DSP论文

课程结业论文基于DSP技术的电力谐波测量仪器的设计课程名称：任课教师：所在学院：专业：班级：学生姓名：学号：年月目录-I-目录摘要.............................................................I前言............................................................II1DSP芯片在电力系统中的应用主要有...............................12电力谐波检测装置的硬件设计.....................................12.1系统的整体结构............................................12.2DSP芯片的结构与选择......................................12.2.1DSP芯片的基本结构..................................12.2.2DSP芯片的结构及评价指标............................22.2.3DSP芯片的选择......................................22.2.4TMS320LF2407DSP简介...............................23A/D转换电路...................................................33.1存储器扩展及复位电路......................................43.3.1存储器扩展..........................................43.2复位电路..................................................43.3锁相环电路................................................53.4与PCF8583的接口电路......................................53.5按键输入和液晶显示电路....................................63.6液晶显示电路..............................................73.7串行接口电路..............................................74硬件系统调试...................................................85结论...........................................................8参考文献........................................................10摘要-I-摘要为了能够对电网的运行状况进行监测，本文提出采用DSP技术设计一种电力系统谐波监测仪。该谐波监测仪被安装在检测现场，对电网电压和电流采样信号进行FFT等数学运算和处理，而且可以对数据进行存储、查询，并且在液晶上显示操作菜单等。监测仪能够完成包括三相电压、三相电流的频率、功率因数以及7以的谐波、谐波相位、谐波畸变率等的测量。论文重点介绍了以下几部分:(1)电路的总体设计和功能;(2)硬件设计，包括A/D转换、锁相环、液晶显示和按键输入等原理和电路；(3)系统测试。关键词:谐波监测TMS320LF2407A数字信号处理前言-II-前言随着电力电子技术的发展，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响，谐波被认为是电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子技术的发展因此，对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐重视。电力电子装置等非线性负载所产生的谐波会引起负载和输电设备的过载、失控和增加损耗，甚至严重危害电网和用电设备的安全。随着电力电子技术在家庭、工业、交通、国防日益广泛的应用，电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断增大，电网遭受谐波污染也日益严重。在过去的几十年里，单片机的广泛使用实现了简单的智能控制功能，但是随着计算机科学与技术、信号处理理论与方法的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对电测仪表的实时性和精度的要求也越来越高，而电能质量监测装置不同于一般的电力基本参数测量仪器，要进行电能质量指标的计算、分析和监视，并且要运用复杂的数学算法，如果采用比较先进的单片机Intel8OC196进行基本的32点FFT运算，在1ZM主频下采用快速算法仍然需要0.25秒左右，如采用更加先进复杂的算法则需要的时间更长显然，传统的单片机技术已不能满足电力系统实时监控的需要。数字信号处理器DSP是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10一50倍。在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手业内人士预言，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素，它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。DSP发展历程大致分为70年代的理论先行、80年代的产品普及、90年代的突飞猛进三个阶段。自从20世纪70年代末80年代初DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展，DSP芯片己经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用目前，DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。基于DSP设计的论文-1-1DSP芯片在电力系统中的应用主要有1）信号处理—如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等;2）通信—如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、纠错编码等;3）仪器仪表—如频谱分析、函数发生、锁相环等;随着DSP芯片性能价格比的不断提高，可以预见DSP芯片将会在该领域内得到更为广泛的应用。