基于dsp數字信號處理器的交流采樣系統-資料下載頁

【導讀】本系統應用DSP制作交流采樣電路，使其實現高速、準確的交流采樣，通過軟。件控制實現模擬微機保護跳閘功能。述設計，能夠完成對交流信號的采集、處理并將所需數值顯示出來。

　　

【正文】 作。當 I/O 口輸出低電平時，三極管斷開，繼電器觸點跳開。 合閘電路的設計 合閘電路由一個上拉電阻和一個開關組成。如圖 所示，電阻與開關串聯，電阻的另一端接高電平，開關的另一端接低電平，電阻與開關之間的一條線接 I/O 口。當開關斷開時， I/O 口通過電阻與高電平相連。由于沒有電流流過電阻，所以電阻的壓降為零， I/O口電平與高電平點相等。當開關被按下時，線路中產生電流，電流從高電平點流出，通過電阻和開關，流入接地點。電阻上的壓降為高電平點的電壓，此時 A點的電勢與接地點相等，即為低電平。 28 圖 合閘按鈕設計圖 數碼管顯示電路的設計 顯示電路主要是為了顯示采集的電壓和電流信號的大小以及線路上的負載大小。綜合經濟性和實 用性考慮選用數碼管顯示。選擇使用 74ls164 移位寄存器作為數碼管的驅動芯片。由于需要顯示三個值，總共需要用到十個數碼管，因為 164 芯片的可以通過移位功能將顯示信號傳遞下去，所以十個數碼管只需要一根數據線和一根時鐘線就能被控制顯示出來，程序也不復雜。 圖 74ls164級聯示意圖 系統軟件的設計 本次軟件設計主要由鍵盤輸入程序、 LCD 液晶顯示程序、 AD 采樣程序、通信程序構成。整個系統的軟件結構包括主程序模塊，初始化子程序模塊和中斷服務程序模塊。主程序模塊主要包括鍵盤掃描模塊和顯示模塊。 初始化子程序模塊的功能主要是設置各個寄存器，使系統按照設計要求正常工作，并對各種變量進行初始化。主程序主要是調 29 用初始化子程序對系統進行初始化，并啟動系統中使用的定時器，然后進入循環體，查詢鍵盤狀態和調用顯示子程序并等待系統中斷。當發生中斷時優先去執行中斷服務程序 ,中斷服務程序模塊包括 A/D 采樣模塊、算法模塊及與 PC 機的串行通信模塊。在串行口中斷中，主要完成與主機的信息傳送與顯示工作。其基本思路為：先通過鍵盤選擇是進行通信還是測量，如果選擇通信則調用通信子程序將保存在數據存儲器中的計算得到的數據發送給上位機； 如果選擇測量，則先通過鍵盤輸入所要選的中性點接地系統類型并用 LCD 進行顯示；在對零序電壓，零序電流進行采集，利用均方根值法對采樣數據進行處理，計算出零序電流的有功分量和無功分量的有效值，再根據附加電阻測量絕緣阻抗的計算公式計算電阻 r 和電容 c 值，最后算出電網電容電流和電網對地絕緣電阻電流。最后由 LCD 顯示 ?cI 、 ?rI ，返回主程序循環執行。 30 第四章 系統的硬件調試和系統測試 系統硬件的調試 硬件系統的調 試分為三個部分，第一是采樣電路的調試，第二是顯示電路的調試，第三是繼電保護電路的調試。 采樣電路的調試 將采樣電路分為兩個部分分別調試。首先將電源輸入端插入插座，對比變壓器一次側與電壓互感器二次側的電壓值，得出其電壓變比。經過試驗，變比為 1/133，與設計值1/ 相近，滿足設計要求。 將電流互感器的一次側接入低壓負載，運用調壓器和滑動變阻器調整一次側電流，檢查其線性度和飽和電流。 將信號發生器接入運放電路的輸入端，將示波器接到運放的輸出端。首先將波形發生器的波形調為 0v，調整偏置電壓，將 在示波器中觀測，使得波形穩定在 。再將波形調為最大值為 ，最小值為 的正弦波，然后通過示波器觀測其輸出端的波形。經過試驗，輸出波形為最大值為 ，最小值為 ，與設計值最大值為 ，最小值為 相近。 由于電子元件產生的誤差將在程序中給予矯正。 顯示電路的調試 顯示電路有四根對外接線，分別為信號、時鐘、 5v 電源、接地。首先將四根連線連入 DSP，在程序中輸入指令讓數碼管顯示十個“ 8”，檢查焊點是否出現虛焊、漏焊。然后修改程序程序，讓數碼管顯示“ 09”十個數字 ，檢查數碼管段碼是否有錯。試驗后發現顯示電路可以正常工作。 繼電保護電路的調試 跳閘繼電器電路的調試：連接采樣板的電源，用連接電源的一根引線碰觸三極管的 b引腳，通過觀察指示燈的顏色可以知道繼電器的開合狀態，并且能聽到聲音。 