基于DSP和LabVIEW的信号电源检测系统设计毕业论文设计.docx

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基于DSP和LabVIEW的信号电源检测系统设计毕业论文设计

本科毕业论文（设计）

题　　目：

基于DSP和LabVIEW的信号电源检测系统设计

摘要

随着社会的发展，生活中我们用到的电能设备越来越多,因此我们对电源质量的要求随之升高,对电源的可靠性有了足够的重视。

对于设备电源来说，一旦缺少设备将无法正常运作，影响生产生活效率，严重时会为国家企业带来无法挽救的损失，所以信号电源质量的检测和研究，成为当今时代越来越关注的话题。

我们所做设计使用了TI公司的TMS320F2812型号数字信号处理器（DSP）以及NI公司的LabVIEW软件,我们主要使用DSP的高速处理数据的能力来处理电源信号，然后通过LabVIEW软件做上位机进行显示存储和分析数据，进而设计出新一代的信号电源检测系统。

关键词信号电源DSPLabVIEW上位机检测系统

Abstract

Withthedevelopmentofsociety,weusemoreandmoreelectricityequipmentinlife,sowedemandmoreforpowerquality,andwepayenoughattentionforthereliabilityofpowersupply.Forequipmentsupply,oncethelackofequipmentwillnotabletooperatenormally,influencetheproductionefficiency,andwillbringirreparablelossesforthesupplyquality,becometheeraofincreasinglyconcernedtopic.ThesystemusesTMS320F2812whichisTIdigitalsignalprocessor（DSP）andNIcompany'sLabVIEW,processingpowersignalbyusingDSPhighspeeddataprocessingability,storage,displayandanalysisbyLabVIEW,thedesignofdetectionsystemsignalsanewgenerationofpower.

KeywordspowersupplyDSPLabVIEWupper-computerdetectionsystem

目录

前言1

第1章绪论3

1.1课题提出的背景及研究意义3

1.2信号电源检测的发展史及研究现状3

1.3本文主要研究内容5

第2章信号电源检测系统概述6

2.1信号电源检测系统6

2.2数字信号处理器（DSP）概述及在信号电源检测中的作用6

2.3开发平台LabVIEW概述及在信号电源检测中的作用8

第3章总体系统分析与设计10

3.1总体设计10

3.2外部模块硬件实现10

3.3外部模块软件实现15

3.3.1软件介绍15

3.3.2软件开发流程16

3.4LabVIEW软件实现18

结束语24

谢辞25

参考文献26

前言

设备电源在工业、通信等范畴中角色越来越重要，发挥着越来越大的作用。

设备电源供应着整个系统的电源，电源质量的好坏直接影响了系统的稳定性可靠性。

电源的稳定性是负载设备稳定运行的基础，电源的高可调控性提高系统的能耗比。

电源是全部产业和信息化体系中最根本和而又重要的组成部分，对产业稳定和信息体系安全有决定性作用，所以又对设备电源的管理监控是必须的。

众多的非线性负荷以及其他不正常用电设备的使用，使电网中的种种干扰因子不断增长，设备电源质量下降，我们必须要更加详细的判别各种不同的干扰，更加实施的了解我们的电参数，才能更好地进行供电，才能具有更好的可靠性。

在现阶段电能装置很大一部分是基于稳态参数的检测，很少有对暂态参数的检测，像短时断电和电压跌落等等，检测一直不够全面。

也有部分文献提出了检测暂态算法。

但它们的没有应用在嵌入式系统，并且不能够同时检测暂态稳态参数等等。

所以说，我们需要一套更加全面的检测装置来保障我们的电力设施，电源供应。

该论文我们主处理芯片采用DSP，主要是DSP具有快速的数据处理功能，能够快速处理数据，更加实时的反应设备电源的各项参数，更好地实现电源保护。

DSP之所以数字处理速度比其他处理器快，是因为它具有很多有利于数字运算和信号处理的硬件。

我们在参数检测分析的过程中采用了比较先进的快速小波（MALLAT）算法，以及信号突变检测算法，还有比较成熟的快速傅里叶算法等等，这些算法都能够精准的检测各种信号，非常的全面。

