DSP课程设计
基于DSP的电力系统谐波分析
XXX
（南京XXX大学XXX系，南京210044）
摘要：本文主要研究电力系统的谐波分析，在理论研究的基础上给出了电力参数测量及谐波分析的方法。综合谐波分析的方法，利用DSP器件对电力系统进行谐波分析的仪器设计，包括硬件设计和软件设计。在硬件电路的设计上，着重选择了传感器滤波电路，A/D转换电路与DSP开发系统相连接对谐波信号进一步处理。最后用单片机结合LCD将处理结果显示出来。关键词：谐波分析DSP电力系统
HarmonicAnalysisofPowerSystemBasedonDSP
XXX
(NanjingUniversityofXXX,Nanjing210044,China)
Abstract:Inthispaper,itmakesastudyofthepowersystemharmonicanalysis,andtheoryresearchpresented
onthebasisofelectricityparametermeasurementandharmonicanalysismethod.Comprehensiveharmonicanalysismethod,usingDSPdeviceforpowersystemharmonicanalysisofequipmentdesign,includinghardwaredesignandsoftwaredesign.Inthehardwarecircuitdesign,emphaticallychosesensorfiltercircuit,A/DcircuitconnectedwithDSPdevelopmentsystemofharmonicsignalfurthertreatment.FinallyMCUcombinedwithLCDdisplayoftheresultofitshandling.
KeyWords:HarmonicAnalysis;DSP;PowerSystem;
1引言
随着现代工业的高速发展，电力系统中的非线性负荷日益增多，供电系统中谐波电压和电流成分不断增加。电力系统谐波不仅对供电系统造成污染，对电力设备构成危害，而且产生谐波的非线性用户将其吸收的一部分基波电能转化成谐波电能，造成供电企业线损增加，电力运营企业非经营性成本增加。我们只有对电网中的谐波进行合理测量，掌握了电网中谐波实际情况，才能为谐波的智力提供良好的依据，维护电网的安全运行。
电力参数的测量对于分析电力系统的运行状态以及故障诊断具有重要的意义。如何设计出高精度、功能齐全且性能稳定、价格低廉的电力参数测量仪，一直是不断追求的方向和目标。本设计主要研究电力系统谐波分析的仪器设计方法，包括硬件设计和软件设计。论文围绕系统的硬件设计，采用TI公司的5000系列DSP中的高性能廉价的TMS320VC5416为主控制器，为了能够使其适应于本系统中实时高速数字信号处理功能和系统可编程功能，因而进行了高速的数据存储器和FLASH程序存储器扩展。系统采用AD8364对采集到的模拟量进行AD变换，利用锁相倍频电路对AD转换进行触发，来实现非同步交流采样，减少误差。系统在软件上着力遵循模块化设计原则，给出了主程序的流程图，谐波测量的流程图。
2谐波分析概述
由于电力系统中大量非线性设备的存在，导致它们在工作时不仅会产生基波频率的整数次谐波，还可能产生基波频率的非整次谐波，即间谐波，这会对电能造成严重的污染，增加能量损失，威胁电力设备的安全运行。因此，谐波和间谐波的分析对于电力系统的监控与保护都具有十分重要的意义。
传统的正交小波包变换在电力系统谐波分析与检测中有着广泛的应用。但是由于小波包变换固有的性质，如小波包变换的混叠现象比小波变换的混叠现象更为直观形象，其影响也比小波变换严重，这主要是由于分解滤波器之间存在频带混叠现象，小波频谱的起始频率和截止频率之间存在过渡带。谐波小波变换是一种基于快速傅里叶变换(FastFourierTransform，FFT)及其逆变换(InverseFastFourierTransform，IFFT)的快速算法，在数值上容易实现，其算法快，精度高，具有很好的工程实用价值。通常的小波算法(如Mallat算法，Daubechies小波)在分解信号时要隔二取一，从而使得在小波分解时各层的数据点数和采样频率随尺度的增加逐渐减小。谐波小波相对于传统的小波函数而言，具有更普遍意义上的正交性以及优异的视频分解能力，其明显优势就是信号任意频段的“细化”能力，虽然它在时域中的局部化能力一般，但在频域分析中对精度有特殊要求的场合，这种优势就非常符合需求。
3系统框图