合閘按鈕部分的調試：將萬用表調至 20V 直流檔，一個表筆接地，另一個表筆接到信號輸出端。在沒有按下按鈕時，測得電壓為 5v，當按下按鈕時，測得電壓為 0v，說明電路工作正常。 31 調試過程中存在的問題及解決方法 在電路的調試過程中，發現電路有兩處不合理的設計。第一是偏置電壓峰峰值 電壓過大，嚴重影響到采樣的精確度，第二是各級運放的電壓放大倍數設置不合理，電壓過低，造成容易受到外界信號的干擾導致信號嚴重失真。 在改進之前，當時偏置電壓是由 LM2596adj提供的，并且運放的設計偏置電壓為。 LM2596adj 是一個可調電壓的開關式電源芯片，開關電源轉換效率高，但是對外圍電路的性能要求也高。開始 C1和 C2采用的是耐壓值為 16v 的電容，用示波器觀測得，平均電壓為 ，但是峰峰值電壓卻達到了 250mv300mv，電壓紋波達到了 15%20%，嚴重影響了采樣的精度。我們查閱了 LM2596 的參考資料，將電容換成同樣容量，但是耐壓值為 50v 的電容后，通過示波器觀測其輸出波形，峰峰值電壓下降到 150mv 左右的幅度。 由于 DSP 的 A/D 的輸入電壓的范圍為 03V，最初在設計運放各級的電壓時，并沒有考慮到干擾信號，運放的輸入電壓最大值被限定為177。 ，經過運放一倍的放大、 的偏置，變成 03v 的電壓，雖然偏置電壓已經被降低到一個可以接受的程度，由于考慮到對精度的影響，我們重新設計了運放電路，并且更換了偏置電壓的產生電路，原 LM2596電路被改造成為給顯示電路、跳閘電路供電的電源 。我們將運放電路的最大輸入電壓設置為177。 ，經過濾波電路后，電壓被放大為177。 5v，再經過偏置電路，成為 0～ 10v，最后經過反相電路，將信號反相并將電壓信號縮減為 03v，然后送入 A/D芯片進行采樣。 偏置電路的 5v 電壓由使用 TL431 穩壓管搭建的 5v 穩壓電路， TL431 的 5v 穩壓電路峰峰值電壓為 50mv 左右，比 LM2596 的信號更加穩定。 32 結 束 語 本文介紹了基于 DSP 的交流采樣系統的設計 ,通過 DSP芯片內的 A/D模塊對運放輸出的信號進行采樣，通過實驗板上的 I/O 口對顯示電路和動作電路進行 控制，而且描述了其工作原理、設計思路及實現方法。在設計中，通過示波器、信號發生器對信號進行了調試，最后實驗結果合理。 設計結果證明了采用 DSP 進行交流采樣的可行性。通過本設計工作，我收獲了許多關于 DSP 和相關方面的知識，通過解決設計過程中遇到的問題，鍛煉了自己分析處理問題的能力，并且以后能在這次設計中吸取教訓，這對今后的學習工作來說，是很寶貴的經驗。由于時間、經驗和成本的限制，對采樣精度的的控制和對外通信上還存在著一些問題。在硬件設計上，存在設計思想不夠成熟，元件選擇標準過低等等原因。在整體系統功能的擴展上 ，還可以增加 CAN 總線控制，可以通過 CAN 總線接受外來信號的控制，也可以將采樣結果向外輸出，以實現更加完善的繼電保護功能。雖然這一部分內容不論軟件還是硬件都沒在論文中體現，但 DSP 集成 CAN 總線功能，要這一功能還是可行的。由于對 CAN總線的軟硬件了解都不多，如果要加入此功能，就有待于在以后的工作中加緊學習多作總結。 33 參考文獻 [1]電力系統常用交流采樣方法比較華北電力技術，張 紅，王成梅， 1999 [2]基于 DSP 的電氣參數測試儀研究，儀表技術，陳志洋，鄒云屏， 2020 [3]DSP設計與實踐，電子工業出版社，雷勇 2020 [4]交流采樣同步方法的分析與改進，中國電機工程學報，黃 純，何怡剛，江亞群等，2020 [5] 基于 DSP 的電氣參數測試儀研究，儀表技術，陳志洋，鄒云屏， 2020 [6] DSP 應用技術叢書 北京航空航天大學出版社 王曉明 王玲， 2020 [7] DSP 基礎與應用系統設計 北京航空航天大學出版社 王念旭等 2020 [8] 數字信號處理（第二版 ） 西安電子科技大學出版社 丁玉美 高西全， 2020 [9] Texas Instruments 系列 DSP 的 CPU 與外設（上） 北京清華大學出版社 張衛寧譯 2020 [10] TMS320F2812 原理與開發 電子工業出版社 蘇奎峰 呂強 耿慶峰 , 2020 [11] DSP 技術的應用和發展 北京：電子產品世界 2020 [12] TMS320LF240X DSP 結構、原理及應用 北京航空航天大學出版社 劉和平 嚴利平 張學鋒等， 2020 [13] 公司網站 34 本科畢業設計（論文） 簡明指導手冊 1 畢業設計 (論文 )總論 概 述 高等院校的畢業設計 (論文 )教學過程是實現本科培養目標及規格的重要培養階段。