基于DSP的谐波测量卡的设计与实现

论文摘要

随着工业规模的扩大和科学技术的发展,越来越多的新型的电气设备不断投入到人类的日常生活中使用,从而给电网带来了越来越多的电磁干扰。而这些电磁干扰影响到电网系统的安全运行和用户设备的正常工作,使得对于检测电磁干扰的研究越发重要。而在电磁干扰中,其中最为严重的是电网上的工频谐波干扰对电网安全和用电设备的电磁干扰。谐波对电力系统产生的危害主要有增加电气设备的热损耗和干扰其功能甚至引发故障。本论文的主要内容是设计一个测量系统用于检测电力设备对公共电网产生的谐波干扰。本文首先介绍了谐波的基本概念,谐波产生机理,谐波的危害以及谐波源,随后对谐波检测技术的发展以及一些主流的谐波检测算法进行了概述,提出了适合于本课题的谐波检测算法。然后概括地介绍了电力系统谐波的一些基本概念以及电能质量的标准,总结了电力系统谐波测量与分析的历史和发展以及谐波测量的主要方法。接着结合系统设计指标,给出系统设计方案和硬件的总体框图。接着根据设计方案的要求详细论述各硬件部分的选择依据及电路的设计原理。在硬件电路设计方面,该测量系统以TMS320VC5416的DSP芯片为核心,采用CPLD作为DSP的外围控制电路,其它硬件电路包括AD8184四选一模拟开关、放大电路模块以及相应的控制用数/模转换器DAC7611,模/数转换器ADS7818与数据采集电路、FIFO数据存储器IDT72V255LA20和电源电路等。在软件设计方面,论文详细给出了软件的设计流程,包括基2 FFT算法的DSP实现和各个模块的程序,并给出了程序的流程图。此外,该课题采用C语言和汇编的混合编程的方法,使得程序高效率运行﹑调试方便并且便于维护和扩展。测试结果表明,本文设计的谐波测量卡具有较高的精度、效率和可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题概况
• 1.2 谐波概述
• 1.2.1 谐波的定义
• 1.2.2 谐波的来源
• 1.2.3 谐波的危害与影响
• 1.2.4 谐波畸变的指标
• 1.2.5 谐波管理标准
• 1.3 国内外发展的现状
• 1.4 谐波检测的研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 测量算法分析
• 2.1 傅立叶分析的简介
• 2.1.1 傅立叶变换
• 2.1.2 傅立叶级数
• 2.1.3 离散傅立叶变换
• 2.1.4 快速傅立叶变换
• 2.2 FFT 误差分析
• 2.2.1 频率分辨率
• 2.2.2 频谱泄漏误差的概念
• 2.2.3 解决误差的方法研究
• 2.3 FFT 算法的DSP 实现原理
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统的总体设计及硬件电路设计
• 3.1 参数要求及技术指标
• 3.2 变换器与传感器
• 3.2.1 交流电压互感器
• 3.2.2 交流电流互感器
• 3.3 四选一模拟开关
• 3.4 放大电路设计
• 3.4.1 可控增益放大电路
• 3.4.2 数字/模拟转换电路
• 3.5 模拟/数字转换
• 3.5.1 影响ADC 信噪比的因素
• 3.5.2 ADS7818 简介
• 3.5.3 ADS7818 连接电路
• 3.6 DSP 数据控制与处理
• 3.6.1 TMS320VC5416 结构和功能
• 3.6.2 CPLD 逻辑控制部分
• 3.6.3 数据存储部分
• 3.6.4 FLASH 的连接电路
• 3.6.5 电源部分
• 3.7 LCD 接口电路
• 3.8 以太网电路模块
• 3.9 电路板的设计
• 3.9.1 布局
• 3.9.2 布线
• 3.9.3 敷铜
• 3.9.4 电源和地
• 3.9.5 滤波电容
• 3.10 本章小结
• 第四章 测量系统的软件设计
• 4.1 DSP 软件开发的介绍
• 4.1.1 DSP 的开发过程介绍
• 4.1.2 C5000 Code Composer Studio 介绍
• 4.2 DSP 软件总体流程
• 4.3 DSP 主要程序设计
• 4.3.1 外部电路的初始化程序设计
• 4.3.2 A/D 数据采集和处理程序
• 4.3.3 数据处理程序
• 4.3.4 DSP 的上电引导程序设计
• 4.4 通信程序设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统调试
• 5.1 系统的硬件调试
• 5.2 系统的软件调试
• 5.3 实验数据和测试结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的主要论文