我们主要是通过LabVIEW只做了一个参数显示界面，进行数据的显示与读取存储。

我们本次设计采用了TMS320F2812-DSP和LabVIEW为基本架构的信息处理平台进行策划，我们将2812-DSP高速度的数据采集分析处理能力和LabVIEW相结合，我们主要利用LabVIEW的编辑界面的方便性以及它所具有的图形化编程方式，方便我们编程开发，经过串行接口与PC机进行数据传输，然后将数据传给LabVIEW处理并显示。

我们设计的系统成本比较低，具有图形化编程的优势，价格比较低，并且具有很强的通用性以及可移植性。

我们所用的LabVIEW是NI公司（美国）研制的软件，具有很好的创新性，它具有世界上应用最广泛，功能最强大，最方便跨素的图形化的软件开发环境，使制作现实界面不可多得的一款软件。

TMS320F2812是由美国德州仪器公司研发的DSP处理芯片，在2004年进入中国，由于其具有的各种优势，刚进入中国就被我们大量应用，为我们众多设计师所青睐。

TMS320F2812作为嵌入式的开法平台，具有较强的可移植性，并且具有较强的通用性。

在我们平常生活工作中，信号电源作为我们用到的各种设备的供电电源，关系到各行各业的正常运作，比如电视，电脑，工厂中机器，电梯等等，设备电源的产品质量无疑使非常重要的，为此我们必须努力提高自身技术，争取做出可靠性强的电源，还有就是我们要做好设备电源的检测，及时处理设备电源所遇到的问题。

由此可见，信号电源的检测尤为重要。

第1章绪论

1.1课题提出的背景及研究意义

伴随着电子信息化的迅猛发展，工控系统自动化和智能化程度也有日新月异的进步。

随着科技的发展,处理器越来越向着集成方向发展,超大规模电路在处理器中大量的节省了空间，外围电路集成在一块芯片上很大程度上降低了电磁波辐射，提高了效率。

可编程器件能够用软件程序完成灵活的控制，给智能化工业控制提供一个平台，并且去掉了以前繁琐的控制电路。

DSP数字处理器实时处理现场数据并调整工控系统的邢台，这样的话就不会轻易受到电磁,温度等因素的影响,这样的话处理器才能更加稳定,才能使系统更加稳定.芯片之间通过现场总线使得通信更加便捷,广泛地应用扩展了他的施展空间.工业数字化控制是当今世界控制领域的一大重点领域,而智能化控制更是研究的重中之重,智能化控制对当今的实际生产有着深远的意义.

信号电源在产业生产等领域中有重要的地位，设备电源是整个系统的能量来源,直接关系到整个系统的可靠性与稳定性，设备电源的性能直接关系到设备能否正常运行,电源的稳定性是负载设备稳定运行的基础，电源的高可调控性提高系统的能耗比。

随着计算机技术的进一步发展,数字化控制是发展的唯一方向。

关于设备电源控制管理系统是很繁琐的，在一些复杂的系统中,如果只是用一个数字处理芯片（DSP）或者是只是用一个微控制器（MCU）来做整个系统的控制器,那么整个系统的实效性与稳定性将不能够得到保证,很多信息无法及时处理,系统反应迟钝,最终影响各种指标。

单芯片很难满足需要,所以我们采用模块化多核数字控制,我们设计就是采用以DSP和LabVIEW共同处理系统信息.

