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采用最新32位DSP的配电监控终端的设计

作　者: 李建文
导　师: 张卫宁
学　校: 山东大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 数字信号处理器(DSP) 量化噪声配电自动化变压器终端单元
分类号: TM764
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 286次
引　用: 2次
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内容摘要

近年来,配电自动化系统发展很快。作为配电系统的重要监控设备,配电变压器终端单元(Transformer Terminal Unit简称TTU)已经面世。很明显,TTU需要对三相电压/电流等大量模拟信号进行的交流采样和数据处理,而这往往对处理器的计算速度和A/D转换精度和速度要求很高。而目前的TTU往往以单片机作为计算控制核心,因为自身性能比较差,单片机往往需要外置价格昂贵的ADC、RAM等集成电路,而这往往造成系统复杂、稳定性不高、精度低等缺点,甚至成本也居高不下。 TI公司的C2000系列数字信号处理器(DSP)是专门用作控制目的的DSPs,是传统微控制器和DSP技术结合的产物。在C2000家族中,大家最熟悉的是C24X系列16位定点DSPs(如TMS320F2407)。相对于传统单片机,它在速度和性能上有了极大提高,价格也不贵。但是对于3相电力信号高精度实时估计仍显不足(时钟频率最高30MHz,内含ADC只有10位)。 TI新推出的C28X系列32位定点DSPs。它在数字信号处理和A/D转换方面的优越性能使它非常适合实现三相电压/电流的交流采样和电参量的实时高精度估计。它的数目众多的内嵌功能模块大大简化了DSP外围电路和降低了设计成本。它的完善的技术文件(如数据手册、应用报告等)和开发工具也加速了开发过程。经过分析论证,本文提出了以TI公司最新推出的32位DSP芯片TMS320F2812为核心的TTU的设计方案。按照功能的不同,本系统大致划分为DSP模块、A/D转换模块、开关量输入/输出、LCD模块、通信接口模块、历史纪录模块和电源7大部分。本文对每一部分都作了说明。本文还阐述了TTU设计过程中应用到的相关技术理论:A/D转换的工作原理和量化噪声、各电量估计的软件算法及估计精度分析、以及快速傅氏变换(FFT)算法原理等。在上述理论分析的基础上,本文介绍了TTU各功能模块的软件实现。本系统对输入信号每周期采样128点,并根据采样结果计算信号的有效值、有功功率、无功功率、视在功率、有功电度,无功电度、功率因数和频率等电量以及快速傅氏变换(FFT)的软件实现。最后介绍了样机测试结果。本系统还简单介绍了IEC870-5-101规约的软件实现,以及历史纪录模块的软件实现。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
第一章绪论  9-13
  1．1 配电自动化的基本概念  9
  1．2 配电变压器监控终端  9-11
    1．2．1 配电变压器监控终端在配电自动化系统中的地位  9-10
    1．2．2 配电变压器监控终端在配电自动化系统中的作用  10
    1．2．3 配电变压器监控终端的现状与发展  10-11
  1．3 本课题中配电变压器监控终端的设计特点  11-13
第二章配电变压器监控终端的设计  13-17
  2．1 配电变压器终端基本功能  13
  2．2 配电变压器终端扩展功能  13-14
  2．3 配电变压器终端的设计方案  14-17
第三章硬件设计  17-23
  3．1 DSP硬件电路设计  17-18
  3．2 交流采样电路  18
  3．3 输入/输出硬件电路的设计  18
  3．4 通信接口电路的设计  18-19
  3．5 历史纪录部分的硬件设计  19-20
    3．5．1 实时时钟(Realtime Clock)芯片  19-20
    3．5．2 SPI口DataFlash---串口大容量数据flash  20
  3．6 电源的设计  20-21
  3．7 抗干扰设计  21-23
    3．7．1 实时时钟(Realtime Clock)芯片  21
    3．7．2 SPI口DataFlash---串口大容量数据flash  21-22
    3．7．3 传输线效应和信号完整性  22-23
第四章相关理论  23-36
  4．1 A/D转换器精度分析  23-24
  4．2 频率估计  24-25
  4．3 电参量计算的算法分析  25-26
  4．4 功率因数概念的进一步探讨  26-28
    4．4．1 无谐波存在时的有功/无功理论  26-27
    4．4．2 有谐波存在时的有功/无功理论  27-28
  4．5 谐波检测技术  28-36
    4．5．1 谐波的危害  28-29
    4．5．2 谐波检测的理论基础—傅立叶变换  29-36
第五章 TTU软件模块的设计  36-54
  5．1 DSP功能介绍  36-37
  5．2 TTU主程序流程图  37-38
  5．3 数据处理模块  38-43
    5．3．1 ADC原理与初始化  38-40
    5．3．2 ADC中断服务程序  40-42
    5．3．3 电量估计算法  42-43
  5．4 谐波分析模块  43-47
  5．5 通信模块  47-50
    5．5．1 通信模块主要功能与采用协议说明  47-48
    5．5．2 通信模块工作过程  48-49
    5．5．3 101规约的解析  49-50
  5．6 历史记录模块  50-54
第六章初步实验结果及误差分析  54-57
  6．1 误差分析  54-56
  6．2 通信功能联机测试  56-57
第七章系统评估  57-58
  7．1 产品优点  57
  7．2 产品仍待改进之处  57-58
参考文献  58-61
致谢  61-62
攻读硕士学位期间发表的论文  62-63
学位论文评阅及答辩情况表  63

采用最新32位DSP的配电监控终端的设计

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