DSP在电能表中的应用

实时数字信号处理、超大规模集成电路技术的飞速发展，不断地推动着数字信号处理器性能的提高，使其在信号处理、军事及民用电子技术领域发挥着越来越重要的 作用，其应用广度和深度也在不断地扩展和深化。数字信号处理相对于模拟信号处理有很大的优越性，主要表现在精度高、灵活性强、可靠性好、易于大规模集成及 存储等方面，而且可以采用多种性能优良的数字信号处理方法和算法。实时数字信号处理技术的核心和标志是数字信号处理器。快速傅里叶变换等实用算法的提出， 促进了实现数字信号处理的发展。数字信号处理在于运算处理的实时性。 

       电能表作为电能的计量工具，多年来一直倍受国家电力部门的重视，电能表生产企业更是不遗余力地致力于设计与开发，但目前我国电能表设计水平仍比较落后，高 精度电能表主要依靠进口,传统的4位、8位单片机因为自身性能的局限，在高精度电能计量方面难免捉襟见肘，而DSP技术在电能表中的应用为电能计量精度的 大幅度提高带来了新的希望。

       DSP在电能表中的应用

       根据电能表的功能和误差精度的需求，我们选用了TI公司的TMS320VC5402芯片，在程序设计上除了完成快速数据处理工作以外，还针对系统非线性失真进行了修正和补偿。

       采集数据处理与计算

       在实际应用中，电力信号通过互感器采集到电能表中，通过一个6通道16位模拟输入前端处理器（AD73360）进行（A/D）模数转换，变成数字信号并传 输到DSP中，然后对采样的数据进行数字滤波。在DSP中应用采样技术需要快速ADC，即以非常快的速度来采样模拟信号，并且需要快速DSP来执行数字低 通滤波和抽取。在数字信号处理中，滤波占极其重要的作用，它解决了模拟滤波器无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题，从而改善了数字信号的跳动，使得 电压电流信号的波形趋于理想状态。电能表原理框图示于图1。

图 1   电能表的原理框图

       在采样过程中，首要的问题是采样频率的选择，Nyquist采样定理指出：若连续信号x（t）是有限带宽的，其频谱的最高频率为fc，对x（t）采样时， 若保证采样频率fs≥2fc，那么，就可由采样信号恢复出x（t）。在实际对x（t）作采样时，首先要了解x（t）的最高截止频率fc，以确定应选取的采 样频率fs。若x（t）不是有限带宽的，在采样前应使用抗混叠（anti－aliasing）滤波器对x（t）作模拟滤波，以去掉f＞fc的高频成分。因 此，在A/D转换前就需要模拟低通滤波器具有尖锐的滚降特性，来模拟信号的频谱。一个理想的滤波器应能让所有低于fs／2的频率通过，而完全阻隔掉所 有大于fs／2的频率。通常，滤波器和采样频率的选择是将我们感兴趣的频带在DC和fs／2之间。

       首先对电压电流输入信号进行数据采样和RC滤波网络滤波，然后进行A/D转换。A/D转换完成后产生中断，在中断服务子程序中读出每次转换的结果，作为数 字低通滤波的输入。DSP的输入是A/D转换后得到的数字信号，DSP对输入的数字信号进行处理，并经过一定的计算和转换得到相应的能量。在DSP处理器 中是按以下式进行运算的：

       * 电压测量(有效值)计算式：

       式中：U－电压有效值，n－每周期采样点数，－电压采样值。

       * 电流测量(有效值)计算式

       式中：I－电流有效值，n－每周期采样点数，－电流采样值。

       * 单元件有功功率计算式

       式中： P－单元件有功功率，n－每周期采样点数，－元件上电压采样值，－元件上电流采样值。

       * 单元件无功功率计算式

       式中：Q－单元件无功功率，n－每周期采样点数，－元件上电压采样值，－元件上电流采样值(移相后)。

       * 三相四线三元件有功功率计算式：

       式中：－三相有功功率，－(i=A,B,C)各相有功功率。

       *三相四线三元件有功功率计算式：

       式中：－三相无功功率，－(i=A,B,C)各相无功功率。

       数字滤波的设计

       数字滤波器运算结构的不同，将会影响系统运算的精度、误差、速度和经济性等性能指标。在一般情况下，都要求使用尽可能少的常数乘法器和延迟器来实现系统， 并要求运算误差尽可能小。我们主要采用FIR结构的滑动平均滤波器（MovingAverage Filter)。

     在数字信号处理应用中往往需要设计线性相位的滤波器，FIR滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时，很容易做到严格的线性相位特性。为了使滤波器满足线 性相位条件，要求其单位脉冲响应h(n)为实序列，且满足偶对称和奇对称条件，即h(n)=h(N-1-n)和h(n)=-h(N-1-n)。

       由此可见，FIR滤波器不断地对输入样本x(n)延时后，再作乘法累加算法，将滤波结果y(n)输出，因此，FIR实际上是一种乘法累加运算器。在数字滤 波器中，FIR滤波器的最主要特点是没有反馈回路，故不存在不稳定的问题；同时，可以在幅度特性随意设置的同时，保证精确、严格的线性相位。稳定和线性相 位特性是FIR滤波器的突出优点。下面是FIR滤波器设计的子程序:

.TEXT

   BEGIN     LDP  80H,DP

      LDI  @STACK_ADDR,SP

      LDI  21,BK

      LDI  19,RC

      LDI  @XN_ADDR,AR1

      LDI  @XNNEW_ADDR,AR2

      LDI  @OUTNEW_ADDR,AR3

   LOOP      LDF  *AR2,R6

      STF  R6,*AR1++(1)%

      LDI  @HN_ADDR,AR0

      CALL  FIR

      STF  RO,*AR3

      BR      LOOP

       数据处理方式

       数据处理主要是对采集的离散化信号进行运算处理，利用快速傅里叶算法对电信号进行分析（参图 2所示）。

图2  数据处理

       在DSP中最常用的方法是频域分析法。对于一些序列长度小的，通常采用离散傅里叶变换(DFT的精确定义为:X(m)=)，而序列长度大的，通常采用快速 傅里叶变换(FFT)。FFT的运算速度要比DFT的运算速度快得多，但DFT的灵活性比较强。如果需要求出少量的频域值，DFT方法可以比FFT运算量 小，数据序列长度可以是任意的，并且N个输出值的计算是相互的。由于DFT的输出是复数，所以实部和虚部包含在两个N长度的数组中，对于输出的结果可 以通过计算机软件(MATLAB)进行仿真。计算和绘制DFT的输出结果，通过FFT在DSP中的应用，计算出N次谐波分量，从而提高了电能表上的各种技 术参数。