CN104181418A - 一种基于dsp的电力器件噪声试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP的电力器件噪声试验装置，包括依次连接的PC机、DSP数据处理电路、FPGA可编程逻辑电路、信号输入输出电路、以及外部试验装置，所述信号输入输出电路包括信号输入电路和信号输出电路，所述信号输入电路包括顺序连接的模拟输入调理电路和模数转换电路，所述信号输出电路包括顺序连接的数模转换电路和模拟输出调理电路，另外，本发明还提供了一种基于DSP的电力器件噪声试验装置的试验方法。本发明提供的基于DSP的电力器件噪声试验装置及其试验方法具有测试过程中产品安全可靠性高、测试准确性高、处理实时性强的特点。

Description

一种基于DSP的电力器件噪声试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及电力器件噪声试验领域，更具体地说，是涉及一种基于DSP的电力器件噪声试验装置及其试验方法。

背景技术

随着电力的大力发展，电网中电力设备的种类和数量不断增加，电网中会产生大量的谐波，导致电能质量下降，危害电网及电网中的其它设备，另外，电力器件在谐波环境下会产生噪声，目前，一般采用谐波控制发生器来模拟电网中的谐波环境，测试电力器件在该环境下产生的噪声，再对噪声信号进行测量和分析，然而目前的谐波控制发生器功能较为简单，有的只能发生单次谐波，不能真实的模拟现场环境，并且多数谐波控制发生器没有进行反馈控制，无法在试验过程中进行大量的实时在线数据分析，噪声信号测量相对误差大，处理实时性不强，硬件控制能力薄弱，导致在测试过程中缺乏安全可靠性，环境适应性不强。

发明内容

本发明提供了一种基于DSP的电力器件噪声试验装置及其试验方法，解决了现有技术中噪声信号测量相对误差大，处理实时性不强，硬件控制能力薄弱，测试过程中缺乏安全可靠性的缺陷。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于DSP的电力器件噪声试验装置，包括依次连接的PC机、DSP数据处理电路、FPGA可编程逻辑电路、信号输入输出电路、以及外部试验装置，所述信号输入输出电路包括信号输入电路和信号输出电路，所述信号输入电路包括顺序连接的模拟输入调理电路和模数转换电路，所述信号输出电路包括顺序连接的数模转换电路和模拟输出调理电路。

进一步地，所述PC机与所述DSP数据处理电路之间连接有PC接口处理电路，所述PC接口处理电路分别与所述DSP数据处理电路的HPI接口和所述PC机的USB2.0接口连接。

进一步地，所述PC接口处理电路采用CY7C68013芯片。

进一步地，所述DSP数据处理电路采用TMS320C6713芯片。

进一步地，所述模数转换电路采用CS5361芯片。

进一步地，所述数模转换电路采用CS4398芯片。

一种基于DSP的电力器件噪声试验装置的试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

1)PC机通过人机交互界面发送出谐波控制指令；

2)DSP数字处理电路接收PC机发送出的谐波控制指令并作出响应，得到谐波发生控制数据；

3)FPGA可编程逻辑电路将DSP数字处理电路得到的谐波发生控制数据发送到外部试验装置进行控制，并采集外部试验装置的噪音信号；

4)DSP数字处理电路对FPGA采集到的噪音信号进行分析，将分析结果发送至PC机进行显示并根据分析结果对谐波控制指令进行修正。

进一步地，所述DSP数字处理电路的处理过程包括如下处理步骤：

a)从PC端得到各个分量的目标谱以及各个控制参数；

b)根据参数计算出所需要各个分量的驱动信号值；

c)将各正弦分量叠加，得到谐波信号并发送至FPGA可编程逻辑电路；

d)接收FPGA可编程逻辑电路采集到的时域数据；

e)经过FFT以及各种换算，得到各个分量的状态值；

f)将各种状态值以及时域信号发送至PC机，并将各个分量的状态值与目标谱进行对比后对谐波发生控制数据进行修正。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明采用基于DSP的架构，DSP作为数字信号处理器，拥有强大的计算能力，能够实时在线分析大量数据，利用DSP算法，进行扫频控制，能够同时产生多个分量，每次试验都能连续发生多次谐波，节省了大量试验时间，也能使试验环境更加贴近现场应用环境，使电力器件测试的准确性更高。

