引言

隨著國家工業規模的擴大和科學技術的發展，電網負荷結構發生了很大的變化，一方面，非線性、沖擊性和不平衡負荷的大量增長使得電能質量惡化；另一方面，隨著信息技術的發展。越來越多的敏感負載對電能質量的要求也越來越高。這就要求電能質量檢測分析設備具有實時檢測、快速分析、實時顯示的能力。采用高性能數字信號處理器(DSP)和嵌入式計算機系統(ARM)雙處理器架構設計電能質量分析儀能滿足上述要求。DSP系統實現電壓、電流信號的實時采集處理，通過加窗傅里葉變換和小波算法得到電能質量參數；ARM嵌入式平臺運行WinCE操作系統完成人機交互、數據存儲、實時顯示等功能。該系統為儀器的可擴展性和智能化建立了良好的軟硬件平臺。

1 硬件系統設計

便攜電能質量分析儀硬件系統設計應以功能實現和便攜式設計為基礎，并兼顧系統的可擴展性。

1．1 硬件系統總體設計

該硬件系統包括信號調理、數據采集與處理、ARM嵌入式平臺、協控制器和電源系統5個模塊，系統框架如圖1所示。電網電壓電流信號經調理電路預處理；采用高速ADC數字化后由DSP處理器系統實現緩存及快速、準確的分析計算；采集到的波形數據和分析計算結果通過FIFO傳遞到ARM嵌入式平臺；采用LCD實現波形和分析結果顯示；采用SD卡或USB存儲設備來存儲大量的數據以便回放或進一步深入分析；利用鍵盤或觸摸屏實現人機交互功能；設置RS 232、USB和網絡接口，便于實現電能質量分析儀的系統化和網絡化擴展。

系統中采用CPLD芯片設計了協控制器。它的作用主要是產生A／D轉換器所需要的采樣時鐘、完成采樣通道的時序控制、綜合FIFO讀時鐘邏輯、網卡地址控制邏輯和DSP啟動模式的設置。系統硬件電路配有多種電源，通過對系統各模塊電源進行控制，以及使DSP按測量需求工作在節電模式等措施實現了系統低功耗設計。系統采用電池供電，滿足便攜式儀器要求。

1．2 數據采集和處理模塊

電能質量分析儀需要有較高的測量準確度，并且電網電壓電流信號除了50 Hz工頻分量以外，還包含電壓瞬變、短時電壓驟升驟降等因素引起的高頻分量；按照一般電網測試要求，需要檢測8路信號(4路電壓和4路電流)；這里需要高速、高分辨率、多通道、低功耗的ADC芯片。 TI公司出品的AD7655是一款低成本、4通道、1 MSPS采樣率、16位ADC芯片。該芯片典型功耗為120 mW，采樣率為10 KSPS時只有2．6 mW，滿足系統低功耗要求；芯片內有兩個低噪聲、寬頻帶的采樣保持器和相應的模擬開關，允許兩個通道同時采樣。選用兩片AD7655可滿足系統設計需要。

數字信號處理器選用ADI公司的ADSP-21161N32位浮點DSP芯片。該芯片采用超級哈佛結構，擁有多條內部總線、高速運算單元、大容量存儲器、靈活多樣的外部接口。它的內核工作頻率可達100 MHz，外部總線工作頻率可達50 MHz，運算處理速度可高達600 MIPS，以較低的工作頻率實現了較高的處理能力，同時降低了功耗。而ADI公司提供的根據處理器量身制作的IDE環境極大的方便了DSP軟件開發，最大程度上發揮了處理器的性能。
兩片AD7655與DSP通過“三線”SPI接口連接，DSP對數據進行緩存并進行一系列運算，將計算結果通過LINK PORTS接口發送給FIFO實現數據傳輸功能。ADC的采樣時鐘、每個ADC中的通道切換和雙ADC調度等控制邏輯由協控制器實現。

1. 3 協控制器

協控制器邏輯電路框圖如圖2所示。圖2中，采樣時鐘發生器為A／D轉換器提供采樣時鐘；ADC通道輪換控制電路協調8個通道的數據轉換次序，協助DSP準確地讀取各相電壓電流信號；DSP啟動模式控制電路協助DSP上電初始化程序從FLASH自啟動；FIFO讀時鐘邏輯電路由ARM嵌入式平臺控制，產生讀時鐘，完成DSP與ARM系統的數據傳輸；網卡地址控制邏輯為CS8900網卡提供讀寫邏輯。

1．4 ARM嵌入式平臺

ARM嵌入式平臺硬件配置如圖1所示。選用三星公司S3C2410芯片，外擴64 MB SDRAM和64 MBFLASH。該嵌入式平臺有眾多外設接口：SPI接口用于和DSP命令傳輸；LCD接口用于TFT液晶屏的驅動；USB接口適用于多種即插即用設備；SD卡接口可插入大容量SD卡用于數據存儲；觸摸屏接口可實現觸摸屏控制。為了實現儀器的網絡化，該系統擴展了網卡芯片CS890OA；為了系統調試的安全性，將RS 232接口進行隔離處理。

ARM與DSP之間通信和數據傳輸通過SPI接口和FIFO實現。ARM通過SPI接口發送命令，使DSP進行相應的數學運算及傳輸數據，系統設定ARM為主設備，DSP為從設備。FIFO用于傳輸DSP的計算結果和波形數據；FIFO芯片采用低功耗異步芯片SN74ALVC7805，數據傳輸率可達50 MHz，數據存儲深度為256 B。

ARM嵌入式平臺移植了WinCE操作系統。WinCE操作系統在實時管理、圖形界面、開發環境等方面有著特有的優勢，這為便攜式電能質量分析儀的人機交互和網絡化擴展提供了便利。