1.2信号电源检测的发展史及研究现状

到现在为止的信号电源的检测技术，大体上是用比较基本的方式与控制系统进行信息传递。

方便有效地信息沟通还不能够实现，现在，设备电源的研究方已经开始在其产品中加入比较高级的监控系统，以此来实现监控管理，但是现在市场上都是比较零散的方式，根本没办法满足特定市场的需求，到目前为止，尚无被普遍应用的电源通信协议和信号电源操作程序，各电源研发单位只能自己研发不兼容的硬件平台和自己的软件接口，并且使用自己的协议标准，这种情况通常会增加开发成本，致使不同厂商的产品系统兼容性比较差。

现在社会上的电源检测产品与智能系统应用的需求已经有很大一段差距了，那国内来说，我们的智能化电源检测产品研究致使处在试探阶段.我们现在信号电源检测离我们的需要还有很大的差距，我们必须向着高智能化高自动化方向发展，实现设备电源智能化管理也势在必行。

我们以后所需要的信号电源检测系统应该是数字化、模块化、冗余化、智能化和行业绿色产品标准于一身。

更加具体地说，数字化是信号电源检测系统使用数字芯片作为核心控制器，实现高速以及精确计算的控制；我们所说高频化一般指控制器的频率高速度；这里模块化指电源检测系统的任务分模块，不同模块实现不同作用，例如DSP（DigitalSignalProcessing）来实现信号的采集，把这一单元模块化，方便以后其他项目用到，可以方便移植。

DSP配合相应的软件算法驱动，能够快速及时的收集信息，并且可以根据所得数据进行数据分析，然后通过反馈环节进行及时调整，可以有较高的实时性。

主要的电源监控系统模块用MCU（MicroControllerUnit）做核心控制器，模块内部设置接口，方便与外界通信；智能化指设备电源的检测系统可以自行判断设备运行状态，并且可以自诊断，自调整，这样的话可以实现本地管理及远程操控；行业绿色标准而是指设备电源检测系统在运行中不对设备电源产生污染，实现绿色话。

随着嵌入式及物联网技术的发展，可视化管理及远程监控便捷化的步伐已然加快。

以后的设备电源监控系统肯定会朝着智能化发展，应该具有如下特征：

（1）控制器的对外通讯应该给出标准协议的接口以及形象化的人机交互界面，如标准的CAN总线，标准的RS总线和LCD触摸屏等等。

控制器接口众多，可以适合不同的场合。

比如在设置安设地方，用USB通讯可以使不具有串口的笔记本电脑通信，或者可以使用CAN总线通信，进行现场调度。

（2）每个设备电源监控系统要有自己的身份，在系统中有自己的标示，即在系统中有独特的ID，使得其他系统与其通信比较方便。

并且通过此ID可以查阅详细资料。

（3）良好得人机交互接口是不可或缺的，只有这样我们才能更加简便的获取数据，更加直观，我们所做的提示内容应该合理易懂，具有齐全的功能，要使操作比较方便，方便管理人员的操作维护。

（4）实现智能化，出现故障后系统可以自行诊断，进行自保护，自修复。

并且会有显示给管理人员，系统可以自动记下所处问题，进行屏幕显示等等。

（5）系统可编程，即系统的所有软件配置，系统性能配置，系统软件更新，串口等等，通过编程可以更好地控制系统，实现我们所需要的功能。

（6）可实现远程监控，以后实现远程控制将是一个发展方向，通过网络进行远程设置，并且可以查询数据，状态等，进而可以达到现场控制的效果。

（7）具备完整的事件回溯／查询机制，使系统可以实现对异常事件实时处理，并存档，当管理员要查看历史数据时，由于系统自身的存档功能，则系统能够输出已经保存好的事件以便管理人员参考。

1.3本文主要研究内容

本论文主要根据国内现状研究DSP的运用和LabVIEW的设计，设计出一个检测系统，通过两者结合实现对信号设备的电源质量进行检测，在LabVIEW平台下进行DSP采集和数据处理系统的设计，电源信号经过A/D转换后在DSP进行数据处理，处理后的数据经过USB接口送到上位机上面显示和存储，同时上位机能够实现系统复位、DSP程序加载、数据传输的控制和数据处理等功能。

第一章介绍了课题的背景和研究意义，介绍了设备电源检测的发展史和研究现况.

