电能参数计算实验教学平台的开发

赵志衡，黄 棣，王立欣，高月龙

(哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江哈尔滨150001)

本文设计了一种嵌入式电能参数计算实验教学平台，用于“嵌入式系统原理及应用”和“电能变换与电能质量控制技术”课程的教学。该平台以DSP为核心，实现对三相交流电参数的测量、分析和显示，同时具有参数调节模块，以改变回路中的阻抗参数。利用该教学平台，学生可以掌握利用CCS开发环境调试DSP的方法;可以促进C语言及汇编语言的学习;可以提高DSP的编程能力，掌握以DSP为核心的硬件设计方法及有关电参数的软件算法。通过一系列的实验，可以促进学生对于所修相关各门课程知识的掌握。

1 实验教学平台硬件设计

1.1 总体框图及工作原理

实验平台由电能参数分析模块和阻抗参数调节模块组成，可以连接上位机进行在线调试，也可以实现脱机运行。实验教学平台的结构框图如图1所示。该平台具有对三相交流电参数:电压、电流和频率进行测量，对有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和电能分析计算及显示等功能。调试单元主要由仿真器构成，学生可以利用调试单元，调试自己编写的DSP程序，对电能参数进行测量与计算，并可将程序计算结果与理论计算结果进行对比分析。电能参数分析模块硬件部分包括预处理单元、DSP核心处理单元、键盘和液晶等;阻抗参数调节模块包括三相负载、空气开关、三相变压器以及散热装置等，可产生两种类型不同的阻抗。

图1 实验教学平台结构框图

对图1所示的系统上电后，由DSP向阻抗参数调节模块发出控制信号，通过对负载元件的投切改变阻抗特性。三相电压和电流信号经由信号变换电路(电压、电流互感器组)和信号调理电路处理后由采样电路进行同步采样和转换，然后送入DSP进行处理和计算，并将实时计算结果显示出来［3-4]。

1.2 电能参数分析模块

电能参数分析模块主要由互感器组、电力信号采集模块、DSP核心处理单元和输入输出单元组成。

三组电压互感器、电流互感器实现对三相电压、电流信号的范围进行变换，构成信号变换电路。电力信号采集模块由信号调理电路以及过零比较电路组成。信号调理电路利用放大电路将互感器输出的电信号进行放大滤波，使其达到采样芯片所允许电压范围，从而充分利用采样芯片的精度。过零比较电路将A相电压信号变换为方波脉冲，并将其送入DSP捕获单元中，捕获单元会对方波的上升沿进行计数，再由相应计算单元得到输入电压信号的频率。

DSP核心处理单元主要实现信号的采集与计算，以及对输入输出设备的控制，是整个开发平台的关键部分。该单元以TI公司的TMS320F2812为核心，配有采样芯片AD7656，可以实现6通道同步采样，从而使计算结果更加准确。此外，该单元设置了外部存储器SDRAM，预留了JTAG接口以及复位电路。实现的算法包括:三相电压、电流有效值的计算，有功功率、无功功率及功率因数的计算，谐波的计算等。

1.3 阻抗参数调节模块

为方便学生实验而设计了阻抗参数调节模块，DSP可控制接触器的通断实现对负载元件的投切，获得R-C和R-L两种工况，从而改变相关电能参数，如功率因数和输出电流等。然后利用开发平台进行测量、分析和显示。籍此可以加深学生对于阻抗参数对电能参数影响规律的认识。所设计的阻抗调节模块的原理图如图2所示。

图2 阻抗参数调节模块原理图

为提高实验教学平台的安全性和稳定性，采取了相应的可靠性设计。电流测量回路选用穿心式电流互感器，通过磁耦合方式测量一次电流，将一次侧电网与二次侧设备隔离开来，起到了保护作用。DSP对负载元件的投切是一个弱电控制强电的过程，为提高驱动能力，引入了继电器和交流接触器，并通过光耦隔离电路将数字电路与功率电路隔离开来，以提高抗干扰能力。

