“嵌入式电力参数测量系统”课程的教学实践”

赵志衡，李 芸，张荣岭，王立欣

(哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江 哈尔滨 150001)

我系结合电气工程及其自动化专业本科生的课程体系，设置了“嵌入式电力参数测量系统”实验选修课，共15学时。其先修课程为“嵌入式系统原理及应用”、“C语言程序设计”和“数字信号处理”等。

1 课程教学平台

“嵌入式电力参数测量系统”课程授课内容为:对线电压380V三相交流电压、电流有效值，有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，有功电能、无功电能和谐波分量等基本电力参数的测量与计算。所使用的硬件平台以TMS320F2812为核心，采用开放式结构。平台上预留有仿真调试接口，方便学生进行代码调试，其原理框图如图1所示[1]。

图1 教学平台原理框图

电网的电压和电流信号经过互感器变换后进行调理，再对调理后的信号进行A/D转换变为数字信号后由DSP芯片进行处理。TMS320F2812芯片内部集成的A/D转换单元不能满足对电力信号进行6路同步采样的需求，因此本平台采用外扩A/D转换器AD7656。

AD7656是低功耗高速的16位A/D转换芯片。片内有6个独立的转换器和保持器，可同时对6路模拟信号进行转换。转换速率为250kSPS，数字接口电压为+2.7V～+5.5V，模拟输入允许多种双极性输入(±5V、±10V、±12V)。本教学平台模拟输入电压范围选择为±5V，输出数字量为二进制补码，采用定时采样，每周期(20ms)完成采样128点。

课程所使用的软件平台为CCS3.3，它能够完成系统软件的开发和调试。它提供一整套的程序编制、维护、编译和调试环境[2]，能将汇编语言和C语言程序编译连接生成COFF(公共目标文件)格式的可执行文件，并能将程序下载到目标DSP上运行调试。

2 实践教学内容

(1)CCS3.3仿真软件的使用

软件内容包括构造2812开发软件环境，掌握CCS3.3的基本功能:创建工程和管理工程;编译和调试;使用探针实现数据文件的导入;使用观察窗口和图形功能等。学生通过该实验，能够将任意给定的正弦波按照设定的采样率(例如每周期128点)转变为16位有符号定点数的数据文件，并导入到数组中，通过图形功能观察正弦波波形。该功能在实验(3)和实验(5)中将得到应用。

(2)TMS320F2812的C语言及汇编语言编程

编程内容包括2812工程文件的构成、cmd文件的编写、map文件的内涵及C语言文件与汇编语言文件编译后形成机器码的比较。其目的是使学生掌握在某些应用场合需要的C语言与汇编语言混合编程，通过代码及流水线的优化获得更高的实时性。

(3)三相交流电有效值计算程序的设计

其内容包括A/D采样程序的设计及调试、相电压/相电流有效值计算程序的设计及调试及线电压有效值计算程序的设计与调试。分析不同采样率(分别取每周期32点和64点)对计算精度的影响。学生通过该实验，掌握同步A/D转换器的操作时序，通过C语言编程实现6路模拟信号(3路相电压和3路相电流)的同步采样，每周期每路模拟信号采样128点，并将采样值分别存入6个数组。根据有效值的基本定义，学生独立推导出离散量有效值的求解公式，并编程调试。根据线电压与相电压之间的物理关系，独立推导出利用相电压(电流)采样值获得线电压(电流)瞬时值的计算公式，并编程实现线电压(电流)有效值的计算。

(4)三相交流电功率、功率因数及电能计算

其内容包括有功功率、无功功率及功率因数程序的设计及调试;有功电能、无功电能计算程序的设计与调试。通过该实验，学生掌握根据电压、电流同步采样值所获得的瞬时功率求解有功功率的离散量计算方法，掌握视在功率、无功功率、功率因数、有功电能和无功电能等参数的计算方法，在电能计算中加深对千瓦时的认识。

(5)应用FFT实现三相交流电的谐波分析

其内容包括FFT算法的基本原理及其程序设计、三相交流电电压的谐波分析和每周期不同采样点数对FFT算法分析谐波分量的影响。通过该实验，学生掌握数字信号处理中重要工具FFT算法的C语言程序设计方法[3]，并对三相电压采样值进行处理获得谐波分量。学生通过对比，分析不同采样点数对FFT算法精度的影响。

3 本课程教学方法

“嵌入式电力参数测量系统”属于实践教学环节，但课程内容涉及多门课程，涵盖的知识点多[4]。在教学中我们主要采取以下方法。

(1)科研项目驱动

课程内容来源于任课教师的科研工作总结，与专业背景密切相关，同时又是一个相对独立的项目。整门课程分为5个实验单元，学生完成所有实验，也就完成了整个项目的设计与调试。

(2)充分利用CCS仿真工具

CCS具有很强的仿真调试功能。课程中充分利用其设置软件断点导入数据文件的功能，完成对算法的调试。首先，将预先给定的波形离散取样形成16位带符号整形(与A/D转换器的位数一致)数据文件;然后由CCS将该文件导入A/D转换程序的6个数组内;最后将程序的运行结果与预先给定的波形进行对比，完成程序的调试。

学生可以预先给定不同的波形，对程序进行全面测试。例如，给定含有3、5、9、11次谐波的波形;电压和电流不同相位关系的波形等。

(3)引导学生自主讨论

自主讨论一方面可以澄清学生对某些知识点的模糊认识，另一方面也可以培养学生主动获取知识和探究问题的能力。例如:在实验(3)-(5)中，开展“算法精度影响因素”的讨论，引导学生聚焦“每周期采样点数”和“AD转换位数”两个因素。先由学生自主讨论，获得这两个因素对精度影响的初步认识;然后再引导学生进行程序验证。具体做法是改变数据文件中的数据点(每周期数据点的个数和数据点的位数)，利用CCS将其导入算法程序，通过计算结果的相对误差，分析两个因素对精度的影响。

4 结语

“嵌入式电力参数测量系统”课程与电气工程及其自动化专业学生的知识体系结合紧密，工程应用背景明确，可以充分锻炼学生综合运用知识的能力。我们在课程教学实践中，采用项目驱动和自主讨论等方法，可以提高学生自主探究问题的能力。将实验平台与仿真工具有机结合，加深其对相关知识的理解。对于先修课程掌握不好的学生，可以采取加大实验之间的间隔，提供充足的预习时间，来进一步提高教学效果。

[1]赵志衡，黄棣，王立欣.电能参数计算实验教学平台的开发[J].南京:电气电子教学学报，2011(6):65-67

[2]徐科军，张翰，陈智渊.TMS320X281x DSP原理与应用(第2版)[M].北京:北京航空航天大学出版社，2011:269-282

[3]杨风开，王彬，李军.面向电气类学生的DSP实现FFT的实验教学研究[J].北京:中国电力教育，2008(9):149-151

[4]茅靖峰，吴爱华，吴晓.DSP原理与运动控制系统课程教学研究[J].南京:电气电子教学学报，2007(1):8-10