基于CC2530的电参数测量系统方案设计书.docx
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基于CC2530的电参数测量系统方案设计书
毕业设计说明书（论文）
题目：
基于CC2530的电参数测量系统设计
指导者：
评阅者：
2013年5月南京
摘要：
越来越多非线性负荷和冲击性负荷的投运使得电力系统的电能质量问题日益加重,同时越来越多的用户使用基于微处理器和计算机的自动化设备,这些设备对电能质量敏感,对电能质量要求更加严格,使得电能质量问题成为供用电双方关注的焦点作为电能质量问题定量衡量和鉴定手段的电能质量监测技术成为大家迫切研究的领域。
本课题的目标是开发一种具有可编程、同步测量与分析计算、无线通信等功能三相电参数测量系统。
该系统能够实时监测电网中的三相电压、电流、频率、功率及功率因数等基本电能参量，为电能质量分析提供方便。
核心DSP芯片采用TI公司的TMS320F28335，模数转换芯片为AD7656，Zigbee无线通信芯片为CC2530。
本系统具有采样频率高、同步实时处理速度快、集成度高、成本低廉等特点，另外所采用的通信方式是近些年发展迅速的ZigBee也是一个特色。
关键词：
TMS320F28335，AD7656，CC2530，ZigBee无线通信
Abstract：
Moreandmorenon-linearloadsandshockloadsputintooperationmakesthepowersystempowerqualityproblemsisincreasing,whilemoreandmoreusersusemicroprocessor-basedautomationandcomputerequipmentthatpowerqualitysensitivetopowerqualityrequirementsmorestringent,makingthepowerqualityissuehasbecomethefocusofbothpartiesfortheelectricitypowerqualityproblemsasaquantitativemeasurementandidentificationofmeansofpowerqualitymonitoringtechnologybecomeapressingresearchfield.Thegoalofthisprojectistodevelopaprogrammable,synchronousmeasurementandanalysiscomputing,wirelesscommunicationsandotherfunctions-phaseelectricalparametermeasurementsystem.Thesystemiscapableofreal-timemonitoringofthegridphasevoltage,current,frequency,powerandpowerfactor,andotherbasicpowerparametersforpowerqualityanalysiswithease.CoreDSPchipusingTI'sTMS320F28335,analog-digitalconversionchipAD7656,ZigbeewirelesscommunicationchipCC2530.Thesystemhasahighsamplingfrequency,synchronousreal-timeprocessingspeed,highintegration,lowcostandsoon,inadditiontomeansofcommunicationusedinrecentyearstherapiddevelopmentofZigBeeisaspecialty.
KEYWORDS:
TMS320F28335，AD7656，CC2530,ZIGBEE
第一章绪论
1.1课题背景
随着我国电力工业的迅速发展，电能质量对于电网的安全经济运行，保证工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均有重要意义。
为了改善这一状况，对电力系统进行完整分析和监测，成为检测技术的重要方向。
准确、完整地进行电力参数的测量和分析是成功的关键，因此电网质量的问题成为关键，电力参数的分析和监测已成为国际上讨论和研究的重点。
