基于DSP+ARM的电能质量检测仪的设计
房绪鹏+李辉+庄见伟+徐飞
摘 要： 基于电能质量分析的实际需要，设计一种基于DSP+ARM的双CPU架构的电能质量检测仪。利用DSP高效强大的数据处理能力与在人机界面、通信和多任务管理上有很好表现的ARM，构建一个在线式电能质量检测仪。为了减少DSP的数据传输过程中对CPU资源的消耗，DSP采用中断的模式分别通过并口与AD7606连接和通过双口RAM与ARM连接。该设计采用有源滤波滤除50次以上谐波，能够对工频交流电的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数和谐波等主要电能质量参数进行测量。以太网口方便不同供电点甚至多个供电系统的集中检测。
关键词： 电能质量； DSP； ARM； 双口RAM； 在线监测
中图分类号： TN98?34； TM933 文献标识码： A 文章编號： 1004?373X（2017）04?0179?04
Design of electric energy quality detector based on DSP+ARM
FANG Xupeng， LI Hui， ZHUANG Jianwei， XU Fei
（Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）
Abstract： According to the actual demand of the electric energy quality analysis， an electric energy quality detector with dual?CPU architecture based on DSP and ARM was designed. An on?line electric energy quality detector was constructed by means of the DSP with powerful data processing capacity and ARM with good manifestation in man?machine interface， communication and multi?task management. In order to reduce the consumption of CPU resource during the DSP data transfer， the interrupt mode is used in the DSP to connect the AD7606 and the ARM through the parallel port and dual?port RAM respectively. The active power filtering is adopted in the design to filter out the harmonics more than 50 times. The design can measure the main electric energy quality parameters of the voltage effective value， current effective value， active power， reactive power， power factor and harmonic of the power frequency AC. The Ethernet port is convenient for the centralized detection of the different power supply points or even multiple power supply systems.
Keywords： electric energy quality； DSP； ARM； dual?port RAM； online monitoring
0 引 言
随着电力系统规模的不断扩大，引起电力系统电能质量问题的原因有：由发电机、变压器、非线性负载产生的谐波；电力系统的内外故障引起的电能质量问题。电能质量问题会导致电气设备的寿命缩短，网损加大，装置误动作，对通信造成干扰甚至使通信信号丢失[1?2]。本文将在数据处理方面具有优势的DSP与基于高级操作系统并在人机界面、通信、和多任务处理上有很好表现的ARM芯片相结合，实现对电能质量的在线监测。
1 电能质量检测仪的硬件设计
电能质量检测仪的硬件主要包括信号的采集与调理、模/数转换、DSP处理单元、ARM处理单元等。电网的电压和电流信号由信号采集与调理电路经高速ADC芯片转换成数字信号[3]；DSP处理器将采集到的数据信号进行分析处理，并将处理的结果写入双口RAM；ARM处理单元将来自双口RAM的处理计算结果进行管理，并与上位机通信，实现对电能质量的存储与在线监测，如图1所示。
1.1 信号采集与调理电路
信号的采集与调理电路具有信号采集、放大与滤波的功能。电压信号和电流信号的采集分别使用电压互感器和电流互感器。
其中电压互感器选用TV31E?2 mA/2 mA电流型电压互感器。因互感器的输出是电流信号，需将电流信号经运放转换为±2 V的电压信号。电流互感器选用TA21A11?5 A/2 mA电流互感器，电流互感器的输出端经运放电路将电流信号转换为±2 V的电压信号。但由于电压互感器和电流互感器所采集的信号中含有有用信号和各种频谱的无用信号[4]。根据香农采样定理，连续信号的最高频率必须小于采样频率的，否则会引起频率的重叠，使得采集的数字信号不能再现为原始信号，为此需对信号进行抗混叠滤波。
抗混叠滤波电路根据所需采样的最高次谐波的频率确定滤波器的截止频率。抗混叠滤波电路对转换为±2 V的电压和电流信号进行滤波，并放大为±10 V的电压信号，如图2所示。