2、本发明能对采集回来的信号通过DSP进行分析、计算和监控，使得整个试验过程中形成一个闭环控制，有效地将谐波控制在一个可控范围内，防止电力器件在试验时损坏，提高了产品的安全可靠性。

3、本发明采用FPGA可编程逻辑器件进行通道参数控制，PC机进行人机界面操作，提供了一种有很强处理能力，精度高，实时性强，能实现反馈控制的高性能谐波控制器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体框图；

图2为本发明中PC接口处理电路的电路结构示意图；

图3为本发明中DSP数字处理电路的电路结构示意图；

图4为本发明中FPGA可编程逻辑电路的电路结构示意图；

图5为本发明中模数转换电路的电路结构示意图；

图6为本发明中模拟输入调理电路的电路结构示意图；

图7为本发明中数模转换电路的电路结构示意图；

图8为本发明中模拟输出调理电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-图8所示的一种基于DSP的电力器件噪声试验装置，包括依次连接的PC机、DSP数据处理电路、FPGA可编程逻辑电路、信号输入输出电路、以及外部试验装置，所述信号输入输出电路包括信号输入电路和信号输出电路，所述信号输入电路包括顺序连接的模拟输入调理电路和模数转换电路，所述信号输出电路包括顺序连接的数模转换电路和模拟输出调理电路。

本发明中，所述PC机与所述DSP数据处理电路之间连接有PC接口处理电路，所述PC接口处理电路分别与所述DSP数据处理电路的HPI接口和所述PC机的USB2.0接口连接。

本发明中，所述PC接口处理电路采用CY7C68013芯片。

本发明中，所述DSP数据处理电路采用TMS320C6713芯片。

本发明中，所述模数转换电路采用CS5361芯片。

本发明中，所述数模转换电路采用CS4398芯片。

另外，本发明提供了一种基于DSP的电力器件噪声试验装置的试验方法，所述试验方法包括以下步骤：

1)PC机通过人机交互界面发送出谐波控制指令；

2)DSP数字处理电路接收PC机发送出的谐波控制指令并作出响应，得到谐波发生控制数据；

3)FPGA可编程逻辑电路将DSP数字处理电路得到的谐波发生控制数据发送到外部试验装置进行控制，并采集外部试验装置的噪音信号；

4)DSP数字处理电路对FPGA采集到的噪音信号进行分析，将分析结果发送至PC机进行显示并根据分析结果对谐波控制指令进行修正。

其中，所述DSP数字处理电路的处理过程包括如下处理步骤：

a)从PC端得到各个分量的目标谱以及各个控制参数；

b)根据参数计算出所需要各个分量的驱动信号值；

c)将各正弦分量叠加，得到谐波信号并发送至FPGA可编程逻辑电路；

d)接收FPGA可编程逻辑电路采集到的时域数据；

e)经过FFT以及各种换算，得到各个分量的状态值；

f)将各种状态值以及时域信号发送至PC机，并将各个分量的状态值与目标谱进行对比后对谐波发生控制数据进行修正。

本发明中，数字信号处理器DSP从PC控制端得到各个分量的目标谱以及各个控制参数，DSP根据参数计算出所需要各个分量的驱动信号值，再将各正弦分量叠加，得到谐波信号；DSP再将谐波信号以及各通道参数发送给FPGA，FPGA一方面通过参数控制来配置各个输入输出通道参数(控制参数包括电压/电流选择、通道增益控制、AC/DC选择、差分/单端选择、采样控制等)，另一方面将谐波信号送给模拟信号处理中的DA采样芯片将数字信号转换成模拟信号。

另外，AD采样芯片将输入信号转换为数字信号送给FPGA，FPGA将信号送给DSP进行运算，DSP得到输入端采集的时域数据经过FFT及各种换算，得到各个分量的状态值，一方面将状态值进行时域、FFT、自谱、幅值谱、频响等分析，然后将分析结果送往PC机进行显示，另一方面将状态值与开始设置分量的目标幅值和频率进行比对，判断每个分量的幅值是否符合要求，然后对输出进行调整，实现闭环反馈控制。