本系统的硬件平台采用了以DSP为主控制器的系统结构，系统总框图如下图1所示。该系统主要由TMS320VC5416为主控制器，同时与扩展的数据存储器和程序存储器组成DSP的最小系统，为了测量还加入了电压、电流传感器，A/D转换及控制电路和电源监视电路，此外还扩展了人机接口电路键盘和LCD显示电路。
图1系统框图
4硬件电路设计
4.1信号调理电路
该部分电路的功能是通过电压互感器和电流互感器将强电信号转换为弱电信号，并将双
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4.3存储器扩展
4.2A/D模数转换接口
IS61LV12816L和SST39LF400，如图4。
图2信号调理电路
图3A/D模数转换接口电路
十六位模数转换器，采用+5V工作电压。它与DSP的连接如图3：
极性的交流信号通过电压抬升电路转换成适合AD采样的单极性信号，如图2。
A/D转换器采用的是TI公司的ADS8364，他是高速，低功耗，六通道同时采样和转换的
数据处理采用的是DSP（TMS320C5416），同时外挂了一个RAM和一个FLASH，分别为
图4DSP外接RAM与FLASH
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5软件设计
以达到3.3V左右。
4.4MCU微处理器及基本外设
图5MCU微处理器及基本外设
程序、数据处理子程序、液晶显示程序、数据通信子程序等。
晶和键盘。DSP和MCU之间采用HPI总线通信，由于DSP的使用电压为3.3V，而MCU
TI公司的一种16为双向总线收发器。它可以接收高达5.5V的高电平，而输出的高电平可
的使用电压为5V，因此采用了74LVC16245A来协调两个处理器的电压。74LVC16245A是
软件系统采用TI公司的集成开发环境CCS开发，CCS集成了代码调试工具，能对DSP
TMS320C5416处理能力强，但是控制能力弱，因此我们使用AT89S52来控制12864液
主要包括主程序、DSP初始化程序、A/D初始化程序、液晶模块初始化程序、A/D中断采样
升级。为使系统的精确度和速度达到最优，该系统软件采用C语言和汇编语言混合编程，
进行指令级的方针和实时数据分析，并拥有丰富的数据处理函数库，方便对软件惊醒调试、
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图6主程序流程图图7数据采集流程图
图8MCU和DSP通信流程图
6结论
电力参数的测量对于分析电力系统的运行状态以及故障诊断具有重要的意义。如何设计出高精度、功能齐全且性能稳定、价格低廉的电力参数测量仪，一直是我们不断追求的方向和目标。论文围绕系统的硬件设计，采用TI公司的5000系列DSP中的高性能廉价的TMS320VC5416为主控制器，为了能够使其适应于本系统中实时高速数字信号处理功能和系统可编程功能，因而进行了高速的数据存储器和FLASH程序存储器扩展。系统采用AD8364对采集到的模拟量进行AD变换，利用锁相倍频电路对AD转换进行触发，来实现非同步交流采样，减少误差。系统在软件上着力遵循模块化设计原则，给出了主程序的流程图，谐波测量的流程图。
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[参考文献]
[1]宋文南,刘宝仁.电力系统谐波分析高等学校教材.中国电力出版社.1995-11-1[2]瓦基勒(WakilehGeorgeJ.).电力系统谐波:基本原理分析方法和滤波器设计.机械工业出版社.201*-1-1
[3]马永军,刘霞.21世纪高职高专规划教材：DSP原理与应用.北京邮电大学出版社.201*-6-1
[4]刘艳萍.DSP技术原理及应用教程(普通高校十一五规划教材).北京航空航天大学出版社.201*-7-1
[5]高海林,钱满义.DSP技术及其应用（国家电工电子教学基地系列教材）.清华大学出版社.201*-7-1
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扩展阅读：DSP课程设计 报告
课程设计报告
（201*201*学年第二学期）
课程名称：DSP课程设计班级：学号：姓名：指导教师：
201*年09月
课程设计报告