摘 要： 基于电能质量分析的实际需要，设计一种基于DSP+ARM的双CPU架构的电能质量检测仪。利用DSP高效强大的数据处理能力与在人机界面、通信和多任务管理上有很好表现的ARM，构建一个在线式电能质量检测仪。为了减少DSP的数据传输过程中对CPU资源的消耗，DSP采用中断的模式分别通过并口与AD7606连接和通过双口RAM与ARM连接。该设计采用有源滤波滤除50次以上谐波，能够对工频交流电的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数和谐波等主要电能质量参数进行测量。以太网口方便不同供电点甚至多个供电系统的集中检测。
关键词： 电能质量； DSP； ARM； 双口RAM； 在线监测
中图分类号： TN98?34； TM933 文献标识码： A 文章编號： 1004?373X（2017）04?0179?04
Design of electric energy quality detector based on DSP+ARM
FANG Xupeng， LI Hui， ZHUANG Jianwei， XU Fei
（Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）
Abstract： According to the actual demand of the electric energy quality analysis， an electric energy quality detector with dual?CPU architecture based on DSP and ARM was designed. An on?line electric energy quality detector was constructed by means of the DSP with powerful data processing capacity and ARM with good manifestation in man?machine interface， communication and multi?task management. In order to reduce the consumption of CPU resource during the DSP data transfer， the interrupt mode is used in the DSP to connect the AD7606 and the ARM through the parallel port and dual?port RAM respectively. The active power filtering is adopted in the design to filter out the harmonics more than 50 times. The design can measure the main electric energy quality parameters of the voltage effective value， current effective value， active power， reactive power， power factor and harmonic of the power frequency AC. The Ethernet port is convenient for the centralized detection of the different power supply points or even multiple power supply systems.
Keywords： electric energy quality； DSP； ARM； dual?port RAM； online monitoring
0 引 言
随着电力系统规模的不断扩大，引起电力系统电能质量问题的原因有：由发电机、变压器、非线性负载产生的谐波；电力系统的内外故障引起的电能质量问题。电能质量问题会导致电气设备的寿命缩短，网损加大，装置误动作，对通信造成干扰甚至使通信信号丢失[1?2]。本文将在数据处理方面具有优势的DSP与基于高级操作系统并在人机界面、通信、和多任务处理上有很好表现的ARM芯片相结合，实现对电能质量的在线监测。
1 电能质量检测仪的硬件设计
电能质量检测仪的硬件主要包括信号的采集与调理、模/数转换、DSP处理单元、ARM处理单元等。电网的电压和电流信号由信号采集与调理电路经高速ADC芯片转换成数字信号[3]；DSP处理器将采集到的数据信号进行分析处理，并将处理的结果写入双口RAM；ARM处理单元将来自双口RAM的处理计算结果进行管理，并与上位机通信，实现对电能质量的存储与在线监测，如图1所示。
1.1 信号采集与调理电路
信号的采集与调理电路具有信号采集、放大与滤波的功能。电压信号和电流信号的采集分别使用电压互感器和电流互感器。
其中电压互感器选用TV31E?2 mA/2 mA电流型电压互感器。因互感器的输出是电流信号，需将电流信号经运放转换为±2 V的电压信号。电流互感器选用TA21A11?5 A/2 mA电流互感器，电流互感器的输出端经运放电路将电流信号转换为±2 V的电压信号。但由于电压互感器和电流互感器所采集的信号中含有有用信号和各种频谱的无用信号[4]。根据香农采样定理，连续信号的最高频率必须小于采样频率的，否则会引起频率的重叠，使得采集的数字信号不能再现为原始信号，为此需对信号进行抗混叠滤波。
抗混叠滤波电路根据所需采样的最高次谐波的频率确定滤波器的截止频率。抗混叠滤波电路对转换为±2 V的电压和电流信号进行滤波，并放大为±10 V的电压信号，如图2所示。