电能质量监测作为电能质量监控的一个关键环节,在电力系统运行管理和技术监督中起着重要的作用,同时也是保证电力系统良好供电质量的必要手段,研发功能强大的电能质量监测系统,使之能详细记录电力系统运行过程中的电能质量指标,监测电能质量污染源,从而为电网电能质量的治理和改善提供依据,对保证电力系统的安全,经济及稳定运行有重要的意义。
在电能质量问题不断加重和用户对电能质量的要求不断提高情况下,提高电能质量的监测水平有重要意义,一般认为电能质量监测的目的有:
1分析电力系统的性能:
通过监测电力系统的电能质量,使电力管理部门了解电力系统运行的总体状态,分析电力系统电能质量的水平和问题所在,从而为电力系统以后的规划布局和运营调度提供依据；
2根据系统各个监测点的电能质量监测数据,分析各种特性的电力负荷对电能质量的影响,有针对性的对电能质量进行治理,根据实际情况加装各种改善电能质量的装置；
3为供用电双方的争端提供裁决的数据依据，精确的电能质量监测,可以找出引起电能质量问题的原因,从而根据监测结果找到提高电能质量的方法和应对措施,并确定相关的治理责任方。
对电能质量的准确测量是治理与改善电能质量的基础，依托通信技术,建立能够实时共享各个监测点电能质量数据的监测平台,为电力系统的规划决策提供依据,同时根据系统的总体电能质量状况对其进行调节和调度。
电能质量监测对电网的安全、可靠、经济运行有着重大意义。
1.2电信号测量发展与需求分析
1.2.1发展历程
电力监测仪表或监测系统的发展主要分为三个阶段：
第一个阶段是早期的机械式仪表。
它们通常利用电磁感应和机械原理，采用指针式结构对电力参数进行测量。
由于电磁感应的结构和机械结构的不稳定性，在测量电力参数精度和准确性方面还有很大局限性，但也由于其结构简单、方便耐用、价格低廉，在一些简单的基础应用领域仍有广泛使用。
第二阶段是模拟电子技术的发展，带动了电参数测量的变革。
从20世纪70年代以后，电力监测仪表广泛开始采用模拟电子电路设计方案。
这种采用可以直观反映电参量关系原理设计的电子仪表比机械式监测仪表在稳定性和精度方面有了很大进步。
特别是80年代初期大规模集成电路的发展，更是促进了电子仪表的飞跃。
例如1976年，日本就曾采用时分割乘法器设计实现了高精度电子式电能测量仪。
但应用模拟电子技术设计的电子仪表也有其不足之处，如其结构复杂，对器件要求较高，而且可测参数较少，功能有限，这些都限制了模拟电子仪表的进一步发展。
第三阶段是数字采用技术广泛应用于电力参数监测领域，数字式电子电力监测仪表主要是以微处理器为核心，对转化的电网参数数字信号进行运算分析，进而达到获取各重要参数的目的。
数字采样技术方案相对于前两种有着明显的优势，如其功能强大，准确度高，功耗小，使用周期长等特点。
数字采样和处理技术的发展为仪表技术领域带来了一次重大变革，国外的许多重要生产商都将它们广泛的应用于测量领域，比较著名的仪器仪表公司如HP、Tektronix、Advantest等。
早期设计的嵌入单片机的数字式仪表结构设计简洁，功能较多，但大多其实际的测量功能仍是由模拟电子线路完成的，单片机只是完成简单控制、数据读取、参数显示的功能，并未有参与测量数据的处理分析过程当中。
随着计算机技术的快速发展，各种微处理器的出现层出不穷。
DSP（DigitalSignalProcessor）是专用于高速数字信号处理的高速、高位微处理器。
它拥有强大的计算功能，易于实现自适应信号的处理，同时它具有体积小、稳定性高、可重复性等特点，自二十世纪80年代问世以来，经过20多年的迅速普及和发展，同时也随着90年代末数字采样技术在电力测量领域的的广泛应用，当前数字式电子电力监测仪表主要以微处理器为核心，对转换后的数字电网信号进行分析、优化，然后提供更多参数，更高精度，更多功能的的运算结果和预测。
1.2.2需求分析
目前,基于DSP技术和网络技术的电能质量监测技术是近几年的研究热点,国内外已经有基于此技术的设备在实际中应用。
电能质量监测装置位于监测系统的终端,其负责现场数据的采集和处理,并将处理结果上传到监控中心。
监测装置的监测精度和实时性是监控系统性能的基础。
所以根据电能质量监测的实际需要和技术的发展,未来对监测装置的具体要求可以概括为:
1设备要有很好的实时性,能够快速捕捉电能质量问题；
2控制和通信功能将得到加强化。
监测仪表除具备一般的电量参数测量功能外，还将具备远程有线或无线的传输信号的能力，与计算机和其它仪表联网通信，并可以远程监测和控制；