2电力谐波检测装置的硬件设计本设计主要的外扩芯片有：MAX125A/D转换器；锁相环；PCF8583时钟芯片；键盘和液晶；串行EPROM存储器。2.1系统的整体结构本设计的谐波监测仪以TMS320LF2407为核心，数据采集的A/D转换器用的是MAX公司的14位A/DMAX125，保证了测量的精度。系统的总体结构图如图1所示：图1系统的总体结构图上图中，电网电压和电流经互感器和运算放大器调理成适合A/D转换的电压后，输入到A/D转换芯片中，A/D转换芯片将模拟输入信号转换为数字输出信号送入到DSP中进行处理。A/D转换在整个谐波监测系统中占有非常重要的地位。本系统采用PCF8583时钟芯片用来显示当前的时间和日期，并可以通过键盘、液晶相结合对当前时间和日期进行设置；电压信号经过A/D转换，并经过FFT变换，计算出7次以下的谐波，通过液晶显示出来；串行EPROM可以用来存放电压、电流的定值，也可用来存放计算结果。2.2DSP芯片的结构与选择2.2.1DSP芯片的基本结构(l)哈佛结构程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，从而提高速度。电流检测电压检测数据预处理A/DMAX125DSPTM320LF2407键盘液晶显示PCF8283时钟芯片串行EPROM电网基于DSP设计的论文-2-(2)流水线操作功能DSP芯片采用多组总线结构，允许CPU同时进行指令和数据的访问。因而，可在内部实行流水线操作。(3)硬件乘法/累加器在卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中，都有)()(KnBKA一类的运算，其中包含大量重复乘法和累加。在通用计算机的乘法用软件实现，需要用若干个机器周期。而DSP有专用的硬件乘法器，使用MAC指令(取数、乘法、累加)，可以在单周期内完成。(4)多种寻址方式循环寻址(Circularaddressing),位倒序(bit-reversed)等特殊指令，使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1024点FFT的时间已小于lms。(5)独立的DMA总线和控制器有一组或多组独立的DMA总线，可以与CPU的程序、数据总线并行工作。在不影响CPU工作的条件下，DMA速度己达800Mbyte/s以上。(6)多处理器接口现在的DSP中大多都提供了串和并口，使多个处理器可以很方便的并行或串行工作。如TMS320C40有6个8-bit的接口，VC5420提供MsBSP和16位的并口，ADI的ADSPZll6O也有类似的结构。2.2.2DSP芯片的结构及评价指标1).为了快速地实现数字信号处理运算，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构，下面为TMS320系列为例介绍DSP芯片的基本结构。TMS32O系列DSP芯片的基本结构包括:(l)哈佛结构;(2)流水线操作:(3)专用的硬件乘法器:(4)特殊的DSP指令;(5)快速的指令周期。2).运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP芯片时需要考虑的一个主要因素DSP芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量：(a)指令周期:即执行一条指令所需的时间，通常以ns(纳秒)为单位。(b)MAC时间:即一次乘法加上一次加法的时间。大部分DSP芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和加法操作。(c)FFT执行时间:即运行一个N点FFT程序所需的时间。(d)MIPS:即每秒执行百万条指令。如TMS320VC5410的处理能力为100MIPS，即每秒可执行一万万条指令。2.2.3DSP芯片的选择DSP应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的DSP芯片的基础。运算量小则可以选用处理能力不是很强的DSP芯片，从而可以降低系统成本;相反，运算量大的DSP系统则必须选用处理能力强的DSP芯片，如果DSP芯片的处理能力达不到系统要求，则必须用多个DSP芯片并行处理。在这里我选择TMS320LF2407。2.2.4TMS320LF2407DSP简介TMS320LF240是本设计的核心芯片。在此，对其进行简要的介绍。TMS320LF2407是美国TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路为一体，在数字控制系统中得以广泛应用。在TMS320系列DSP的基础上，TMS320LF2407DSP有以下一些特点：采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗；30MIPS的执行速基于DSP设计的论文-3-度使得指令周期缩短到33ns(30MHz),从而提高了控制器的实时控制能力。基于TMS320C2xxDSP的CPU内核，保证了TMS320LF240x系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。片内高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM（DARAM）和2K字的单口RAM（SRAM）两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽（PWM）通道。可扩展的外部存储器（LF2407）总共192K字空间：64K字程序存储器空间；64K字数据存储器空间；64K字I/O寻址空间；看门狗定时器模块（WDT）；控制器局域网络（CAN）2.0B模块；串行通信接口模块（SCI）模块；16位的串行外设（SPI）接口模块；基于锁相环的时钟发生器。高达40个可单独编程或复用输入/输出引脚（GPIO）。5个外部中断（两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）。电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。3A/D转换电路A/D转换是控制系统中的必备重要环节，其转换精度决定了整个控制系统性能的优劣。虽然TMS320LF2407A内置10位高速A心模块，但该模块存在以下缺点;只能接收0一3.3V的单极性信号输