本发明中，PC接口处理电路采用接口管理芯片CY7C68013，接口管理芯片主要实现将HPI数据总线协议框架下的数据信息与PC机的USB2.0进行通信，其中有源晶振给管理芯片提供时钟频率。

PC接口处理电路与DSP数据处理电路相连的信号线有：

HPI数据总线：HD[0：15]；

HPI控制线：HCNTL[0：1]、HCS、HDS1、HRDY、HR/W、HHWIL；

HPI中断线：HINT；

REST_DSP，提供DSP处理器复位。

本发明中，DSP数据处理电路包括32位浮点型DSP处理器芯片，有源晶振，SDRAM存储器，这部分电路实现DSP处理器进行数字信号处理的工作平台，其中有源晶振给DSP处理器芯片提供时钟频率，SDRAM存储器给DSP处理器芯片提供外部存储器资源。

DSP数据处理电路与PC接口处理电路相连的信号线有：

HPI数据总线：HD[0：15]；

HPI控制线：HCNTL[0：1]、HCS、HDS1、HRDY、HR/W、HHWIL；

HPI中断线：HINT；

DSPREST，提供DSP处理器复位。

DSP数据处理电路与FPGA可编程逻辑电路相连的信号线有：

外部总线地址线：1EA[21：0]，并行传输地址；

外部总线数据线：1ED[31：0]，并行传输数据；

外部总线控制线：1AWE、1AOE、1CE2、1ARE、1ECLKO、ADINT和1INT4，提供数据读写处理。

本发明中，FPGA可编程逻辑电路包括可编程逻辑芯片U700，有源晶振Z700、Z701，这部分电路主要实现外部噪声数据信息预处理，并通过外部总线与DSP数据处理电路进行通信；同时利用在线可编程，实现外围硬件和外部试验装置等试验设备的控制管理，其中，有源晶振提供时钟频率。

FPGA可编程逻辑电路与DSP数据处理电路相连的信号线有：

外部总线地址线：EA[21：0]，并行传输地址；

外部总线数据线：ED[31：0]，并行传输数据；

外部总线控制线：AWE、AOE、CE2、ARE、ECLKO、ADINT、DAINT和INT4，提供数据读写处理。

DSP初始化控制线：STOP、HD3、HD4、HD8，初始化DSP。

FPGA可编程逻辑电路与模数转换电路、数模转换电路、模拟信号输入调理电路、模拟信号输出调理电路相连接的数据信号线有：

控制线与数据线：PIOA[7：0]、PIOB[7：0]、PIOC[7：0]、PIOD[7：0]，AD/DA芯片采样控制，模拟信号输入输出通道参数设置。

本发明中，模数转换电路包括分辨率24bit、转换率最高达192KHz的模数转换芯片CS5361，这部分电路实现模拟信号的数字转换。

模数转换电路与FPGA可编程逻辑电路相连接的数据信号线有：

控制线：/ADRST、ADLRCK、ADSCLK、ADMCLK、ADDFS[1:0]；

数据线：AD1SDATA。

模数转换电路与模拟输入调理电路相连的信号线有：

模拟差分信号线：CH1IN+，CH1IN-、CH2IN+，CH2IN-，给模数转换芯片提供模拟输入。

本发明中，模拟输入调理电路主要实现对外部信号进行调理，其包括模拟差分输入信号调理电路、电压电流信号输入选择、电压跟随电路、信号增益放大控制、单端信号转差分信号电路和抗混叠滤波电路。

模拟输入调理电路与模数转换电路相连的信号线有：

模拟差分信号线：CH1IN+，CH1IN-，给模数转换芯片提供模拟输入。

本发明中，数模转换电路包括分辨率24bit、转换率最高达192KHz的数模转换芯片CS4398，这部分电路实现数字信号的模拟转换。

数模转换电路与FPGA可编程逻辑处理电路相连接的数据信号线有：

控制线：/DARST、DALRCK、DASCLK、DAMCLK、DAM2、DAM3、DAMUTEA、DAMUTEB；

数据线：DASDATA。

数模转换电路与模拟输出调理电路相连的信号线有：

模拟差分信号线：CH1OUTL+，CH1OUTL-、CH2OUTR+，CH2OUTR-，给模拟输出调理电路提供模拟输入。

本发明中，模拟输出调理电路主要实现对输出控制信号进行调理，其包括模拟差分输出信号调理电路、有源滤波电路、信号增益放大控制、差分信号转单端信号电路和直流补偿电路等。