第二章介绍了信号电源的知识和质量标准，详细介绍了DSP和LabVIEW的基本知识.

第三章介绍了硬件设计和软件设计，上位机界面和程序框图设计.

第四章对信号电源进行数据检测，对数据进行采集和处理,并对结果进行分析.

第五章对全文进行总结和展望.

第2章信号电源检测系统概述

2.1信号电源检测系统

信号电源检测系统是一类新型的产品，是保障电源质量的一类产品，其基本特征是：

它有现场检测层和电源变换层、隔离保护层，这些都是以计算机为基础进行架构的。

现场检测指的是处理器DSP对设备电源进行实时数据检测，并可以实现现场图像监控，可以实现电话报警，联网同步信息等等。

电源变换层指的是将交流电源变换为其他功率或者是交直流等，能满足系统所要求的能量。

隔离保护层能够对设备电源做防雷保护以及断路器保护等等。

这种智能化,安全性高,高可靠性,小体积,较少维护等优点。

信号电源可以向用电设备提供能源，又叫做电源供应器，为系统中所有部件的电能。

设备电源储能大小，输出电压和电流的稳定性，将会直接对计算机工作性能和寿命产生影响。

电源是指存储电能的装置,这些电能是通过其他形式的能转换过来的。

例如发电机电能的来源是机械能的转换，干电池电能来源是化学能。

这是电源的两个种类。

整流电源指的是经过变压整流，将交流变直流的装置。

信号源是指可以产生信号的设备。

例如晶体三极管可以起到信号放大作用,又可以将信号传递到后面去。

这样来说后面电路的信号源就是指晶体三极管。

有时候整流电源、信号源也称为电源。

当设备需要的电源频率比较高使，则对电源的要求将会提高。

就像现在计算机电源内部为开关电路，该电路可以把完成交流转直流，然后利用斩波电路调控电压，以此电压给不同部分供电。

计算机内部电源是模拟电路的范畴，负载将会影响电源输出质量，所以说功率是计算机一个重要指标。

2.2数字信号处理器（DSP）概述及在信号电源检测中的作用

数字信号处理器TMS320F2812是TMS320C2000平台上的比较新的产品。

C28x的源代码与24x/240x的源代码可以兼容，所以说已有得240x用户能够比较容易的控制软件投资。

另外来说，C28x作为一个C/C++引擎具有高效的优点，这个引擎可以让用户使用高级语言对控制系统软件进行开发,具有较强的可移植性，并且可以用C/C++等。

C28x的进行DSP算术能力与进行系统控制能力一样厉害，但是通常系统控制任务交给微控制器其中的器件来完成。

这种方式使得一些系统省去了使用另外一个处理器的必要。

由于C28x的64位处理能力使得它可以对较高数字分析问题进行求解.不然的话，我们得找一个专门的处理器实现方案。

加入了快速中断响应，可以使我们的系统对异常事件的处理很灵敏,反应较快。

C28x的流水线式操作使他的处理速度大幅度提高,可以应对高速度的数据处理,无需找其他的处理器即可。

内存总线（哈弗总线架构）

对于大部分DSP来说，CPU与外设，内存之间的通信以及数据传输用多总线结构，该DSP可以通过软件编程进行总线读取数据读取写入等功能，该DSP具有32条数据线路以及22条地址线路。

