工頻參數(shù)測量裝置中數(shù)字濾波器的Delphi和Matlab實現(xiàn)

1、422002年2月󰀁第30卷󰀁第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁繼電器RELAY󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁工頻參數(shù)測量裝置中數(shù)字濾波器的Delphi和Matlab實現(xiàn)趙霞(重慶大學電氣工程學院電力系,重慶,400044)摘要:說明分別用Delp

2、hi和Matlab設計實現(xiàn)電力線路工頻參數(shù)測量裝置中所要求的50Hz󰀁5Hz帶通數(shù)字濾波器的方法,提供一種Delphi和Matlab共享數(shù)據(jù)的方法。關鍵詞:數(shù)字濾波器;󰀁Delphi;󰀁Matlab中圖分類號:TN713+.7󰀁󰀁󰀁文獻標識碼:B󰀁󰀁󰀁文章編號:1003-4897(2002)02-0042-041󰀁引言數(shù)字濾波技術是數(shù)字信號處理中應用廣泛的一種線性系統(tǒng)環(huán)節(jié)。相對于傳統(tǒng)的模擬濾波器,數(shù)字濾波器有濾波精度高、穩(wěn)定性高和靈活性

3、高的優(yōu)點。數(shù)字濾波器按單位脈沖響應的不同可分為無限長單位脈沖響應(IIR)濾波器和有限長單位脈沖響應(FIR)濾波器。其中,FIR濾波器可以在幅度特性隨意設定的情況下,保證精確嚴格的線性相位特性,且不存在不穩(wěn)定問題。數(shù)字濾波技術在電力系統(tǒng)中應用廣泛,如微機保護中故障信號的處理,在線監(jiān)測中的抗干擾措施都可能采用數(shù)字濾波器。筆者曾參與研制與開發(fā)基于PC的電力線路工頻參數(shù)測量裝置。該裝置多在變電站中使用,電磁環(huán)境復雜,且試驗電源中也可能含有諧波分量,為了測得準確的線路工頻參數(shù),濾波是必要的抗干擾措施之一。考慮到數(shù)字濾波器的上述優(yōu)越性,采用數(shù)字濾波器。參數(shù)測量工作的實時性要求不高,因此沒有必要采用專用

4、的DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波。同時,系統(tǒng)對外設的控制沒有特殊要求,考慮到人機界面問題、對參數(shù)測量資料數(shù)據(jù)庫的管理問題、軟件的升級與維護問題,測量裝置基于PC實現(xiàn),而未采用常見智能儀表的單片機模式。裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖1示:5Hz帶通FIR濾波器。為減小濾波器的截斷效應,選擇海明窗函數(shù)。N階FIR濾波器用下述差分方程描述,設計濾波器的任務即是找出一組合適的系數(shù)bi使濾波器性能滿足設計要求。y(n)=i󰀁bix(n-i)=0N(1)窗函數(shù)法設計FIR濾波器的步驟為:a.根據(jù)技術要求(即濾波器的理想頻響確定待求濾波器的理想單位取樣響應。b.選擇窗函數(shù),并估計窗口長度。c.計算濾波器的單位取

5、樣響應,即系數(shù)bI。d.驗算技術指標是否符合要求。必要時重復步驟b-d。2󰀁數(shù)字濾波器的Delphi實現(xiàn)Delphi是Inprise(原Borland)公司推出的一種基于ObjectPascal語言的面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)工具,采用控件的形式,可以快速、直觀地進行Windows應用程序開發(fā)。參數(shù)測量裝置要求人機界面友好、支持測量結(jié)果的入庫、查詢和報表打印。選擇Delphi作為軟件開發(fā)工具是合適的。對于A󰀁D的底層驅(qū)動編程,可以用Delphi的嵌入式匯編實現(xiàn),這不是本文的重點。下文將說明用Delphi編程實現(xiàn)數(shù)字濾波器。根據(jù)FIR的實現(xiàn)方法,設計TFirFilter類