3系统的各个部分应该尽量模块化,以适应不同应用场合的灵活配置；
4要控制监测设备的成本,以便进行大规模现场安装；
5数据管理和控制将进一步向智能化发展，集计算机、信息管理、自动控制等功能于一体。
1.3本课题的设计目标，要点
1.3.1设计目标
1总体设计电能质量监测系统的结构,完成DSP芯片选型,外围电路设计,AD模块，通信模块的设计；
2三相电压、电流的有效值的测量，有功功率、无功功率、功率因数等参数的计算分析；
3编写DSP相关的底层驱动程序,实现AD7656的采样控制和CC2530通信；
1.3.2要点及难点
1针对单相断电或过零检测坏节多次触发而引起采样中断或失步等情况,加设防采样失步控制逻辑,使得AD采样的触发可选的由锁相倍频的输出保证系统能在恶劣坏境下的正常采样；
2设计和实现锁相环电路,保证了系统的整周期采样；
3设计了适合系统需要的模拟调理电路,其中采用了归一化方法设计的抗混叠低通滤波器,减小了FFT计算的混叠误差,提高了谐波分析的精度；
4工作要求：
电压电流测量误差<1%，实现CC2530无线通信。
1.4本文的主要内容和章节安排
本文“基于CC2530的电参数测量系统设计”共分五章莱尼阐述相应的理论与设计要点，设计过程。
各章节主要内容和章节安排如下：
第一章绪论：
本章主要叙述相关的课题背景,包括课题的提出，课题的需求分析，课题在国内外的研究现状，本课题的研究目标和重点难点。
第二章系统设计技术基础概述：
本章首先叙述电力电能工业中对于测量及计量的技术要求，实施标准情况,然后对于相关的算法理论基础和硬件基础作了介绍,最后简单说明了相应的软件设计方法。
第三章系统的硬件设计：
本章主要对组成和实现功能的整个系统的各个模块的划分，组成模块硬件设备的选型分析，然后对系统的功能模块各部分实现功能和流程作详细设计,尤其是各部分的同步和协调；最后基础的数据输入与处理，通信功能模块部分作了详细设计,为整个系统的调试与功能完成奠定了基础。
第四章系统的软件设计：
本章介绍了系统的软件总体方案，即主要功能模块的具体软件实现流程，应用汇编语言与C语言混合编程的方式编写了部分软件程序，并利用仿真器和对程序进行了简要的调试分析。
第五章分析与小结；对全文的内容和不足之处进行了分析、总结。
第二章系统设计技术基础概述
2.1测量与计量的技术要求
2.1.1信号采样
同步采样法是指采样时间间隔和被测交流信号周期
及一个周期内采样点数N满足
，同步采样法又称为等间隔周期采样。
同步采样是FFT算法的基本条件。
若采样频率与实际信号的频率没有保持相对一致，这时，采样周期信号的相位在始端和终端就不会连续，那么基于FFT算法的谐波分析也就会产生较大误差。
理想的电网信号是交变的正弦周期信号，因此从理论上来说电网参数，如电压电流有效值，或平均功率等的计算都是对一个函数在一个周期或几个周期平均值的计算。
周期为T的函数f（t）的平均值可以表示为：
。
若将宽为
的区间上等间隔分为N段，均匀采样得N个数据，上式即为同步采样的理论基础，而实际应用中由于电网周期的波动，使得当以固定采样频率对电网信
号采样时，N个采样点不一定均匀分布在一个周期上，这时采样区间变成了
，Δ是同步时间误差，此时式2.11的计算结果与f（t）实际的平均值之间存在一定的偏差，为了消除这种误差，一般来说有硬件和软件两方面的修正方法。
（1）硬件修正同步偏差的方法
要实现准确的同步采样，根本的解决办法是使采样频率准确跟踪电网频率的变化，即始终保证
（其中
为采样间隔），一般采用硬件锁相环路法。
硬件电路锁相环法原理是由相位比较器、低通滤波器和压控振荡器三个环路部件组成的一个反馈控制系统，硬件锁相环路法的原理见图2.1。
相位比较器对输入信号和压控振荡器输出的信号进行比较，当输入信号与压控振荡器输出信号频率相同时，相位比较器的输出为零:
两信号的频率和相位不同时，鉴相器的输出就产生一个误差电压，这个误差电压经过滤波环节，控制压控振荡器，然后通过分频电路控制数字采样的触发信号和加窗函数，实现对输入信号频率的跟踪。
锁相环法的特点是采样频率可以实时跟踪输入信号频率，且处理器不再需要产生采样触发信号，可以专注于更复杂的数学运算处理。
但硬件锁相环电路需要增加硬件电路，增加成本，使系统变得复杂，使系统更受器件和环境因素的影响，例如器件的延迟、漂移等因素都可能引入新的误差。
图2.1锁相法
（2）软件修正同步偏差的方法
软件法原理主要是通过对采样数据进行预处理，以达到抑制同步偏差。
