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嵌入式电能质量监控终端的研究与设计

作　者: 李化生
导　师: 蔡卫峰
学　校: 南京理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 电能质量 ARM DSP CPLD FFT算法 GUI
分类号: TP368.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 73次
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内容摘要

电能作为一种重要的能源,其质量的好坏不仅与人民生活息息相关,而且关系到国民经济的总体利益。从某种意义上说,电能质量的好坏反映了一个国家经济与科技水平的高低。要把我国建设成为“节约型社会”,科学地监管电能质量显得尤为重要。本文考虑到要采集和处理大量数据以及满足实时性的要求,综合比较几种原始方案的优缺点,最终提出了基于ARM+DSP+CPLD双CPU结构设计方案。硬件方面采用模块化的设计思路,主要设计了以AD7656为核心芯片的前端数据采集模块、以TMS320VC5402为核心芯片的DSP数据处理模块以及以S3C2410为核心芯片的ARM控制管理模块。通过](?)MS320VC5402本身具有的HPI接口实现DSP与ARM之间的通信,采用DM9000设计了以太网接口电路,实现了电能质量的远程监控,并制作调试了相应模块的电路板。软件方面,包括DSP数据处理模块软件设计和ARM主控管理模块软件设计。DSP数据处理模块软件部分给出了相应的程序流程图,重点介绍了ARM主控管理模块软件的设计。数据采样部分,CPLD负责逻辑控制,利用VHDL设计自动状态机来实现对A/D转换和数据存储的控制；数据处理方面,通过对实时信号处理的MATLAB仿真验证了经过锁相倍频电路同步采样后再通过FFT变换进行谐波测量能够解决频谱泄露这一难题的理论正确性。最后,成功安装移植了Qt/X11、Qt/Embedded图形开发工具,并设计了本监控终端的GUI界面,实现了远程监控和分析电能质量的目的。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-14
  1.1 课题背景  8-10
    1.1.1 电能质量的衡量标准  8-9
    1.1.2 电能质量问题产生的原因和危害  9-10
    1.1.3 电能质量监控的目的  10
  1.2 国内外电能质量研究概况及发展趋势  10-12
    1.2.1 电能质量理论研究的方法  10-11
    1.2.2 国内外电能质量监控装置的研究现状及发展趋势  11-12
  1.3 本论文的主要工作  12-14
2 电能质量指标及其测量计算方法  14-30
  2.1 基本的电参数  14-16
    2.1.1 电压有效值、电流有效值的定义与计算  14-15
    2.1.2 功率与功率因数的定义与计算  15-16
  2.2 电能质量指标  16-20
    2.2.1 供电电压允许偏差  16
    2.2.2 供电系统频率偏差  16-17
    2.2.3 公用电网谐波  17-18
    2.2.4 三相电压不平衡度  18-19
    2.2.5 电压波动与闪变  19-20
    2.2.6 暂时、瞬态过电压  20
  2.3 基于FFT的谐波测量  20-24
    2.3.1 频率抽取基-2 FFT算法  21-22
    2.3.2 时间抽取基-2 FFT算法  22-24
    2.3.3 FFT算法与直接算法的比较  24
  2.4 频谱泄露原因及抑制措施  24-25
  2.5 实时信号处理的MATLAB仿真  25-28
  2.6 本章小节  28-30
3 电能质量监控终端总体设计  30-36
  3.1 电能质量监控终端的设计要求  30
    3.1.1 监控终端设计原则  30
    3.1.2 监控终端功能要求  30
  3.2 电能质量监控终端设计方案的比较  30-31
    3.2.1 原始方案  30-31
    3.2.2 本论文的设计方案  31
  3.3 电能质量监控终端装置的总体构架  31-34
    3.3.1 前端数据采集模块简介  32-33
    3.3.2 DSP数据处理电路模块简介  33
    3.3.3 ARM控制管理模块简介  33-34
    3.3.4 CPLD模块简介  34
  3.4 本章小结  34-36
4 电能质量监控终端硬件设计  36-56
  4.1 前端数据采集模块设计  36-44
    4.1.1 信号输入及调理电路设计  36-40
    4.1.2 硬件同步采样电路设计  40-41
    4.1.3 A/D数据转换电路设计  41-43
    4.1.4 FIFO电路设计  43-44
  4.2 DSP数据处理模块设计  44-48
    4.2.1 电源电路设计  44-45
    4.2.2 时钟与JTAG接口电路设计  45-46
    4.2.3 复位电路和WATCH DOG电路设计  46
    4.2.4 外部存储器扩展设计  46-47
    4.2.5 与ARM主控模块通信接口电路设计  47-48
  4.3 ARM管理控制模块设计  48-55
    4.3.1 存储器电路设计  49-51
    4.3.2 LCD接口电路设计  51
    4.3.3 JTAG接口电路设计  51-52
    4.3.4 ARM主控模块电源电路设计  52-53
    4.3.5 以太网接口电路设计  53-55
    4.3.6 主控模块与DSP数据处理模块通信接口设计  55
  4.4 本章小结  55-56
5 电能质量监控终端软件设计  56-74
  5.1 DSP数据处理模块软件设计  56-64
    5.1.1 数据采集模块软件设计  57-61
    5.1.2 数据运算模块软件设计  61-62
    5.1.3 DSP与ARM数据通信模块软件设计  62-64
  5.2 ARM主控管理模块软件设计  64-73
    5.2.1 ARM Linux嵌入式操作系统简介  64-65
    5.2.2 ARM软件开发环境的构建  65-73
  5.3 本章小节  73-74
6 电能质量监控终端的GUI设计与实现  74-88
  6.1 嵌入式GUI的发展状况  74
  6.2 Qt/Embedded同Qt/X11的比较  74-75
  6.3 信号与槽机制  75
  6.4 Qt环境下进行设计开发  75-83
    6.4.1 基于X86平台环境的搭建  76-81
    6.4.2 基于arm平台环境的搭建  81-83
  6.5 嵌入式电能质量监控终端的GUI设计  83-87
    6.5.1 利用Qt设计GUI的主要流程  83-86
    6.5.2 监控系统GUI界面的制作  86-87
  6.6 本章小节  87-88
7 总结与展望  88-90
  7.1 总结  88
  7.2 展望  88-90
致谢  90-92
参考文献  92-96
附录A 系统实物图  96-97

嵌入式电能质量监控终端的研究与设计

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