6、,在De-lphi中的定義如下。typeTComplex=record󰀁Re:double;󰀁Im:double;󰀁Amp:double;󰀁圖1󰀁裝置硬件框圖二次電流、電壓經(jīng)變送器電平轉(zhuǎn)換、隔離、屏蔽和模擬低通濾波后進入后臺PC,軟件實現(xiàn)數(shù)字濾波算法。考慮到FIR濾波器能保證嚴格的線性相位,適合計算機實現(xiàn),本裝置中用窗函數(shù)法實現(xiàn)50Hz󰀁工頻參數(shù)測量裝置中數(shù)字濾波器的Delphi和Matlab實現(xiàn)43end;TFirfilter=classprivate󰀁WinSize:intege

7、r;󰀁󰀁窗口長度󰀁CloseFreq:double;󰀁󰀁通帶中心頻率󰀁HighFreq:double;󰀁󰀁通帶上邊帶󰀁LowFreq:double;󰀁󰀁通帶下邊帶󰀁SamCycle:double;󰀁󰀁采樣周期󰀁SamPoint:integer;󰀁󰀁工頻周期采樣點數(shù)󰀁Pi:double;󰀁Hamm

8、ingArray:arrayofdouble;󰀁󰀁海明窗序列󰀁IdPulseRespArray:arrayofdouble;󰀁󰀁理想脈沖響應󰀁PulseRespArray:arrayofdouble;󰀁󰀁脈沖響應,即濾波器系數(shù)󰀁DFTArray:arrayofTcomplex;󰀁󰀁濾波器頻響󰀁procedureSetHammingArray;󰀁procedureSetIdPulseResp

9、Array;󰀁procedureSetPulseRespArray;󰀁procedureSetDFTArray(ADFTSize:integer);public󰀁constructorCreate(AWinSize:integer;ACloseFreq,AHighFreq,ALowFreq:double;ASamPoint:integer);󰀁ProcedureGetPulseRespArray(varAPulseRespArray:arrayofdouble);󰀁ProcedureGetDFTArray(varA

10、DFTArray:arrayofTcomplex;ADFTSize:integer);end;其中,TComplex是為了方便處理復數(shù)而自定義的復數(shù)記錄類型。TFirfilter的私有變量封裝了窗函數(shù)長度,理想帶通濾波器的截止上、下頻率,采樣周期等變量以及實現(xiàn)FIR濾波器過程中產(chǎn)生的海明窗函數(shù)序列、理想濾波器單位脈沖響應序列、經(jīng)窗函數(shù)截斷處理后得到的濾波器單位脈沖序列,即(1)式中濾波器的系數(shù)序列。私有方法中實現(xiàn)上述各序列的產(chǎn)生過程。窗函數(shù)法是經(jīng)典的FIR濾波器的設計方法,編程實現(xiàn)也很容易。因篇幅限制,這里不列出過程的具體代碼。TFirfilter類的公有部分提供外部接口,構(gòu)造過程Create

11、根據(jù)生成對象實例時提供的濾波器的相應參數(shù)初始化類變量,GetPulseRespArray過程封裝了濾波器系數(shù)的產(chǎn)生過程,并通過局部數(shù)組變量返回濾波器的設計結(jié)果,即系數(shù)序列bi,i=0,1.n。GetDFTArray過程在需要時,用離散傅立葉變換(相應的頻域復序列,由此可檢驗濾波器的頻域指標是否符合技術要求。在參數(shù)測量裝置中,擬實現(xiàn)50Hz󰀁5Hz的工頻帶通濾波器,采樣頻率為每工頻周波12個點,經(jīng)反復試驗,濾波器的長度可考慮選取31階。因此,在Delphi中可實現(xiàn)為:var󰀁MyFilter:TFirFilter;󰀁󰀂𘀀

12、1;MyFilter:=TFirFilter.Create(32,50,55,45,12);󰀁󰀁窗長應為32󰀁󰀂由于采用面向?qū)ο蟮脑O計方法,TFirFilter類很容易擴展功能,如要使其適用于低通、帶通、帶阻、高通濾波器,或適用于不同的窗函數(shù),只需增加相應的濾波器參數(shù)變量,如FilterType,WinType,并重載相應的實現(xiàn)過程。筆者曾將上述TFirFilter的代碼擴展重用以實現(xiàn)󰀁150Hz的低通濾波器,用于變電站蓄電池巡檢裝置的數(shù)字濾波處理,效果良好,工作量很小。3󰀁數(shù)字濾波器的Matlab