“准同步算法”的主要特点在于不要求采样频率与信号频率严格同步，其基本原理是在采样过程中，通过适当增加采样数据量，一般为3～5个周期，然后通过数值积分公式进行迭代运算，从而求出对各次谐波量的高准确度估计；准同步采样法的缺陷在于它需要多个周期的数据和每个周期增加采样点数然后进行迭代运算，它所需的数据量较多，运算量也大，对于实时性要求较高的系统不太适合。
2.1.2基本电参数计算
系统基本测量的参数主要包括：
电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数。
首要环节是对输入的电气信号进行离散化，即采样。
根据被采集信号的不同，数据采集可分为直流采样和交流采样两大类。
直流采样技术的精度和稳定性受外界因素的影响较大，且测量误差和体积较大、价格昂贵。
交流采样技术具有计算灵活、响应快、精度高等特点，得到了广泛应用。
传统的测量装置由于硬件资源与速度的限制，周期波的采样点较少，并且在算法方面有一定的限制，只能采用计算量小的算法，因而达不到高的测量精度；同时，谐波分量等一些参数无法获得。
为解决以上问题，本文选用TMS320F28335数字信号处理芯片为测量系统的核心，以提高三相电参数的测量速度和精度。
对比分析后，系统选用交流采样，数值的计算选用快速傅立叶变换算法。
将电压序列u（t）分解为基波和各次谐波分量的形式可以得到：
式中k代表谐波的次数（k=1,2,3,...），积分离散化后可得：
经过计算得到第k次谐波的电压的幅值、相角有效值如下；
同理，也可计算出电流的幅值、相角和有效值。
由于非正弦周期函数的有效值等于信号中的各次谐波的有效值的平方和的平方根，所以电压、电流总的有效值分别为：
电网中的有功功率一般指的是平均功率，可定义为：
将u（t）和i（t）分别用傅立叶级数表示展开，并考虑正弦函数的正交性，可得：
为了计算方便，功率因数采用下式求得：
结合系统采样及计算精度的需求，选用每周期每路采样128点，共采集4个周期后对采集的波形进行512点的FFT。
进行频率测量的主要算法有:
（1）周期法:
周期法即为零交法。
通过测量信号波形相继过零点间的时间宽度来计算频率。
该方法概念清晰，易于实现,其公式如下:
对它的改进主要是提高实时性和测量精度。
改进算法有:
水平正交算法，高次修正函数法和最小二乘多项式的曲线拟和法,但这样计算量和复杂度很大。
（2）解读法:
通过对信号观测模型进行数学变换,将待测量f或Δf表示为样本值的显函数来估计,但精度总体不高。
（3）误差最小化原理类算法:
包括最小二乘算法、最小绝对值近似法、牛顿类算法、离散卡尔曼滤波算法。
（4）DFT（FFT）类算法及其改进算法。
（5）正交去调制法。
电压偏差的测量
电压允许偏差是指电力系统电压缓慢变化时,实际电压与系统标称电压之差。
通常指电压变化率小于每秒1%时实际电压值与系统标称电压之差,可用有名值或标么值表示。
×100％
式中实际电压为实际测量电压,额定电压为系统标称电压。
电压变动指的是供电点电压在两个相邻的、持续一定时间的电压均方根值U1和UZ之间的差值。
通常以额定电压的百分数来表示电压变动的相对百分值ΔU,即:
100％
系统在同一方向小于30ms的快速变化不计入电压变动,小于30ms的期间内,同方向的电压均方根值的变动只算作一次变动,在单位时间内电压变动的次数称为电压变动的频度。
2.2数字信号处理技术
2.2.1DSP发展概述
数字信号处理（DSP,DigisignaiProeessing）是随着信息学科和计算机学院的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科,包括传统数字信号处理，现代数字信号处理，统计与自适应数字信号处理等几个部分，把信号使用数字或符号表示的序列,通过计算机或通用（专用）信号处理设备,用滤波，变换，压缩，增强，估计，识别等数值计算方法处理,从而达到提取有用信息便于应用的目的。
20世纪60年代以来,随着计算机技术和信息技术的进步,数字信号处理技术得到迅速的发展。
20世纪70年代末到80年代初,世界上第一个数字信号处理器（DigitalSignalproeessor,简称DSP）问世,开始将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中。
而后,数字信号处理器凭着其特有的灵活性、精确性、稳定性、可重复性、体积小、功耗小、易于大规模集成,特别是可编程性和易于实现自适应处理等特点,给数字信号处理带来了巨大的发展机遇,并使得信号处理手段更加灵活!