畢業設計 (論文 )是學生畢業前的最后學習階段，是學習深化與升華的重要過程；是能力與素質培養的重要途徑；是學生學習、研究與實踐成果的全面總結；是學生綜合素質與實踐能力培養效果的全面檢驗；是學生畢業及學位資格認定的重要依據；是評價高等學校教育教學質量的重要依據。 畢業設計 (論文 )的基本概念 （ 1） 畢業設計的內涵 畢業設計是高等學校應屆畢業生，畢業前接受課題任務，所進行的設計過程，并取得其 設計成果。 （ 2）畢業論文的內涵 畢業論文是高等學校學生畢業前所撰寫的學術論文。畢業論文表明作者在科學研究工作中取得的新成果或提出的新見解，并表明作者具有的科研能力與學識水平。畢業論文具有學術論文所共有的一般屬性，它的構成與展開嚴格按照緒論、本論、結論的思維方式，以事實為基礎，以嚴謹的推理過程為依據，得出可信的科學結論。 畢業設計 (論文 )的特點與功能 （ 1）畢業設計的特點與功能 ①畢業設計的特點 高等院校學生畢業設計具有設計內容的科學性、設計思想的新穎性、設計表述的規范性、設計條件 的約束性、設計過程的綜合性、設計結果的實用性等工程設計的特點外，還具有畢業設計任務的確定首先考慮教學基本要求、畢業設計時間的限定性及學業的規定性、畢業設計是在指導教師指導下獨立完成的等特點。 ②畢業設計的功能 教學與教育功能 畢業設計教學過程是高等院校培養計劃的重要組成部分；是進行設計科學教育，強化工程意識，接受工程基本訓練，提高工程實踐能力的重要培養階段；是培養優良的思維品質，進行綜合素質教育的重要途徑。通過畢業設計教學工作，培養學生綜 35 合運用多學科理論、知識與技能，解決具有一定復雜程度的工程實際問 題的能力；培養學生樹立正確的設計思想和掌握現代設計方法；培養學生嚴肅認真的科學態度和嚴謹求實的工作作風；培養學生優良的思維品質，強化工程實際意識；培養學生 36 2 大學 畢業設計（論文）簡明指導手冊 勇于實踐、勇于探索和開拓創新的精神。在畢業設計階段，通過畢業設計教學與教育功能的實現，有益于學生科學的智能結構的形成及綜合素質的全面培養。 社會功能 畢業設計課題來源于實際，畢業設計成果直接或間接為經濟建設服務，為生產、科研服務，為社會服務，以實現畢業設計的社會功能。 （ 2）畢業論文的特點與功能 ①畢 業論文的特點 畢業論文或稱學位論文是學術論文中的一種類型，具有學術性、科學性、創造性，即一般學術論文的共同屬性，同時具有下列特點： 畢業論文課題的確定，首先要符合教學基本要求，同時也要兼顧科學研究實際需要，緊密聯系實際。 畢業論文具有時間的限定性及學業的規定性。 畢業論文是在指導教師指導下獨立完成的。 ②畢業論文的功能 教學與教育功能 畢業論文教學過程是高等學校培養計劃的重要組成部分，是學生畢業前提交的一份具有一定理論與實際價值的學術論文。它是高等學校學生從事系統的科學研究的初步嘗試； 是在指導教師指導下，對取得的科研成果的綜合表述。通過畢業論文的教學過程，培養學生探求未知、探索真理的科學精神，以及優良的科學品質與科學素養；培養學生從事科學研究的基本能力。通過畢業論文的教學過程，檢驗學生綜合運用基礎理論、基本知識和實驗技術，解決科學和技術領域有關問題的能力；檢驗科研基本訓練的實際效果。 社會功能 畢業論文是以應用研究成果作為媒介與生產和社會實際相聯系。然后，通過開發研究的成果應用于生產實際，為社會服務。 同時，畢業論文又是面向社會發表研究成果的重要手段，也是信息交流與信息存儲的重要 工具，從而實現其社會功能。 37 3 大學 畢業設計（論文）簡明指導手冊 畢業設計 (論文 )教學各階段流程 表 1 畢業設計 (論文 )教學各階段流程 指導教師上報課 1教研室 (課程組 )召開會議進行課題審查、論證（要求紀錄 院系（學術委員會）或邀請校外專家對教研室上報課題進行評