一、目的（1）、通过实习，进一步掌握TMS320C5402的工作原理及其最小系统和基本外围电路；（2）、培养阅读电路原理图的能力，掌握根据图纸焊接电路的技能；（3）、培养硬件查错的能力；（4）、熟练掌握利用C语言编写DSP程序；（5）、掌握利用DSP开发环境CCS软件编译和调试程序的能力；（6）、培养学生独立分析和解决问题的能力，学会查手册以及有关资料，提高知识综合运用能力和创新能力。二、内容和要求内容：（1）、根据原理图焊接电路板，熟悉各部分的功能；（2）、安装并学会使用DSP开发环境CCS；（3）、根据编程任务编写程序并使用串口仿真器SEED-XDSUSB2.0在线调试程序；（4）、参加成果验收；（5）、撰写报告。具体要求：（1）、了解TI公司的数字信号处理器TMS320C5402的相关背景知识及其工作原理；（2）、完成TMS320C5402简易实验开发板的焊接，要求能够成功下载并执行程序，若有问题，结合电路原理图分析和硬件查错最终解决问题；（3）、了解TMS320C5402简易实验开发板的基本构成和各部分硬件电路的作用；（4）、熟练掌握DSP开发环境CCS的编译和调试方法，学会用C语言编写DSP程序；（5）、编写TMS320C5402控制LED灯闪烁和按键识别等基本程序并用硬件实现；（6）、编写TMS320C5402实现iir、fir滤波等程序并用软件仿真，分析仿真结果。（7）、认真阅读理解TMS320C5402结合语音芯片TLV320AIC23B实现语音信号处理的程序，掌握TMS320C5402的多通道缓冲串行口McBSP和DMA控制器的工作原理，并使用实验开发板完成语音输入与输出的效果演示。
-课程设计报告
三、过程（如实际程序开发、电子制作，详细说明有关原理、开发过程、调试过程、结果）(一)TMS320C5402实验开发板介绍TMS320C54xDSP芯片是TI公司于1996年推出的新一代定点数字信号处理器，是TMS320C5000DSP平台中最为成熟、应用十分广泛的芯片。C54x采用先进的修正哈佛结构，片内共有8条总线（1条程序存储器总线、3条数据存储总线和4条地址总线）、CPU、在片存储器和在片外围电路等硬件，加上高度专业化的指令系统，使C54x具有功耗小、高度并行等优点。TMS320C54x的CPU具有先进的多总线结构、40位算术逻辑运算单元、17*17并行乘法器、指数编码器和双地址生成器，内部存储器包括192K可寻址存储空间（64K字程序存储器、64K字数据存储器和64K字IO空间）、片内ROM和片内单寻址RAM，在片外围电路有可编程状态发生器、片内锁相环时钟发生器、16位可编程定时器、全双工串行口、时分多路串行口、缓冲串行口和多通道缓冲串行口、8/16位并行主机接口、6通道DMA控制器等。C54x系列中各种派生器件，既有相同的CPU结构及指令系统，而片内存储器及外围电路则不尽相同。本次实习我们使用的TMS320C5402片内存储器有4K的ROM和16K的DARAM，在片外围电路主要有2个McBSP串行口、8位HPI主机接口、6通道DMA、2个定时器。图1为本次课程设计所使用的TMS320C5402实验板系统设计结构图。PCRS232TMS320VC5402DSP最小系统音频编解码键盘LED等单片机最小系统译码电源模块图1.系统总体设计结构图
-课程设计报告
本实验板以TMS320C5402为核心。整个系统按照功能可划分为以DSP位核心的最小系统电路和应用电路两大部分，最小系统电路主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、自举加载器及JTAG仿真电路等；应用电路包括IO端口应用（键盘和LED灯）模块和通过McBSP串行通信实现音频信号编解码模块。通过硬件设计和软件设计，把以上电路连接在一起使其成为一个完整的系统，就可以得到基本的实验开发系统。对本实验板的硬件介绍分以下模块：1、DSP处理器模块DSP处理器模块以TMS320VC5402为核心,由JTAG仿真口、时钟电路、复位电路组成。如图2所示。结合原理图可以看出，复位电路由一个按键构成，连接在处理器的98脚即复位脚上，当按键按下，复位管脚检测到低电平，处理器复位。JTAG仿真口实际上是一排双排针，通过5个管脚TDI、TDO、TMS、TCK、RESET与仿真器上对应口连接，即可完成程序下载和在线调试。时钟电路由外部晶振构成，这是一个20MHz的晶振，直接加到X2/CLKIN管教上，它作为时钟发生器的参考时钟输入，时钟发生器由内部振荡器和锁相环电路组成。处理器通过设定C54x的3个引脚CLKMD1,CLKMD2,CLKMD3硬件配置PLL,选定时钟方式，实际电路使用了3个硬件切换开关来设定此3个管脚的高低平状态。图2.TMS320C5402处理器的基本连接图