2 实验教学平台软件设计

实验教学平台的软件部分由主程序和采样、测频、数据处理、输出显示及键盘控制等若干子程序组成。软件程序的编写是由C语言结合汇编语言实现的，利用CCS(Code Composer Studio)开发环境进行在线调试，调试成功的程序可以通过编程工具烧写到DSP中，最终实现脱机运行。本设计采用定时采样，为保证每个工频周期内采样128个点，由定时器产生定时中断。在中断服务程序中对6通道信号(三相电压、电流信号)进行同步采样。每采样一个工频周期后，对获得的数据进行处理。在程序中定义了6个数组来保存采样结果，每次采样完一个工频周期的电压、电流信号后，将采样值转换为瞬时值，再计算电压、电流的有效值以及功率、功率因数和电能等其他参数。在计算期间停止采样，计算完毕后重新开始采样。最后将实时计算结果通过液晶显示出来。其主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

3 基于该平台的实验设计

实验平台由电能参数分析模块和阻抗参数调节模块组成。其中，电能参数分析模块的内部构成如图4所示，包括DSP核心处理单元、信号变换及采集单元、键盘、液晶以及仿真器，通过仿真器与上位机相连，进行在线调试。

图4 电能参数分析模块结构图

基于该平台所开设的实验项目如表1所示。

表1 主要实验列表

该平台所设置的实验内容主要是基于以下考虑，通过实验1-3，掌握CCS软件开发环境的使用，并熟悉实验平台的整体结构以及启动、驱动程序的编写。实验4-6是DSP对外设的控制实验，加深对DSP的硬件扩展电路的掌握。实验7、8是算法程序实验，利用DSP实现一些数学运算，体验用DSP进行数字处理的优势。实践9、10最后两个实验属于综合实验。

学生在很好地掌握了前8个实验的基础上，可以尝试完成电能参数的计算，包括计算三相电压、电流的有效值，有功功率、无功功率的有效值、功率因数以及一定时间内的电能等，并将计算结果通过液晶显示出来，从而对电能参数计算与分析的整个过程有一个全面的了解。同时也熟悉了DSP的编程、调试过程，掌握利用DSP实现电能参数分析的基本原理和步骤。

此外，学生还可利用该平台自行设计和完成相关实验，如C语言和汇编语言的编程实验;中断实验;A/D和D/A转换实验;DSP数据存取实验;指示灯实验;正弦波的采样实验;异步串口通信实验;CAN接口通讯实验;卷积算法实验等等。学生需要运用“电路原理”(电压电流有效值、有功功率、无功功率、电能、功率因数等物理量的计算)，“嵌入式系统原理及应用”(基于DSP的硬件设计、DSP的初始化及调试等)，“C语言设计”(各计算程序的编写)以及“数字信号处理”(谐波分析中FFT算法)等多门课程知识，综合运用才能完成全部实验内容。

下面给出模拟量输入模块编程实验。计算电能参数、评估电能质量的基础是准确无误地采集电信号。该实验是通过编程设置、控制采样芯片，完成对三相电压和电流信号的采样。采样周期内的程序流程如图5所示。

图5 采样周期的程序流程图

4 结语

为了对电能质量监测和嵌入式系统开发人才的培养，本文设计了一种嵌入式电能参数计算实验教学平台。通过基于该平台的若干实验，学生可以更好的掌握以DSP为核心的嵌入式系统的软、硬件设计方法，有助于更好的理解电能质量参数测量及计算方法，并可以促进相关课程的学习，为应用型人才的培养打下坚实基础。

［1] 林海雪.我国电能质量的产业发展及应关注的问题［J] .北京:电力设备，2005(9):39

［2] SALEM M，MOHAMED A.SAMAD S.Development of a DSP-Based Power Quality Monitoring Instrument for Real-Time Detection of Power Disturbances.Proceedings of IEEE Power Electronics and Drivers Systems，2005:304～307

［3] 潘晓杰，刘涤尘，邹江峰.基于DSP的电能质量在线监测装置［J] .武汉:高电压技术，2005，31(12):73-75

［4] 骆晓明，金印彬，等.基于DSP+ARM的便携式电能质量分析仪设计［J] .陕西:现代电子技术，2010(5):179-181