基于μC／OS-II的電力參數(shù)監(jiān)測儀設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)
電力參數(shù)測量儀器系統(tǒng)的硬件部分是以TI公司的TMS320LF2407A為核心，其軟件部分是以μC／OS-II為執(zhí)行軟件，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一種具有電力參數(shù)測量、顯示和通訊功能的智能化檢測儀，給出了比較完整的外設(shè)擴展，包括電源電路、監(jiān)控電路、時鐘電路、JTAG端口電路、模擬量輸入電路、頻率采集電路及通訊電路等，同時該系統(tǒng)還具有實時時間顯示和看門狗功能，且可通過RS232或CAN總線與外部(微機)通信，其原理框圖如圖1所示。

一般情況下，根據(jù)系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能、處理速度和存儲器尋址能力選擇合適的處理器及外圍器件。由于系統(tǒng)涉及信號處理和數(shù)學(xué)計算，因此選擇定點的DSP作為處理器，根據(jù)所選的處理器確定所需的外部設(shè)備。包括定態(tài)RAM，E一PROM，閃存，串行和并行通信接口，網(wǎng)絡(luò)接口，可編程定時器／計數(shù)器，狀態(tài)LED指示和應(yīng)用的專門硬件電路。
系統(tǒng)中選用了TI公司的TMS320LF2470A DSP作為主控制器，它是TMS320LF2407的增強型，其內(nèi)部總線采用哈佛結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度為40 MI／s，絕大部分指令可以在單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。在TI的240x系列的DSP中，TMS320LF2407A無論內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍控制接口，都具有優(yōu)異性能，考慮到該型號的DSP內(nèi)部集成有A／D轉(zhuǎn)換器，CAN模塊，高達32 K的Flash程序存儲器。應(yīng)用這些資源可大大簡化該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并且其高速處理特性可實現(xiàn)很多先進的控制算法。
2．2 信號預(yù)處理電路
交流模擬量輸入電路由隔離電路和調(diào)理電路組成，隔離電路的作用是將交流電壓或電流轉(zhuǎn)換為直流信號，并把這些信號送給模擬量調(diào)理電路。由于TMS320LF2407A的模擬電壓輸入范圍為O～3.3 V，因此應(yīng)首先通過傳感器或運算放大器將測量電壓轉(zhuǎn)換至合適的電壓范圍，同時在模擬電壓進入DSP之前設(shè)計合理的電壓跟隨器，使電壓增益趨近于1。
2．3 電力參數(shù)測量算法
通常需監(jiān)測的電力參數(shù)包括電壓、電流、頻率、有功功率等。對于電壓、電流參數(shù)的測量，常用的方法有直流采樣法和交流采樣法。對于頻率參數(shù)的監(jiān)測方法采用DSP中的捕獲單元來監(jiān)測。
電壓電流的直流采樣法，是指采集經(jīng)整流后的直流量。采用直流采樣算法測量電壓、電流時，均是通過測量平均絕對值來測量電參量有效值。此方法軟件設(shè)計簡單，計算方便，對采樣值只需作比例變換即可得到被測量的數(shù)值。直流采樣法的缺點是：測量準確度直接受整流電路的準確度和穩(wěn)定性的影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難，而且受波形因數(shù)的影響較大等。交流采樣法是按一定規(guī)律對被測信號的瞬時值進行采樣，用一定的數(shù)值算法求得被測量。它與直流采樣的差別是用軟件功能代替硬件功能。是否采用交流采樣取決于兩個條件：測量準確度和測量速度。交流采樣法包括同步采樣法、準同步采樣法、非整周期采樣法和非同步采樣法等。通常，采樣點數(shù)的選擇和采樣頻率的選擇很重要。如果采樣頻率選擇過高，即采樣間隔小，則一個周期里采樣點數(shù)過多，造成數(shù)據(jù)存儲量過大和計算時間太長：但如果采樣頻率過低，F(xiàn)FT運算在頻域?qū)霈F(xiàn)混淆現(xiàn)象，造成頻譜失真，使之不能真實反映原來的信號。