基于DSP和CPLD的電力參數檢測終端的設計

摘    要：本文介紹了電力參數檢測終端的硬件結構以及參數的計算，著重講述了采樣脈沖的產生過程、抗混疊軟件濾波、缺相檢測原理、測頻方法和諧波計算原理。
關鍵詞：DSP；軟件濾波；缺相檢測；諧波分析；FFT

引言
在供電系統中，對諧波、負荷電流、功率因數等電力參數進行合理的估算并采取相應的措施是非常必要的。本文設計了一種基于DSP和CPLD的電網質量的監控裝置。該裝置通過采集這些參數，計算并判斷電能質量的優劣，同時與監測主站進行通訊，接收主站下達的各種命令，傳送主站所需的各種參數，達到實時監控的目的。本文詳細分析了DSP的硬件及軟件實現、FFT算法的實現、諧波分析、軟件濾波、參數計算以及由CPLD實現的缺相檢測、采樣脈沖產生、鍵盤消抖、地址譯碼等邏輯實現的問題。

硬件設計
系統框圖如圖1所示。變壓器監測終端首先把經過CT、PT的三相電壓和電流轉換為標稱值為100V和5A的電壓、電流，再把該信號經過傳感器轉換為跟隨式的標稱值為5V的電壓信號。信號經過過零比較器生成頻率相同的方波，以利于測頻和實現缺相檢測。同時由CPLD和DSP控制可同時對ADS7864完成六路信號的數據采集。然后由DSP完成軟件濾波、FFT運算以及各電網參數的計算檢測并進行各種判斷，將需要的數據存貯于掉電保護的NVRAM中。系統時鐘由可編程萬年歷時鐘芯片DS2000提供，同時由控制中心精確對時。如果判斷讀出的數據值越限，DSP就控制相應的輸出繼電器動作，進行外部電容器的投切及報警信息的發送。終端與主站通過RS-232、RS-485傳送信息，RS-232主要做為當地調試接口，RS-485用于遠程通訊。系統配有鍵盤輸入和LCD顯示。
信號調理電路
RC濾波器的輸出信號范圍為-5V~+5V，而ADS7864的模擬輸入信號范圍為0~+5V，因此需要進行信號的調理。圖2所示是其調理電路。
采樣脈沖的產生
本系統中采用以數字鎖相環為核心的采樣脈沖產生器。將待測信號經過過零比較器LM339，得到一個方波作為數字鎖相環的輸入。設輸入信號頻率為fi，反饋頻率為ff，輸出信號的頻率為fo。根據閉環控制理論ff=fi，需要128倍頻，通過分頻器選擇分頻比(128倍分頻器由CPLD實現)，使ff=(1/128)fo，從而得到f0=128fi。所以采樣信號周期T=156.25ms(設基頻為50Hz)。將f0=128fi做為采樣頻率送至ADS7864的采樣保持輸入引腳。
A/D轉換器ADS7864
ADS7864是TI的6通道全差分輸入雙12位A/D轉換器。這種模數轉換器能以500kHz的采樣率同時進行六通道信號的采樣。ADS7864的六路輸入通道可以分成三對，分別用于電網的三相電壓和三相電流的輸入，并可將模擬信號轉換成DSP或微處理器所需的數字信號。輸入到片內六個采樣-保持放大器的信號經過全差分可在ADC輸入期間保持，以使其在50kHz時仍然提供高達80dB的良好模抑制比，這一點對高噪聲時的輸入噪聲抑制可起到非常重要的作用。另外，ADS7864特有的并行接口能夠與六個FIFO寄存器進行連接，從而可以更快速地捕獲數據。
本設計中將f0=128fi接至ADS7864的采樣保持信號HOLDa、HOLDb、HOLDc。當其為0時，可以同時保持六路輸入信號，然后按工作模式設定的先后次序分別進行A/D轉換。為了提高系統的效率，將ADS7864的/BUSY信號接至CPLD，由其判斷ADS7864產生三個/BUSY信號后產生一個中斷，通知DSP一次性讀走ADS7864的FIFO中六個轉換好的數據。
缺相檢測的實現
解決缺相檢測問題的設計思想如框圖3所示。CPLD對經過過零比較器整成方波的三相信號進行判斷，根據判斷結果，選取某一相信號送入到倍頻電路，同時把判斷的結果傳送給DSP，由DSP根據結果發出報警。在此給出CPLD的A相判斷程序。
process(reset,f42,Fa) ----------------f42=610.352Hz
begin
if reset='0' then
   sum5<=0;
   sd(0)<='1';
elsif (f42'event and f42='1') then
           if(Fa='0')then
                if sum5=9 then
                   sd(0)<='0';
                   sum5<=0;
                 else
                    sum5<=sum5+1;
                 end if;
           else
                 sd(0)<='1';
                 sum5<=0;
          end if;
end if;
end process;
假設在16.384ms內沒有高電平信號就判斷為該相無信號，即本系統的測量頻率下限為30.52Hz。
數據結果的傳輸與判斷
DSP根據采樣數據進行計算后得到的結果保存在掉電不丟失的RAM里，根據上行站點的要求通過GSM引擎模塊發送出數據，或通過RS-232串口直接從系統中讀取數據。DSP也根據設定的參數標準，用計算所得的數據與之比較，判斷各種參數是否合格。如果不合格則做出相應的動作，如控制電容的投切、向上行站點報警、記錄不合格數據等，從而實現無人監控。

信號的軟件濾波
本系統的頻率測量范圍以A級為標準，截止頻率選為2.5kHz，并在頻帶寬度內特性應盡可能平坦。當頻率高于截止頻率時應盡快衰減。
DSP的FIR濾波器的差分方程為：y(n)=h(k)