实时电能质量数据压缩在嵌入式系统中的实现

论文摘要

在电力系统中,电能质量扰动覆盖了很宽的频谱。较高的采样频率使得与电能质量扰动相关的监测数据规模在短时间内迅速增加,其庞大的数据容量给存储和传输都带来了很大的挑战,因而对监测数据进行有效、实时的压缩具有重要的实际意义。本文就各种电能质量事件及数据压缩技术进行了探讨,并设计了一套基于DSP+ARM的双CPU实时电能质量数据压缩嵌入式系统,较好地实现了电能质量数据的实时压缩。根据小波变换理论,结合电能质量检测数据的特点,选择基于小波变换系数的硬阈值法作为DSP中数据压缩的主要算法,其中阈值、采样频率、分解层数等参数可以为系统默认设置,也可以由用户通过ARM提供的键盘和显示平台自定义设置,增加了灵活性和互动性。嵌入式系统中双CPU的分工如下:DSP负责电压、电流信号的采集、小波变换以及硬阈值压缩处理;ARM则主要实现键盘、液晶以及以太网通讯等功能,充分发挥了DSP高速的数据处理能力和ARM强大的外设管理功能。双CPU结构简化了系统软硬件设计与调试工作,使系统将来的软硬件升级变得更加灵活。双口RAM提供了有效的仲裁机制,为双CPU的数据通信搭建了友好的桥梁。使用功能强大的RTDS对所设计的嵌入式系统进行了仿真测试,结果令人满意,系统运行速度、压缩比、重构信号失真度等指标均达到了实时数据压缩的要求。本系统具有体积小、成本低、界面友好、人机交互方便、实时数据压缩质量好等特点。若在电力系统中进行推广使用,将为数据的测量、检测等带来很大的方便,具有明显的社会效益和经济效益。最后,文章就硬件和软件两方面分别提出了一些改进措施,可以作为本项目下一阶段的参考方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 电能质量问题与实时数据压缩的必要性
• 1.2 国内外电能质量压缩现状
• 1.3 嵌入式系统概述
• 1.4 课题的现实意义和论文的主要内容
• 第2章 小波变换与数据压缩技术
• 2.1 数据压缩技术基础
• 2.1.1 压缩方法分类
• 2.1.2 压缩效果评价
• 2.2 小波变换原理
• 2.2.1 连续小波变换
• 2.2.2 离散小波变换
• 2.2.3 二进小波变换
• 2.2.4 多分辨率分析
• 2.2.5 Mallat算法
• 2.2.6 小波包理论
• 2.3 基于小波变换的数据压缩方法
• 2.3.1 母小波的选择
• 2.3.2 阈值的设置
• 2.3.3 小波分解的层数
• 2.3.4 有限长输入序列的处理
• 2.3.5 采样频率的确定
• 2.4 提升小波算法
• 第3章 嵌入式系统硬件设计
• 3.1 系统硬件总框图
• 3.2 DSP侧硬件设计
• 3.2.1 DSP选型
• 3.2.2 信号调理模块
• 3.2.3 A/D采样电路
• 3.2.4 方波发生电路
• 3.3 ARM侧硬件设计
• 3.3.1 ARM型号选择
• 3.3.2 人机对话模块
• 3.3.3 以太网通讯模块
• 3.4 DSP与ARM通信
• 3.5 硬件抗干扰技术
• 第4章 嵌入式系统软件设计
• 4.1 系统软件总框图
• 4.2 DSP侧软件设计
• 4.2.1 DSP软件开发环境
• 4.2.2 采样数据读取
• 4.2.3 小波变换与阈值处理
• 4.2.4 双口RAM读写
• 4.3 ARM侧软件设计
• 4.3.1 ARM软件开发环境
• 4.3.2 嵌入式操作系统μC/OS-II
• 4.3.3 ARM侧多任务设计
• 第5章 系统测试结果与分析
• 5.1 RTDS及其在项目开发中的作用
• 5.2 测试结果与分析
• 5.3 产生误差的原因与减少误差的方法
• 5.4 改进措施
• 5.4.1 硬件方面
• 5.4.2 软件方面
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表和录用的论文