13、實現(xiàn)Matlab是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的計算和可視化軟件,集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體。其中的SignalPro-cessing工具箱具有強大的信號處理能力。因此,用Matlab來實現(xiàn)上述數(shù)字濾波器的想法是很自然的。上述帶通濾波器在Matlab中的一種實現(xiàn)如下:functionb=myfilter(sampoint,fl,fh,fsize)%工頻周波采樣點數(shù)sampoint;通帶截止頻率fl,fh;%濾波器階數(shù)fsizefs=50*sampoint;ns=fs*0.5;%Nyquist頻率fl=fl󰀁ns;fh=fh𘀀

14、1;ns;b=fir1(fsize,flfh);利用Matlab提供的基于窗函數(shù)的濾波器生成函數(shù)fir1(缺省窗函數(shù)為Hamming窗,濾波器的頻域參數(shù)相對于Nyquist頻率,即1󰀁2采樣頻率給出)可以很方便地設計實現(xiàn)上述濾波器。相同指標的上述數(shù)字濾波器在Matlab中可通過下列函數(shù)調(diào)用實現(xiàn):b=myfilter(12,45,55,31)。如何在參數(shù)測量裝置中利用Matlab的設計結(jié),442002年2月󰀁第30卷󰀁第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

15、󰀁󰀁󰀁繼電器RELAY󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁系數(shù)矢量b,保存在某個數(shù)據(jù)文件中,然后在軟件中讀取該數(shù)據(jù)文件。因為參數(shù)測量的實時性要求不高,對于定指標的數(shù)字濾波器,上述方法是可行的。因此,在Matlab的myfilter函數(shù)中續(xù)寫數(shù)據(jù)保存的代碼:󰀁%以寫方式創(chuàng)建二進制數(shù)據(jù)文件fid=fopen(󰀁c:filterdata.bin󰀁

16、,󰀁w󰀁);%將濾波器的系數(shù)矢量以雙精度格式寫入文件fwrite(fid,b,󰀁double󰀁);fclose(fid);在Delphi中讀取上述文件:ProcedureDataFetch(varBarray:arrayofdouble;varAr-raySize:integer);var󰀁UtypeFile:file;󰀁i:integer;begin󰀁ifOpenDialog1.Executethen󰀁beginAssignFile(UtypeFile,OpenDi

17、alog1.FileName);󰀁󰀁取記錄長度為double類型的字節(jié)長󰀁Reset(UtypeFile,8);󰀁tryArraySize:=filesize(UtypeFile);BlockRead(UtypeFile,Barray,ArraySize);󰀁finallyCloseFile(UtypeFile);󰀁end;end;上述讀數(shù)據(jù)過程利用Delphi的無類型文件讀過程BlockRead來完成數(shù)據(jù)塊的讀操作。需注意記錄的長度應與數(shù)據(jù)類型相匹配。因此,在Matlab中保存數(shù)據(jù)時,應避免使用與

18、Delphi不兼容的數(shù)據(jù)類型,否則不能正確讀數(shù)。數(shù)字信號處理的基礎。b)用Delphi實現(xiàn)時,可動態(tài)改變?yōu)V波器的參數(shù),實現(xiàn)靈活的人機交互。而前述Matlab方法只適用于離線預生成濾波器。若要求在線應用,則存在Matlab與Delphi的接口問題。Matlab本身沒有提供和Delphi的接口程序。一種可行的方法是利用MathTools公司開發(fā)的.m文件解釋和調(diào)試工具Mat-com將前述myfilter.m翻譯為cpp代碼,并編譯為.dll(動態(tài)鏈接庫)文件,再用Delphi調(diào)用。或者利用Matlab與VC的接口函數(shù),如VC下的Matlab引擎(engine),再通過DLL實現(xiàn)Matlab與Del

19、phi的接口,該方法需要Matlab平臺的支持。不管采取哪種方法,都會增加軟件代碼。下面,列出兩種方法設計所得的濾波器的頻譜,進一步比較兩種方法在分析濾波器性能上的不同,并借以驗證Delphi中TFirfilter類的正確性。為與Matlab中DFT的有關缺省參數(shù)保持一致,DFT的長度選為512,即Delphi的譜分析過程中ADFTSize賦值為512。在Delphi中可利用第三方提供的共享控件sp-XYLine,sp-XYPlot,sp-Spectrlines繪制相應的濾波器幅頻特性,如圖2示。圖2󰀁用Delphi所得的頻譜Matlab本身則有強大的繪圖功能,獲取以模擬域頻率

