基于DSP+ARM的便攜式電能質量分析儀設計

摘要：介紹了基于高性能DSP芯片ADSP21161和S3C2410 ARM芯片實現(xiàn)的電能質量分析儀的設計方法。以DSP芯片為核心實現(xiàn)數(shù)據采集及處理，以S3C2410芯片為核心實現(xiàn)數(shù)據管理、人機界面及系統(tǒng)控制，同時采用WinCE嵌入式操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟件平臺。該方案提高了系統(tǒng)的智能化及可靠性，降低了系統(tǒng)功耗并有利于系統(tǒng)擴展。測試結果表明該分析儀的各項指標均滿足IEC電能質量測試標準。
關鍵詞：電能質量；DSP+ARM；WinCE：小波變換

0 引言
隨著國家工業(yè)規(guī)模的擴大和科學技術的發(fā)展，電網負荷結構發(fā)生了很大的變化，一方面，非線性、沖擊性和不平衡負荷的大量增長使得電能質量惡化；另一方面，隨著信息技術的發(fā)展。越來越多的敏感負載對電能質量的要求也越來越高。這就要求電能質量檢測分析設備具有實時檢測、快速分析、實時顯示的能力。采用高性能數(shù)字信號處理器(DSP)和嵌入式計算機系統(tǒng)(ARM)雙處理器架構設計電能質量分析儀能滿足上述要求。DSP系統(tǒng)實現(xiàn)電壓、電流信號的實時采集處理，通過加窗傅里葉變換和小波算法得到電能質量參數(shù)；ARM嵌入式平臺運行WinCE操作系統(tǒng)完成人機交互、數(shù)據存儲、實時顯示等功能。該系統(tǒng)為儀器的可擴展性和智能化建立了良好的軟硬件平臺。

1 硬件系統(tǒng)設計
便攜電能質量分析儀硬件系統(tǒng)設計應以功能實現(xiàn)和便攜式設計為基礎，并兼顧系統(tǒng)的可擴展性。
1．1 硬件系統(tǒng)總體設計
該硬件系統(tǒng)包括信號調理、數(shù)據采集與處理、ARM嵌入式平臺、協(xié)控制器和電源系統(tǒng)5個模塊，系統(tǒng)框架如圖1所示。電網電壓電流信號經調理電路預處理；采用高速ADC數(shù)字化后由DSP處理器系統(tǒng)實現(xiàn)緩存及快速、準確的分析計算；采集到的波形數(shù)據和分析計算結果通過FIFO傳遞到ARM嵌入式平臺；采用LCD實現(xiàn)波形和分析結果顯示；采用SD卡或USB存儲設備來存儲大量的數(shù)據以便回放或進一步深入分析；利用鍵盤或觸摸屏實現(xiàn)人機交互功能；設置RS 232、USB和網絡接口，便于實現(xiàn)電能質量分析儀的系統(tǒng)化和網絡化擴展。

系統(tǒng)中采用CPLD芯片設計了協(xié)控制器。它的作用主要是產生A／D轉換器所需要的采樣時鐘、完成采樣通道的時序控制、綜合FIFO讀時鐘邏輯、網卡地址控制邏輯和DSP啟動模式的設置。系統(tǒng)硬件電路配有多種電源，通過對系統(tǒng)各模塊電源進行控制，以及使DSP按測量需求工作在節(jié)電模式等措施實現(xiàn)了系統(tǒng)低功耗設計。系統(tǒng)采用電池供電，滿足便攜式儀器要求。