一种电力谐波检测LMS算法仿真及其实现(四)

毕业论文

1  谐波检测系统的硬件设计与实现
1.1  谐波检测系统总体设计方案

在论文设计的谐波检测系统中,使用LCTV31CE电压传感器作为谐波检测系统的数据采集模块,使用S3C2440 ARM9芯片作为谐波检测系统的核心谐波信号数据处理模块,使用DM9000网卡作为谐波检测系统的数据通信模块。其中,谐波检测系统的数据采集模块是由对高频噪声信号进行滤波的滤波电路和对LCTV31CE电压传感器所采集的电压信号进行处理的降压和运放电路组成;谐波检测系统的谐波信号数据处理模块是由存储系统检测算法等源代码的存储电路和使S3C2440可以正常启动的包括复位、震荡和电源组成的最小系统电路组成;谐波检测系统的数据通信模块是由进行源代码烧写以及实时调试仿真所使用的JTAG电路和通过使用DM9000网卡可进行以太网通信的以太网通信电路组成。系统详细总体设计见图4-1所示:

1.1  数据采集模块设计方案

谐波检测系统是否可以达到预期效果,数据采集模块的实时性、准确性和抗扰性扮演着至关重要的角色。为了使所采集到的数据信号与实际情况的相差无几,且使从公网系统中所采集的数据信号可以满足S3C2440芯片的适用范围,现需通过数据处理电路对采集到数据的准确性和抗扰性进行保障,通过加法电路对采集信号的电压值进行调整以保证S3C2440可以进行AD转换,通过同步采样电路对采集到数据的实时性进行保障。
在通常对公用电网系统中的数据进行采集时,都会由于始终无法达到最大采样频率,使对公网系统的采样数据信号当中依然会有干扰信号。为解决这一问题通过使用抗干扰的二阶低通滤波电路对采集数据进行滤波处理。
由于公用电网频率一般为50Hz,且该谐波检测系统通常情况下需要检测到的谐波数是2-20次,现需要的系统设计截止频率,为如下数学公式:
根据公式(4-1)计算出的截止频率,设计出二阶低通滤波器的电阻和电容值,其中电容取值1000PF和电阻取值79KΩ,二阶低通滤波器的具体原理图如图4-2所示:
图4-2 滤波器原理图
为减少系统设计成本并减少芯片之间硬件匹配风险,没有使用额外单独的AD转换芯片,而是使用S3C2440 IC芯片中自带的AD转换模块进行。其中S3C2440 I/O口能允许的输入电压范围是0~3.3V, 故现在为使输入数据电压满足I/O承受范围,需增加偏移电路对输入输入数据进行相应处理。数据处理原理图如图4-3所示:
图4-3 三级信号放大电路
本次数据处理电路使用三级运放电路进行,在一级运放电路中设置输入端电阻值相同,则可使运放电路最终放大的倍数由运放输出端电阻R1和Rf1决定,具体数学公式如下所示
二级运放电路中,运放正级接地且接入较多电阻,则可使运放电路实现反向缩小的功能,具体数据公式如下所示:
三级运放电路中,运放正级接地且输入端和输出端均只接一个电阻,则该运放电路为反相电路配合二级运放电路的反相电路使电压级性反转回正,具体数据公式如下所示:
通过公式(4-2)~(4-4)可以看出,只需要对电阻Rf1 、Rf2 、Rf3进行相应调整,就可以使进入S3C2440中AD转换模块的电压满足0~3.3V范围。
由于公用电网系统中有较多的用电设备,会导致电网频率不能一直维持在50Hz,致使产生出栅栏效应让检测效果的准确性大大较低。为避免上述情况发生只能通过硬件电路保证频率同步。
本次设计方案中,通过使用运算放大器、锁相环IC和计数器IC设计出一个始终可以保持128倍频的锁相环电路,保证了采样的数据的实时性和准确性。详细的锁相环原理图如图4-4所示:
图4-4 锁相环原理图

1.2  谐波信号处理模块设计方案

天祥公司开发的TX2440-A开发板使用S3C2440作为核心处理器,满足本次谐波检测系统对硬件提出的所有需求。故本次谐波检测系统的硬件验证工作将基于该开发板进行。该开发板上拥有各种外设和许多丰富的通信接口,而本次谐波检测系统所需要用到的硬件包括与存储相关的SDRAM、Nor Flash和NAND Flash;与通信相关的USB Device通信接口、JTAG通信接口、DM9000网卡以太网通信电路;与数据算法处理相关的S3C2440核心处理器等。TX2440-A开发板实物图如图4-5所示:
图4-5 TX2440A开发板框图

1.2.1  网络通信理模块设计方案

DM9000网卡应用电路设计中,主要包括以下几个部分:DM9000网卡正常运行时需要两路3.3V的电源电路,这样是为保证数字3.3V电路与模拟3.3V电路不会相互干扰。DM9000网卡需要正常与目标机进行连接时使用的以太网插口,该电路中除了数据传输和接收口TX0+/-和RX0+/-以外,还包括通信指示灯接口SPEED和LINK。DM9000网卡与核心处理芯片S3C2440数据传输电路DATA0~DATA15的16位数据信号。DM9000网路芯片详细原理图如图4-6所示:
图4-6 DM9000网络通信接口原理图

1.2.2  JTAG接口通信理模块设计方案

TX2440-A开发板上的自带的JTAG插接处,可以使S3C2440 IC直接与JTAG仿真器连接。连接仿真器后,就可以通过其进行编写测试程序时的Debug和程序的烧写工作了。JTAG使用的是4线通信方式,其分别表达的意义为:对JTAG的工作模式进行定义的线路TMS、对JTAG工作时钟进行定义的线路TCK、通过JTAG进行数据输入的线路TDI和通过JTAG进行数据输出的线路TDO。其JTAG接口通信原理图如图4-7所示
图4-7 JTAG接口通信原理图

1.2.3  串口通信理模块设计方案

在进行操作系统移植时,通常需要通过使用串口与PC主机进行通信,以便于操作系统移植的顺利进行。但由于S3C2440芯片对于高低电平的规定与RS232标准不一致,导致若需要实现S3C2440芯片的RS232串口通信则必须进行电平的高低转换才可以,故现在使用最常用的MAX3232完成电平转换的功能。其串口通信原理图如图4-8所示:
图4-8 串口通信原理图

1.3  小结

本章首先对硬件系统进行总体设计,将其大致分为数据采集模块,数据处理模块和数据通信模块。其中数据采集模块由低通滤波电路、运算放大电路和锁相环电路组成,对所采集的数据进行相应处理,使其拥有准确性和实时性。数据处理模块主要是由实现S3C2440核心处理器的最小系统组成,其作用是对前端所采集的实时信号进行算法处理使得到需要的谐波数据。数据通信模块主要是DM9000网络通信电路,其需要将核心处理器经过算法处理完后的所需数据,通过以太网传送到远程监控端已达到远端数据共享和监控的目的。

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作者: wxs

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