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2、电源模块TMS320VC5402芯片采用低电压供电方式,这可以大大降低DSP的功耗,TMS320VC5402的电源分两种，即内核电源和I/O电源。其中,I/O电源采用3.3V，而内核电源为1.8V。为了满足TMS320VC5402对电源的要求,并降低实验板成本，采用AMS1117芯片分别提供1.8V和3.3V电源，满足系统中所有芯片的供电需求。如图3所示。图3.电源模块原理图3、人机接口模块进行HPI接口程序设计，包含了单片机和DSP相关技术。采用HPIBootLoader进行程序加载脱离高额仿真器的限制，为我们的开发设计节省了成本。具体方法：首先在TICCS集成开发环境中编写用户程序编译后形成COFF文件（.out文件），利用TI提供的命令HEX500将.out文件转换为.hex文件。利用STC单片机在线烧写的功能，将这一文件和单片机控制DSPHPI接口程序一起编译，采用RS232串口一同烧写到STC单片机片内ROM中。图4.STC单片机与TMS320VC5402HPI接口硬件连接图
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4、I/O口应用模块DSP芯片存在三种空间分别是程序、数据和I/O空间。DSP芯片通过/IS以及/IOSTRB外部I/O空间片选和锁存，结合地址线、数据线对I/O空间进行读写操作。应用数字电路基础课程的74LVC系列译码器件进行逻辑设计，加以编程实现如4×4键盘、LED的读写控制，可以完成一些简单实验如按键控制霓虹灯闪烁等。图5.按键、LED及其译码电路5、音频编解码模块TLV320AIC23B使TI公司推出的一款高性能、集成有模拟功能的立体声音频CODEC。数字传输长度可为16，20，24，32位，采样频率范围8-96kHz。它能以数字和模拟电压运行，这些电压与C54x的I/O电压兼容，可以实现与C54xDSP的IIC接口和McBSP端口的无缝连接。通过设置引脚MODE为低电平，配置接口为SPI模式，与C54xDSP的硬件连接图如图6所示。图6.VC5402与AIC32硬件连接图
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(二)硬件焊接和调试这次课程设计首先要把TMS320C5402简易实验开发板焊起来，电路板已经做好，我们只需要焊上DSP芯片和其外围电路等各种器件，之后便可以用CCS软件编写和调试程序进行各种实验。焊接时要注意安全，特别是在使用烙铁时，不要烫着人体，不要烫着电线，以免发生电路短路等故障。焊接的过程如下：（1）、用万用表测量电路板上电源与地，保证这两端不短路，然后开始具体的焊接工作。（2）、焊接电源模块（包括5V电源接口，1.8V和3.3V电压芯片及其指示灯）。（3）、焊接较小贴片器件（电阻、电容、贴片LED灯等）。焊LED灯前先判断用万用表正负极，将万用表打到最左边短路检测档上，红黑表笔分别接在LED灯两端，如果LED灯亮则说明接红表笔的那一端是LED灯正极，判断完毕后根据原理图将其焊接好。另外在焊接极性电容要注意极性。（4）、焊接较大的插针器件（双排针、按键、单片机等）。（5）、焊接结束。在基本焊接结束后，我们检测实验板的可行性，第一次使用时发现可以使用仿真器进行实验，但是串口部分有问题，不能将程序下载进去。于是我们检查串口那一部分的电路，首先检查周围的晶振、电容等有没有虚焊的。在老师的帮助下，经过一系列的排查，最终发现时MAX232芯片有问题，重新换上之后实验板就可以下载程序了。实验板焊接结束后，需要验证所焊的电路板能否正常工作，也就是检验实验板能否下载程序和在线调试。步骤如下：（1）、安装C54xDSP开发环境TMDSCCS5000-1CCS2.2，安装路径为C盘ti文件夹。（2）、安装C5402仿真器SEED-XDSUSB2.0的硬件驱动程序，安装文件夹也要设为CCS的路径C盘ti文件夹。（3）、将仿真器USB接口一端插在电脑上，另一端JTAG接口连在实验板上，实验板上电。（4）、在SetupCCS2(5000)里正确配置驱动程序，添加C5402XDS510Emulator,属性设置，自动产生数据文件由外部配置，配置文件为CCS中drivers目录下的seedusb2.cfg文件，I/O地址设置为0x240。（5）、关掉CCSsetup，保存设置，启动CCS。打开例程LED灯闪烁程序，将.out文件下载到目标板中，运行程序，观察到LED灯闪烁效果，说明实验板的焊接基本正确，能够工作。
-课程设计报告
