基于cc2530的电参数测量系统设计(编辑修改稿)

基于cc2530的电参数测量系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

ctg 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： 0202kkkkIUIU 电网中的有功功率一般指的是平均功率，可定义为：  T dttituTp 0 )()(1 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： 0k0WPkk kQp 达式同理可得无功功率的表 为了计算方便，功率因数采用下式求得： 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 8 QPpsp22c o s  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 : 数据点数相应过零点数内的 过零点数采样频率被测信号频率 AD2   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)解析法 :通过对信号观测模型进行数学变换 ,将待测量 f 或Δ f 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。 额定电压 额定电压实际电压电压偏差 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 :  UNUUU 21 100％ 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 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 9 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。 数字信号处理技术 DSP 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 (ATamp。 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。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 10 DSP 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 24 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 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 11 性能的 DSP 指令周期可以达到 5ns。 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 HomeRF Lite 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 65 000 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 75 m，到扩展后的几百米，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，与多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点 (RFD)无线连接。 每个 Zi}Bee 网络节点 (FFD 和 RFD)可支持多达 31个 的传感器和受控设备，并且每一个 传感器和受控设备还可以有 8 种不同的接日方式。 另外， ZigBee 可以采集和传输数字量和模拟量。 ZigBee 有如下方面的特点： 可靠 :采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。 节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个 ZigBee 网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。 时延短 :针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。 通常时延都在 15^30 ms 之间。 网络容量大 :可支持高 达 65 000 个节点。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 12 安全 :ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的 AES 一1280。 高保密性 :采用 64 位出厂编号，并支持 AES 一 128加密。 数据传输速率低 :只有 10^250 KB/s,专注于低传输应用。 功耗低 :在低功耗待机模式下，两节普通 5 号干电池可使用 6 个月到 2 年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。 这也是 ZigBee 的支持者一直引以为自豪的独特优势。 成本低 :因为 ZigBee 数据传输速率低，协议简单，且 ZigBee 协议免收专利费，所以大大降低了成本。 优良的网络拓扑能力 :ZigBee 设备具有无线网络自愈能力， ZigBee 具有星、树和网状网络结构的能力，因此通过 ZigBee 无线网络拓扑能简单地覆盖广阔范围。 有效范围大 :有效覆盖范围为 10^75 m(通过功放可在低功耗条件实现 1 000 m 以上的通信距离 )，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公室环境。 工作频段灵活 :使用的频段分别为 2. 4 CGHz(全球 ),868 MHz(欧洲 )及 915 MHz(美国），均为免执照频段。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 13 第三章 系统的硬件 设计 系统硬件总体方案 系统采用 TMS320F28335 DSP 为控制处理核心，霍尔电流、电压传感器对电力系统进行实时采集 ,将采集到的信号通过以 AD7656 为核心的数模转换模块进行处理然后传送的 DSP 中，利用采集的电流、电压瞬时值通过数据处理计算出电能相关参数。 为了使系统具有无线通信功能 ,在设计中采用 CC2530 芯片 ,可以及时把现场采集的电能相关参数通过 ZIGBEE 协议以无线通信的形式传送到上位机从而实现对电能实时监控和管理。 系统的总体框图如图。 电 压 传 感 器电 流 传 感 器调 理 电 路调 理 电 路A D 7 6 5 6T M S 3 2 0 F 28 3 3 5 D S P液 晶 显示C C 2 5 3 0键 盘 控制上 位 机 图 系统整体框图 信号调理电路设计 交流电压变送器以 0～ 5 V的交流电压作为输出信号。 因 AD7656的外部基准输入信号范围为 0～ 3 V．因此必须添加合适的调理电路以满足 A/D输入的要求。 交流电压调理电路见图 ，由图可知该电路由 3。