20、(Hz)為橫坐標的幅頻分貝特性可編程如下。h,w=freqz(b,1);%求濾波器的頻率響應%橫坐標從數(shù)字域角頻率轉(zhuǎn)換為模擬域頻率%縱坐標轉(zhuǎn)換為dBplot(w*50*12󰀁(2*pi),20*log10(abs(h);axis(0,300,-100,10);gridon;幅頻特性如圖3示。對比圖2、圖3可知,兩圖僅由于繪圖工具不同而有細小差別,曲線則幾乎是相同的。從而說明用TFirFilter設計的濾波器及相應的DFT分析程序是正確的。若利用Matlab預生成濾波器系數(shù),再用Delphi4󰀁兩種方法的比較從以下幾個方面對前述兩種數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法進行比較和評

21、述:a)在Matlab中實現(xiàn)數(shù)字濾波器,利用信號處理工具箱中的函數(shù),只需理解函數(shù)的接口,包括Matlab中一些特殊的處理,如對Nyqusit頻率的使用,但不需了解濾波器的具體實現(xiàn)過程。在Delphi中實現(xiàn)時,工頻參數(shù)測量裝置中數(shù)字濾波器的Delphi和Matlab實現(xiàn)45使用Delphi進行系統(tǒng)開發(fā),而用Matlab進行信號處理與分析的應用具有一定的參考價值。在參數(shù)測量裝置中,設計實現(xiàn)濾波器的計算量并不大,而且用戶也不要求對濾波器進行在線的譜分析,因此,采用Matlab實現(xiàn)方法的意義不大,更沒必要刻意追求Delphi與Matlab的混合編程。最后發(fā)布給用戶的裝置配套軟件用Delphi方法實現(xiàn)數(shù)

22、字濾波器,經(jīng)實驗室仿真和現(xiàn)場測試,抗諧波干擾的效果良好。參考文獻:1󰀁陳樹德.計算機繼電保護原理與技術M.北京:水利電力出版社,1992.2󰀁SteveTeixeira,XavierPacheco著,任旭鈞等譯.Delphi5開發(fā)人員指南M.北京:機械工業(yè)出版社,2000.3󰀁樓順天,李博菡.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設計-信號處理M.西安:西安電子科技大學出版社,1998.4󰀁趙敏,江帆.Delphi與Matlab接口軟件的設計J.計算機自動測量與控制,2000,8(4):26-28.收稿日期:󰀁2001-06

23、-04作者簡介:󰀁趙霞(1975-),女,碩士,主要從事微機在電力系統(tǒng)中的應用研究。圖3󰀁用Matlab所得的頻譜的繪圖工具作頻譜特性,則所得的特性與圖2完全相同。Matlab的圖形功能十分強大,plot及一些相關的函數(shù)對于繪制xyz域的各種曲線、設置曲線性質(zhì)、標注曲線等操作都十分簡便和快捷。比較而言,上述Delphi控件的處理能力則有限。5󰀁結(jié)語在電力線路工頻參數(shù)測量裝置中,采用數(shù)字濾波技術作為抗諧波干擾的措施之一。文章闡述了分別利用Delphi中自定義的類和Matlab中提供的數(shù)字信號處理函數(shù)來實現(xiàn)上述數(shù)字濾波器的方法,并對兩種方法進行了比較分析。文章提供了一種Delphi與Matlab通過數(shù)據(jù)文件進行數(shù)據(jù)交換的方法,對于DesigndigitalfilterusingDelphiandMatlabforpowerfrequencyparametersmeasureapparatusZHAOXia(ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)digitalfilter;󰀁Delphi;󰀁Matlab(上接第37頁)5󰀁彭承柱.SDH傳送網(wǎng)技術M.電子工業(yè)出版社,1996,12.6󰀁楊祥林.光纖通信系統(tǒng)M.國防工業(yè)出版社,2