)：cpu停止工作，外圍模塊

40、繼續(xù)工作，aclk有效，aclk和smclk 的環(huán)路控制無效。(5)低功耗方式3(lpm3)：cpu停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作，aclk有效，aclk和smclk 的環(huán)路控制無效，并且數子控制振蕩器(dco)的dc發(fā)生器被關閉。(6)低功耗方式4(lpm4)：cpu停止工作，外圍模塊繼續(xù)工作(如果提供外部時鐘)，aclk信號被禁止(晶體振蕩器停止工作)，mclk和smclk 的環(huán)路控制無效，并且數子控制振蕩器(dco)的dc發(fā)生器被關閉。通過軟件對內部時鐘的不同設置，可以控制芯片處于不同工作方式。整個時鐘系統(tǒng)提供豐富的軟硬件組合方式，已達到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的系統(tǒng)性能。具體有：(1)使用內部

41、時鐘發(fā)生器(doc)無需任何器件。(2)選擇外結晶體或陶瓷振蕩器，可以獲得最低頻率和功耗。(3)采用外部時鐘信號。(4)狀態(tài)寄存器sr中共有四個用于控制cpu和系統(tǒng)時鐘發(fā)生器的控制位，可以影響時鐘系統(tǒng)的操作方式，控制各種低功耗方式快速裝換。它們是：scg1、scg0、oscff、和cpuoff。如圖3-3所示。 圖3-3 系統(tǒng)時鐘發(fā)生器的控制位 終上所述msp430f149單片機既滿足本設計響應快速，高精度的設計要求，又做到了低電壓低功耗。很適合做本設計的控制處理中樞。3.2 電源模塊3.2.1 交直轉換模塊電源模塊為整個諧波數據采集系統(tǒng)提供必不可少的能量，是系統(tǒng)的工作基礎，電源電路的設計直接

42、影響著系統(tǒng)的性能，所以電源的穩(wěn)定性和正確性十分關鍵。系統(tǒng)電源取于220 v市電，經變壓器后輸出的16 v交流電經全橋(db107s)整流濾波得到比較平滑的12v直流電壓,后經過tps73801得到5v，在經過lm1117-3.3得到3.3v直流電，滿足系統(tǒng)用電需求。各轉換模塊如圖3-4、3-5、3-6所示。圖3-4 市電220v轉12v直流圖3-5 12v直流轉5v直流圖3-6 5v轉3.3v3.2.2 退耦電路所謂退耦，既防止前后電路網絡電流大小變化時，在供電電路中所形成的電流沖動對網絡的正常工作產生影響。換言之，退耦電路能夠有效的消除電路網絡之間的寄生耦合。退耦濾波電容的取值通常為4720

43、0f，退耦壓差越大時，電容的取值應越大。所謂退耦壓差指前后電路網絡工作電壓之差。 如圖3-7為典型的rc退耦電路，r起到降壓作用。圖3-7 退耦電路大家看到圖中，在一個大容量的電解電容c1旁邊又并聯了一個容量很小的無極性電容c2。原因很簡單，因為在高頻情況下工作的電解電容與小容量電容相比，無論在介質損耗還是寄生電感等方面都有顯著的差別（由于電解電容的接觸電阻和等效電感的影響，當工作頻率高于諧振頻率時，電解電容相當于一個電感線圈，不再起電容作用。在不少典型電路，如電源退耦電路，自動增益控制電路及各種誤差控制電路中，均采用了大容量電解電容旁邊并聯一只小電容的電路結構，這樣大容量電解電容肩負著低頻交

44、變信號的退耦，濾波，平滑之作用；而小容量電容則以自身固有之優(yōu)勢，消除電路網絡中的中，高頻寄生耦合。在這些電路中的這一大一小的電容均稱之為退耦電容。還有些電路存在一些設置直流工作點的電阻，為消除其對于交流信號的耦合或反饋作用就需要在其上并聯適當的電容來減少對交流信號的阻抗。這些電容均起到退耦作用稱之為退耦電容。 圖3-8 退耦電路耦合指信號由第一級向第二級傳遞的過程，一般不加注明時往往是指交流耦合。退耦是指對電源采取進一步的濾波措施，去除兩級間信號通過電源互相干擾的影響。耦合常數是指耦合電容值與第二級輸入阻抗值乘積對應的時間常數。退耦有三個目的：(1)將電源中的高頻紋波去除，將多級放大器的高頻信

45、號通過電源相互串擾的通路切斷。(2)大信號工作時，電路對電源需求加大，引起電源波動，通過退耦降低大信號時電源波動對輸入級/高電壓增益級的影響。(3)形成懸浮地或是懸浮電源，在復雜的系統(tǒng)中完成各部分地線或是電源的協(xié)調匹配。3.3 信號采集模塊諧波數據采集是諧波特征分析的基礎，采集數據的精確度直接影響著諧波分析結果，諧波數據采集系統(tǒng)作為諧波分析的載體，其良好的性能設計十分關鍵。諧波數據采集系統(tǒng)應該包括硬件設計和軟件設計兩方面。硬件設計電路的合理性決定著系統(tǒng)工作時的高精度和穩(wěn)定性。高效、穩(wěn)定和安全的軟件設計也直接影響著采集系統(tǒng)的性能。3.3.1 數據采集系統(tǒng)簡介作為獲取信息的一種重要手段，數據采集(