CPU将数据写入这些数据线路和地址线路。

其中数据线路可以使32位单周期运行。

哈弗结构，通常指的是多总线结构。

利用该结构CPU读取每条指令，读取写入每个数据仅需一个周期。

并且所有外设和其他部件对内存的访问都设有优先级，优先级高的优先执行，优先级低的随后执行。

以下是部分优先级顺序：

最高级：

写入数据（注意内存总线上无法一块写入数据和程序，数据的写入比程序的写入优先级要高。

）

写入程序

读取数据（就像写入一样，读取的时候也是优先读取数据）

读取程序

最低级：

取指令（取指令优先级比较低，在数据、程序的写入与读取之后）

外设总线

我们所用DSP有一个外设总线标准，可以使不同得DSP器件之间的外设连接，进行数据通信。

外设总线桥集中了很多总线，这个总线将16条地址线或者32条数据线装进处理器总线中.在F281x和C281x单片机上,这两种方式的总线都是存在的,其中一版本仅仅支持16位的总线访问,这种方式被称之为外设帧2,C240x系列处理器与这种方式有兼容性.还有一种方式叫做外设帧1,这种方式同时支持16和32位访问。

实时JTAG和分析

F281xC281x采用IEEE1149.1JTAG标准接口。

另外，F281x和C281x系列处理器有实时模式，也就是说当处理器运行的时候，处理器正在运算代码和中断，我们可以改变寄存器位置、存储器外设等。

使用者并且可以使用关键代码实现单步操作，并且能够在正常情况下可以讲时间关键中断复活。

F281x和C281x系列处理器在CPU的内部采用实时模式。

这种功能是F281x和C281x特有的，并不需要软件进行监控。

还有就是该处理器给出了硬件分析，这种好处是使我们设定硬件断点成为可能，并且可以设定数据/地址观察点，如果一个匹配发生的时候，可以有几个不同的中断事件供选择。

外部接口（XINTF）

这个异步接口由19条地址线路，16条数据线路，和3个芯片选族线路组成。

此芯片选择线路被映射到5个外部区域，即区域0，1，2，6，和7。

区域0、1和区域6、7分别用同一芯片选择线路。

5个块中的每一块均能够设为不同的选通信号设置、等待状态数量以及保持时序等等，还有就是通过外部设定将区域设为不同的等待状态。

芯片的选择、等待状态的编辑、以及可编程选通时序均能够与外部存储器实现完美对接。

图2.1数字信号处理器功能方框图

本设计中主处理芯片为DSP，该芯片可以实时监测系统，测定参数。

电源信号经过A/D转换后在DSP进行数据处理，处理后的数据经过USB接口送到上位机上面显示和存储，，同时上位机能够实现系统复位、DSP程序加载、数据传输的控制和数据处理等功能。

在DSP来采集处理数据，分析数据，将数据传给上位机的基础上，上位机实现显示等。

2.3开发平台LabVIEW概述及在信号电源检测中的作用

LabVIEW软件是由美国国家仪器公司（NI）生产的在数据采集领域具有独特优势的虚拟仪器软件开发平台。

使用LabVIEW在进行软件开发时直观简便，具有大量接口的设备驱动程序，数据分析表达功能强大，用户能方便快速进行仪器系统的开发设计。

LabVIEW的编程语言比较特别与其他软件的编程语言不太一样，其采用基于图形化的编程语言G语言。

LabVIEW写程序代码的时候采用图形模式的结构框图，采用的编程方式为数据流，换句话说就是流程图代替程序代码，这样更加直观，更容易学习。

基于LabVIEW的图形化的开发环境，这种方式更加高效灵活，并且LabVIEW非常适合测试测量以及控制，为数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示提供了大量开发工具包，使工作效率得到很大提高，缩短了开发时间。

LabVIEW的代码可以在三大常见的台式系统上运行，有的还可以适合嵌入式设备，所以来说，LabVIEW具有比较好的可移植性，他有较强的跨平台性能。

LabVIEW现在用到的也非常广泛，比如说在我们的交通运输行业，我们的航空航天方便等，均用到LabVIEW开发软件。

LabVIEW全拼是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench，它是一种图形化编程语言，主要是用图标编写应用程序。