功能更加复杂,其应用领域也拓展到国民经济生活的诸多方面。
经过二十几年的发展,DSP器件在其速度性能以及开发软件上都得到了迅猛发展。
生产DSP器件的公司数量增多并且规模不断壮大,DSP厂家除TI公司外,还有美国模拟器件公司（AD）、朗讯（AT&T）、摩托罗拉（Motorola）、NEC等。
尤以T1公司生产的系列DSP芯片影响力最大,应用最为广泛。
TI在推出TMS3201x系列产品后,相继推出了第二代DSP芯片、第三代芯片.C3x、第四代DSP芯片.C4x、第五代DSP芯片,Csx/C54x、第二代DSP芯片的改进型。
CZxx集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片以及目前速度最快的第六代DSP芯片C62x/67x等。
由于不同层次的需要,DSP器件朝着两个方向分化,一是专用型,即一种芯片仅完成一种算法,其运算是用硬件直接实现的,内部结构规则简单,运算速度高于通用的DSP,缺点是灵活性差,几乎都是定点型的,精度和动态范围有限,需要较多外围控制器件和严格的时钟同步信号,并且专用DSP几乎不具备自适应处理能力,这类芯片多出现在一些消费类电子行业等专用领域；二是通用型,这类芯片具有较丰富的硬件接口和很强的可编程性,其运算和处理是用“软件”实现的,适用于开发与研究"我们平常采用的DSP是指通用型DSP。
2.2.2DSP芯片特点及基本结构
根据数字信号处理的要求,DSP一般具有如下特点:
（1）在一个指令周期内,可完成一次乘法和一次加法；
（2）程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据；
（3）片内具有快速RAM,通常可以通过独立的数据总线,在两块芯片中同时访问；
（4）具有低开销或无开销的循环及跳转的硬件支持；
（5）具有快速的中断处理和硬件1/0接口支持；
（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；
（7）可以并行执行多个操作；
（8）支持流水线操作,取指、译码、取操作数和执行等操作可以重叠执行；
DSP具有以下基本结构:
（1）哈佛结构。
传统的冯·诺依曼结构的数据总线和指令总线是公用的,因而在高速运算时在传输通道上会出现瓶颈现象。
而采用哈佛结构的DSP芯片片内至少有4套总线:
程序的地址总线与数据总线,数据的地址总线与数据总线。
由于这种结构的程序总线和数据总线分离,因而可以在一个机器周期内同时获取程序存储器内的指令字和数据存储器内的操作数,从而提高了执行速度。
流水线操作：
DSP芯片的哈佛结构就是为实现流水线技术而设计的。
采用流水线技术可使DSP芯片单周期完成乘法累加运算,极大地提高了运算速度从而增强了处理器的处理能力。
处理器可以并行处理2-4条指令,每条指令处于流水线的不同阶段。
（2）专用的硬件乘法器。
数字信号处理中最基本的一个运算是乘法累加运算,也是最重要和最耗时的运算,为了提高芯片的运算速度,必须大幅度降低乘法运算的时间。
于是在DSP芯片中设计了硬件乘法器,并且运算所需时间最短,仅为一个机器周期。
这种单周期的硬件乘法器是DSP芯片实现高速运算的有力保证。
（3）多总线结构。
许多DSP内部都采用了多总线结构,这样保证在一个周期内,可以同时访问数据数据和程序存储空间,因此可以解决传统芯片的总线冲突问题,是系统的速度和效率大大提高。
（4）特殊的DSP指令。
为了更好地满足数字信号处理应用的需要,在DSP系统中,设计了一些特殊的DSP指令,以完成一些专门的运算。
例如C54xDSP的FIRS指令,专门用于FIR（有限脉冲响应）滤波运算。
（5）快速的指令周期。
哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令,再加上集成电路的优化设计,可使DSP的指令周期在50ns以下,现在高性能的DSP指令周期可以达到5ns。
2.3无线通信Zigbee技术
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。
它是一种介于无线标记技术与蓝牙之间的技术提案，此前被称作HomeRFLite或FireFly无线技术，主要用于近距离无线连接。
它有自己的无线电标准，是通过数千个微小的传感器之间相互协调来实现通信的。
这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以通信效率非常高。
而这些数据就可以进入计算机用于分析，或者被另外一种无线技术如WiMax收集。
ZigBee是一个由可多达65000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，十分类似现有移动通信的CDMA网或GSM网。
其中每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信。
每个网络节点间的距离可以从标准的75m，到扩展后的几百M，甚至几公里。
另外，整个ZigBee网络还可以与现有的其他各种网络链接。
例如，可以通过互联网在北京监控云南某地的一个ZigBee控制网络。
不同的是，ZigBee网络主要为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要为语音通信而建立。
每个移动基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。
每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象连接，例如与传感器连接直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。
除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内
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