46、data acquisition，daq)是指利用傳感器對現實世界中的物理信號，如壓力、溫度、流量等模擬量(模擬信號) 進行采集、轉換成數字量(數字信號) 后，再由計算機進行處理、存儲、顯示或打印的過程。用于數據采集的成套設備，通常稱為數據采集系統(tǒng)(data acquisition system，das)。歸納其主要任務為：a/d轉換，即將采集終端中傳感器采集到的模擬信號轉換成數字信號以方便計算機識別處理；計算機將接收到的數字信號根據不同的需要進行計算處理，或進一步將處理的數據進行顯示和打印，來方便實現對有用物理量的控制和監(jiān)視。 按照數據采集系統(tǒng)與計算機的通信方式可以將采集系統(tǒng)分為兩大類，即內

47、置式和外置式數據采集系統(tǒng)。內置式數據采集系統(tǒng)通過計算機的內部總線與計算機通信，常被做成板卡的形式安裝在計算機機箱內部插槽上，因此容易受到諸如插槽數量、中斷資源、不易擴展和不支持熱插拔等限制；外置式數據采集系統(tǒng)利用計算機的外部接口與計算機進行通信，常見的外部接口有rs-232(recommended standard 232)、usb(universal serial bus)等。與內置式數據采集系統(tǒng)相比具有可靠性高、成本低、易擴展、支持熱插拔、使用方便和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。3.3.2 信號采集電路總體設計系統(tǒng)的主要結構和外圍模塊包括：模擬轉換和信號調理電路、過零檢測電路。結構圖如圖3-9所示。 過

48、零比較器電壓信號調理模塊ptmsp430f149ct電流信號調理模塊圖3-9 采樣電路結構圖系統(tǒng)硬件設計須遵循一定的原則：測量諧波時，為了使原始信號不產生畸變，電壓互感器和電流互感器的頻率響應應具有適當的帶寬；考慮到系統(tǒng)要采集處理大量的數據，cpu的選擇要充分考慮到它的快速性；采集終端需要響應數據采集中斷和數據通信中斷等，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)需要具備良好的中斷異步響應能力；此外，微控制器芯片應選擇低功耗和具有豐富集成外設功能的，電路設計上也應本著低功耗和精簡可靠性，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)功能的擴展性。3.3.3 過零檢測電路設計考慮周期信號的諧波分析中常用的采樣方法，同步采樣法

49、分析簡單易于操作但是難于實現；準同步采樣法計算諧波參數簡單但實時性差；非整周期采樣法雖然實時性好，但需要對其誤差深入討論。本課題對軟件同步采樣法進行改進，利用硬件過零檢測電路產生采集中斷信號輔助軟件周期采樣，大大降低了采樣同步偏差。如圖3-10為硬件過零中斷電路。圖3-10 硬件過零中斷電路 此電路原理為過零比較器，其閥值電壓等于零。比較器的輸入信號是連續(xù)變化的模擬量，而輸出信號是數字量1和0，因此可以為采樣電路提供硬件中斷。處于開環(huán)狀態(tài)的集成運放是一種簡單的過零比較器，如上圖。上圖中集成運放tl062工作在非線性狀態(tài)，因此當時，；當時，。其中是集成運放的最大輸出電壓。簡單過零比較器電路圖、傳

50、輸特性、輸出特性如圖3-11所示。圖3-11 簡單過零比較器電路連接、傳輸特性、輸出特性3.3.4 模擬信號采集電路模擬量信號的采集和a/d轉換共同組成了模擬量輸入模塊；其中模擬量信號采集又由隔離電路和信號調理電路構成。采集到的交流電壓和交流電流經過隔離電路和信號調理電路后進入msp430f149的a/d通道進行轉換。本采集系統(tǒng)設計中設定的adc輸入信號為03.3 v 的單極性信號，因此由互感器轉化來的雙極性信號在送入adc前應進行信號的抬升工作，另外，為了提高有效信息的分辨率還需要對信號進行一定的放大，這就需要在互感器和adc間設計信號調理電路以滿足對信號的抬升放大。設計選取了dvdi-00

51、1臥式穿芯小型精密電壓互感器(potential transformer，pt)和ta1419-4臥式穿芯小型精密交流電流互感器(current transformer，ct)來來滿足以上要求。220 v的高壓電和大電流經過互感器可轉化為幅值為-0.5+0.5 v的微信號。信號調理電路使-0.5+0.5 v的輸入信號進行約3倍的放大和1.6 v的抬升。如圖3-8上所示為此采集系統(tǒng)中設計的信號調理電路。根據集成運放的“虛短”和“虛斷”原理及電壓電流運算原則可分析得：若使輸出電壓不超出03.3 v，可調節(jié)ry20和ry32，使0.5+0.5 v的輸入信號進行約3倍的放大和1.6 v的抬升。 電路圖

52、如圖3-12所示。圖3-12 模擬量采集系統(tǒng)電路3.3.5 諧波檢測電路諧波數據采集系統(tǒng)的硬件結構設計是系統(tǒng)整體功能實現的基礎，它直接關系到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和采集到的數據的可靠性等問題。對一路諧波采集時可選用rc帶通濾波電路。電路圖如圖3-13所示。圖3-13 rc帶通選頻電路衡量濾波器性能的參數一般有通頻帶帶寬，通帶中心頻率、增益、品質因數。其中在電流等于最大電流值的0.707 倍范圍內上下兩個頻率為、；增益為通帶中心頻率處的信號放大倍數。 上圖所示的電路圖中，增益1即不改變輸入信號幅值的大小時應滿足： 當電容值都取100nf，取10k，時，得到通帶中心頻率，我們通過調節(jié)滑動變阻器r3來調節(jié)通帶中心頻率到此時通頻帶。為測定系統(tǒng)所用選頻電路性能，做了以下測試：調整信號發(fā)生器輸出峰峰值為3.3v的正弦