(三)实验程序设计1、LED控制实验此实验是使用DSP的数字I/O控制4个LED闪烁。由原理图可看出，4个LED的控制电平是由74HC244驱动的，74HC244的输入端为DSP的D4-D7。LED的低电平选通脚由DSP的A12和A13经74HC139译码提供（译码值为0），根据这个原理可知，LED的地址的第12位和13位第13位必须是0，其他位任意值，程序中设置LED的地址为0xcfff：#defineLedAddportcfffioportunsignedintLedAdd;这样的话只需要设置变量LedAdd第七位至第四位的值就可以控制对应LED的亮灭：例如程序LedAdd=0x0000;//四个LED全灭LedAdd=0x00f0;//四个LED全亮程序设计思想：在程序中定义好LED的控制地址变量，初始化DSP配置寄存器后，直接对LedAdd赋值，使LED等处于某种状态，经进行延时改变为另一种状态，如此反复执行则可实现闪烁效果。根据实现的效果，程序流程图7所示。图7.LED闪烁流程图-课程设计报告
2、键盘控制实验KEY0~KEY3是四个独立式的按键，使用74HC244驱动，四个按键对DSP的输入脚为DSP的数据信号D0-D3，即由这四个管脚读取按键电平值，当没有按键按下时，读入四个高电平，当有按键按下时，对应输入管脚读得低电平。使用到74LVC139译码，译码值为1，译码源是DSP的地址线A14和A15，所以按键的地址这两位要保证是低电平，其他位可以任意设置。用如下变量读取按键电平值：#defineKeyRegport3FFF；KeyReg；ioportunsignedint程序主要实现用四个按键控制LED的闪灯效果，按下KEY0~KEY3中任意一个，由处器识别按键，点亮对应的LED灯。程序流程图：main函数译码选中LED和键盘驱动DXF灯亮开总中断DXF灯灭返回扫描键值键值0x0E？LED0亮键值0x0D？LED1亮键值0x0B？LED2亮键值0x07？LED3亮图8.键盘控制LED点灯流程图-课程设计报告
3、音频编解码实验本设计中，DSP控制TLV320AIC23B对语音信号进行AD转换，采样得到的数据，通过缓冲串行口McBSP传输给DSP，DSP收到数据后不做任何处理，再通过缓冲串行口McBSP将数据传给TLV320AIC23B，有它内部的D/A转换器D/A转换后将声音信号输出。即通过MIC输入音频信号，通过耳机试听到处理后的音频信号。TLV320AIC23B有2个接口，一个是控制口，用于设置AIC23的工作参数，另一个是数据口，用于传输AIC23的A/D、D/A数据，这部分与VC5402的MCBSP无缝连接。其中CS的反是片选信号，低电平有效；SDIN是AIC23控制口串行数据输入，SCLK是AIC23控制口的位-时钟。BCLK表示数据口位时钟信号，LRCIN表示数据口DAC输出的帧同步信号，LRCOUT表示数据口ADC输入的帧同步信号，，DIN表示数据口DAC输出的串行数据输入，DOUT表示数据口ADC输入的串行数据输出。BCLK由AIC23产生，发送与接收时钟均由TLV320AIC23B来提供。根据实现的效果，程序流程图9和图10所示。开始DSP初始化程序串口0、1初始化程序CODEC初始化程序中断初始化程序设置寄存器串口复位设置采样率DXF灯灭设置帧信号DXF灯亮使能中断图9.主函数流程图图10.串口初始化流程图
-课程设计报告
(四)、小结本次实习，主要涉及的工作是根据电路图焊接一块板子，然后进行进行硬件调试，最终在实验板上验证功能。第一步，焊接。我们需要在一块空板子上焊上各种芯片，包括DSP最小系统和外围电路。在焊接时需要认真对比原理图上的各个器件，小心焊接，焊接贴片时要运用好镊子，否则很难焊好。特别注意不能虚焊，不该连接的地方绝对不能堆锡。第二步，硬件调试。焊好之后检查硬件，一开始串口无法下载程序，通过使用万用表和示波器的观察现象，最终判定为PS232芯片损坏。在我们重新焊接了一个新的RS232芯片后串口可以下载程序。第三步，功能实现。在焊接好硬件电路板基础上，我们开始使用CCS软件进行编程与调试，这部分熟悉和掌握了CCS开发环境的使用，包括编译，链接，观察存储器、寄存器、变量值等。通过使用C语言编程实现各个试验，初步掌握了TMS320C54xDSP内部一些硬件模块的用法，通过LED闪烁试验和按键实验了解了DSPI/O口的使用，定时器实验掌握了定时器的配置方法和其中断服务程序的编写，通过声音输入输出实验对TMS320C54xDSP内部的多通道缓冲串行口MCBSP的认识加深。总结一下，通过这次实习，了解了TMS320C5402的工作原理及其最小系统和基本外围电路，并巩固了各个芯片的功能及工作原理，提高了阅读电路原理图和根据电路图焊接电路板的能力，掌握了利用C语言编写DSP程序，锻炼了自己独立分析和解决问题的能力，在合作以及独立思考的过程中，提高了综合运用知识的能力。
-课程设计报告
指导教师意见
内容及要求独立完成全部工作量课程设计报告质量课程设计内容创新性出勤率综合得分教师评语：评定等级优良中及格不及格指导教师：年月日
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