然而一般比较传统的编程语言的程序执行顺序是用语句、指令先后顺序决定的，LabVIEW 编程方式是数据流，程序执行顺序由节点数据流向决定。

LabVIEW有一个程序模块，叫虚拟仪器（VI），虚拟仪器应用很广泛，能够对信号进行分析处理。

传统仪器要完成上述功能则比较复杂，一般需要包括数据采集与控制模块、数据分析与处理模块和处理结果表达与输出模块共三大部分。

虚拟仪器有很大的优势相对传统仪器。

首先我们提到的是性能高，虚拟仪器技术有较快的速度，而传统仪器速度慢并且比较笨重，比较昂贵，在进行数据传输的同时就能实时进行大量复杂数据分析。

其次扩展性强，由于虚拟仪器软件的灵活性，在对系统进行升级改进时只需要更新计算机性能或测量硬件，而无需大量的硬件投资，从而减少成本，加速产品升级上市。

虚拟仪器的开发时间比较短，但其技术是软件架构，开发者可以自主的进行控制方案的配置创建与维护。

最后是具有很好的集成性能，虚拟仪器软件提供了标准的接口，可与I/O设备进行无缝连接。

在我们的设计当中，主要利用LabVIEW能够进行便利的创建用户界面的优点。

LabVIEW 中的前面板就是指我们所说的用户界面。

LabVIEW中的编程方式类似于流程图，所以用连线和图形编程，我们就能够前面板上的目标控制。

这种方式就是我们所用的图形化源代码，即为G代码。

由于LabVIEW的图形化源代码与流程图有点类似，于是有时候也把G代码叫做程序框图代码。

第3章总体系统分析与设计

3.1总体设计

本文信号电源检测设计的重点是关于LabVIEW的设计和DSP控制电路的设计。

USB串口B

图3.1系统硬件结构图

其中，DSP作为下位机，采用了TI公司的TMS320F2812数字信号处理器（DSP）主要用于数据采集与处理。

NI公司的LabVIEW软件作为上位机，上位机的功能主要用于数据通讯，并完成数据显示存储。

本设计在CCS集成环境下对数据的采集进行处理，通过USB接口将数据传到PC机中，由LabVIEW进行信号显示与处理，构成信号电源检测系统。

系统硬件结构图如图3.1所示。

本系统的软件设计主要分为DSP软件设计和LabVIEW软件设计。

但系统的核心部分主要是DSP设计部分，他主要实现A／D采样控制、暂态检测、谐波检测、LCD显刀；、键盘控制和数据通信等，此部分程序主要以C语言为主。

数据的接受、显示、存储主要靠LabVIEW部分能实现。

LabVIEW是当今所有编程语言当中最完善、影响力最大的一种图形化编程语言。

而程序是使用G语言代码完成的。

LabVIEW专为测试测量和控制而设计，为数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示提供了大量开发工具包，使工作效率得到很大提高，缩短了开发时间。

3.2外部模块硬件实现

在信息处理系统中对精度要求越来越高，不仅对所需处理的数据量越来越大，而且要求处理数据的速度也越来越高，因此这对系统的硬件提出了相当高的要求。

在普通的数据处理系统中，可以采用单一CPU担任数据采集和处理工作，但在性能和实时性要求严格的高速数据采集系统中，单一CPU常常因为大量的数据输入输出和接口突发信号直接影响数据采集系统的正常工作,可以实时采用双机平台,本设计对实时性要求不是特别高,因此只采用单一CPU即可.

本文控制电路的设计基于TI公司推出DSP芯片-TMS320F2812。

DSP芯片，也称数字信号处理器（DigitalSignalProcessors,DSP），是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。

相较于普通的微处理器，DSP具有明显的优点：

1、在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；2、采用哈佛结构，程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；3、片内的快速RAM通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问；4、广泛采用流水线减少指令执行时间，处理器可以并行处理多条指令。

使用此芯片极大地降低了系统成本，使系统设计变得低功耗、实时性高、灵活性强,常用的有TMS320F2808、TMS320F2812和TMS320F28335，其芯片常用资源情况见表3-1。

表3.1常用DSP芯片资源表

型号

主频/MHz

DMA

控制器

R