基于μC／OS-II的電力參數(shù)監(jiān)測儀設計

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 系統(tǒng)硬件架構
電力參數(shù)測量儀器系統(tǒng)的硬件部分是以TI公司的TMS320LF2407A為核心，其軟件部分是以μC／OS-II為執(zhí)行軟件，在此基礎上開發(fā)了一種具有電力參數(shù)測量、顯示和通訊功能的智能化檢測儀，給出了比較完整的外設擴展，包括電源電路、監(jiān)控電路、時鐘電路、JTAG端口電路、模擬量輸入電路、頻率采集電路及通訊電路等，同時該系統(tǒng)還具有實時時間顯示和看門狗功能，且可通過RS232或CAN總線與外部(微機)通信，其原理框圖如圖1所示。

一般情況下，根據(jù)系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能、處理速度和存儲器尋址能力選擇合適的處理器及外圍器件。由于系統(tǒng)涉及信號處理和數(shù)學計算，因此選擇定點的DSP作為處理器，根據(jù)所選的處理器確定所需的外部設備。包括定態(tài)RAM，E一PROM，閃存，串行和并行通信接口，網(wǎng)絡接口，可編程定時器／計數(shù)器，狀態(tài)LED指示和應用的專門硬件電路。
系統(tǒng)中選用了TI公司的TMS320LF2470A DSP作為主控制器，它是TMS320LF2407的增強型，其內(nèi)部總線采用哈佛結構，指令執(zhí)行速度為40 MI／s，絕大部分指令可以在單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。在TI的240x系列的DSP中，TMS320LF2407A無論內(nèi)部結構和外圍控制接口，都具有優(yōu)異性能，考慮到該型號的DSP內(nèi)部集成有A／D轉換器，CAN模塊，高達32 K的Flash程序存儲器。應用這些資源可大大簡化該系統(tǒng)的硬件結構，并且其高速處理特性可實現(xiàn)很多先進的控制算法。
2．2 信號預處理電路
交流模擬量輸入電路由隔離電路和調理電路組成，隔離電路的作用是將交流電壓或電流轉換為直流信號，并把這些信號送給模擬量調理電路。由于TMS320LF2407A的模擬電壓輸入范圍為O～3.3 V，因此應首先通過傳感器或運算放大器將測量電壓轉換至合適的電壓范圍，同時在模擬電壓進入DSP之前設計合理的電壓跟隨器，使電壓增益趨近于1。
2．3 電力參數(shù)測量算法
通常需監(jiān)測的電力參數(shù)包括電壓、電流、頻率、有功功率等。對于電壓、電流參數(shù)的測量，常用的方法有直流采樣法和交流采樣法。對于頻率參數(shù)的監(jiān)測方法采用DSP中的捕獲單元來監(jiān)測。
電壓電流的直流采樣法，是指采集經(jīng)整流后的直流量。采用直流采樣算法測量電壓、電流時，均是通過測量平均絕對值來測量電參量有效值。此方法軟件設計簡單，計算方便，對采樣值只需作比例變換即可得到被測量的數(shù)值。直流采樣法的缺點是：測量準確度直接受整流電路的準確度和穩(wěn)定性的影響；整流電路參數(shù)調整困難，而且受波形因數(shù)的影響較大等。交流采樣法是按一定規(guī)律對被測信號的瞬時值進行采樣，用一定的數(shù)值算法求得被測量。它與直流采樣的差別是用軟件功能代替硬件功能。是否采用交流采樣取決于兩個條件：測量準確度和測量速度。交流采樣法包括同步采樣法、準同步采樣法、非整周期采樣法和非同步采樣法等。通常，采樣點數(shù)的選擇和采樣頻率的選擇很重要。如果采樣頻率選擇過高，即采樣間隔小，則一個周期里采樣點數(shù)過多，造成數(shù)據(jù)存儲量過大和計算時間太長：但如果采樣頻率過低，F(xiàn)FT運算在頻域將會出現(xiàn)混淆現(xiàn)象，造成頻譜失真，使之不能真實反映原來的信號。