基于ARM7TDMI的配電綜合測控儀的設計與實現(xiàn)

　　1.5其它電路

　　為實現(xiàn)測控儀的功能和采集變壓器油溫等直流量，測控儀硬件電路還應包括鍵盤接口電路、看門狗電路、直流采樣電路等。其中，鍵盤接口電路可直接用鍵盤掃描輸入電路來實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)功能，并通過128×64點陣液晶顯示來顯示各數(shù)據(jù)和圖形;看門狗電路由MAX705構(gòu)成，如果在1秒鐘內(nèi)沒有收到低電平信號，它將發(fā)出一個復位信號給ARM7，以使系統(tǒng)復位;直流采樣電路主要實現(xiàn)變壓器溫度等直流量的采集和測量，測控儀采用250 Ω的采樣電阻來將4～20 mA電流信號變?yōu)?～5 V電壓信號來檢測油溫等。

　　2采樣數(shù)據(jù)的處理

　　現(xiàn)場實測信號所包含的大量噪聲干擾和高次諧波會引起諧波測量、頻率測量等方面的誤差，對于FFT算法如果采樣值不能均勻分布在信號周期內(nèi)，也將造成頻譜泄露，從而帶來很大的測量誤差，所以對采樣數(shù)據(jù)必須進行處理。

　　2.1噪聲的處理

　　電力系統(tǒng)中的各種噪聲一般可以認為是隨機性白噪聲。這些年，相繼有學者提出過許多消除噪聲的方法，如小波變換法等。小波變換在時頻域同時存在時具有良好的局部化特性，可根據(jù)信號不同頻率成分自動調(diào)節(jié)取樣密度，從而實現(xiàn)對信號消噪處理。但是小波變換在頻譜分析方面沒有明顯優(yōu)越性?？紤]到測控儀的改進重點是增加諧波功能以及ARM7硬件對FFT的方便性，本設計依然采用FFT為基本算法來尋求基于FFT算法的消噪方法。

　　采用FFT算法消噪可以在窗函數(shù)上做文章，可以參考使用余弦窗來提高精度的思路，以及正弦信號自相關(guān)函數(shù)為同頻率的余弦函數(shù)，而白噪聲函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)幾乎為零的特性來消除白噪聲。采用加余弦窗函數(shù)方法進行修正可以減少信號中的白噪聲影響，提高測控儀的諧波測量精度。其周期信號X(n)=sinωn的自相關(guān)的函數(shù)為：

　　式中，N為采樣點數(shù)。

　　2.2頻譜混疊的防止

　　諧波測量中要處理的信號是采樣和A/D變換得到的數(shù)字信號。要獲得準確的FFT運算結(jié)果，必須滿足Nyquist采樣定理，以防止頻譜混疊造成的測量誤差。防止頻譜混疊通常是用模擬濾波器濾除采樣頻率fs一半的高頻信號，但由于模擬濾波器在低頻帶難以保證較好的物理特性;而本測控儀的采樣頻率又較高，因此，可采用模擬濾波器和數(shù)字濾波器相結(jié)合，同時考慮諧波測量范圍的方法來減少頻譜混疊的影響。

　　2.3同步采樣處理

　　根據(jù)FFT的原理要求，采樣點應均勻分布在一個信號周期內(nèi)(即實現(xiàn)嚴格的同步采樣)，否則會引起信號頻譜泄露，從而造成測量誤差。由于硬件同步技術(shù)結(jié)構(gòu)復雜，它會提高測控儀制造成本，因此，本文采用軟件同步來實現(xiàn)同步采樣。軟件同步實質(zhì)是一種補償方法，主要思想是采用軟件方法來跟蹤信號頻率的變化，并利用可變窗函數(shù)來實現(xiàn)信號周期的同步采樣，以減少頻譜泄露造成的誤差。軟件同步的關(guān)鍵是如何實時檢測和確定信號的頻率。 該測控儀采用復序列FFT和鎖相環(huán)來直接對電壓或電流信號采樣值進行處理，然后配合數(shù)字濾波技術(shù)求得信號過零并得到信號頻率，從而實現(xiàn)對信號的同步采樣，同時完成信號頻率的測量。這種檢測和確定信號頻率的方法計算簡單、跟蹤速度快、測控儀的采樣率較高，能夠得到較高的測量精度，完全可以滿足工程實際的需要。

　　3測控儀軟件設計

　　依據(jù)上述數(shù)據(jù)處理思路和數(shù)據(jù)采集、參數(shù)計算的算法，下面介紹該測控儀的軟件設計方法。

　　3.1軟件設計思路

　　新改進和研制的測控儀在保留原來電容投切、運行參數(shù)監(jiān)測、電量采集等功能基礎上，由于還要增加諧波等電能質(zhì)量指標監(jiān)測，因而軟件涉及的算法較多，數(shù)據(jù)處理工作量較大;另外，ARM7不同于單片機，軟件的結(jié)構(gòu)也比較復雜，因此，本測控儀的軟件設計采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了提高程序代碼效率、滿足實時性要求，該測控儀采用C語言語言編程，整個測控儀軟件由主程序和多個應用子程序組成。

　　主程序來完成硬件初始化、硬件自檢和循環(huán)操等功能;子程序包括數(shù)據(jù)采集處理、電容器投切控制、電量和運行參數(shù)計算、電能質(zhì)量監(jiān)測、上位機串行通信等程序。主、子程序采用中斷方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和處理，程序設計采用由頂向下、逐步細化的結(jié)構(gòu)化設計方法。

　　3.2 FFT的實現(xiàn)

　　實現(xiàn)FFT時，必須解決數(shù)據(jù)溢出問題。由N點DFT計算公式：

　　在進行DFT運算時，如果不采取一定的措施，溢出是不可避免的。為了避免FFT運算數(shù)據(jù)溢出，可對DFT蝶形運算單元的中間結(jié)果進行歸一化處理。下面是對FFT蝶形單元的中間結(jié)果：

　　設A和B為歸一化的輸入，那么，在復數(shù)時間抽取FFT運算時，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為：1+cos45°+sin45°+2.414。而在實數(shù)DIT的FFT運算中，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為2，因此，可在每一級FFT計算中。事實上，用因子2進行歸一化。對ARM7運用芯片的移位特性和用2歸一化，不會增加任何運算量。這樣，如果FFT包含M級，則輸出相當于除以2M=N。其中N為FFT的長度。

　　3.3諧波參數(shù)的計算

　　參數(shù)計算采用N=128點FFT算法，計算結(jié)果依次存放為A0、B0、A1、B1、……、An、Bn。其中An為n次諧波的實部，Bn為n次諧波的虛部。這樣，即可計算出各次諧波的(以電壓為例)相角、幅值和諧波畸變率、含有率等指標：

　　這樣，依據(jù)計算的電壓、電流和相角，便可計算電網(wǎng)的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電力電量等各種參數(shù)值，從而按照相關(guān)策略實現(xiàn)對電容器等設備的控制。各種監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)還可送計算機中長期保存，并可對數(shù)據(jù)進行進一步的分析，實現(xiàn)配電監(jiān)控管理。

　　4結(jié)束語

　　依據(jù)供電企業(yè)對配電測控功能的新要求，本文以PHILIPS公司的LPC2220FBM144芯片為核心，充分運用ARM7強大的運算能力，給出了新一代配電綜合測控儀的研制方法。實際使用證明，其采用的算法和實現(xiàn)技術(shù)是完全可行的。