模拟输出调理电路与数模转换电路相连的信号线有：

模拟差分信号线：CH1OUTL+，CH1OUTL-，给模数转换芯片提供模拟输入。

本发明采用人性化的人机交互界面，DSP数字信号处理芯片强大的计算分析能力，对信号进行在线分析，极大地提高了信息的精度和处理的实时性，通过DSP算法，运用扫频技术，能发生多次谐波，更加真实地模拟电网现场环境，同时节省大量试验测试时间，另外，采集回来的信号通过DSP进行分析，然后进行反馈控制，实现实时监控，提高仪器的安全性和可靠性。

本发明采用FPGA可编程逻辑控制模块，使得控制更加精确，处理更加高效。

本发明在共享总线资源的基础上，通过DSP外部总线对数字信号处理器DSP和FPGA可编程逻辑器件进行协调处理，可以使信息计算处理与硬件控制资源最优化，另外，采用高速精密的模数和数模转换芯片，转换数据更加精确。

本发明中，模拟信号输入输出调理电路具有低噪声、测试幅值范围宽、能测量电压信号和电流信号的特点。

本发明的实现过程如下：

通过PC机进行操作，发出谐波控制指令通过PC接口处理电路进入到谐波发生装置，然后通过DSP数据处理电路算法控制，将控制数据通过FPGA可编程逻辑电路送给数模转换电路，信号通过数模转换电路转换为模拟信号，再通过模拟输出调理电路将信号送出给外部试验装置进行控制；模拟输入调理电路将外部试验装置的信号进行采集、处理送给模数转换电路，模数转换电路将信号转化为数字信号再通过FPGA可编程逻辑电路送给DSP数据处理电路，DSP数据处理电路将采集回来的信号进行分析，分析结果送往PC机进行显示，另一方面，DSP数据处理电路通过分析的结果，能够重新对谐波控制指令进行修正，通过这个反馈控制，保证外部试验装置在一个安全可靠的参数下进行。

本发明结合了数字信号处理器DSP、可编程逻辑器件和高速精密模数转换芯片，并通过DSP算法，运用扫频技术，能发生多次谐波，能更加真实的模拟电网现场环境，同时节省大量试验测试时间，在可编程逻辑器件的硬件控制的基础上，通过模数转换芯片对外部信息进行即时准确的采集，经由可编程逻辑器件进行信号预处理，配合数字信号处理器DSP强大的数据实时处理能力，极大地提高了信息的精度和处理的实时性，同时对采集回来的信号通过DSP进行分析，然后进行反馈控制，实现实时监控，提高仪器的安全性和可靠性，在共享总线资源的基础上，通过DSP外部总线对数字处理器DSP和FPGA可编程逻辑器件进行协调处理，可以使信息计算处理与硬件控制资源最优化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于DSP的电力器件噪声试验装置，其特征在于，包括依次连接的PC机、DSP数据处理电路、FPGA可编程逻辑电路、信号输入输出电路、以及外部试验装置，所述信号输入输出电路包括信号输入电路和信号输出电路，所述信号输入电路包括顺序连接的模拟输入调理电路和模数转换电路，所述信号输出电路包括顺序连接的数模转换电路和模拟输出调理电路。

2.如权利要求1所述的基于DSP的电力器件噪声试验装置，其特征在于，所述PC机与所述DSP数据处理电路之间连接有PC接口处理电路，所述PC接口处理电路分别与所述DSP数据处理电路的HPI接口和所述PC机的USB2.0接口连接。

3.如权利要求2所述的基于DSP的电力器件噪声试验装置，其特征在于，所述PC接口处理电路采用CY7C68013芯片。

4.如权利要求1所述的基于DSP的电力器件噪声试验装置，其特征在于，所述DSP数据处理电路采用TMS320C6713芯片。

5.如权利要求1所述的基于DSP的电力器件噪声试验装置，其特征在于，所述模数转换电路采用CS5361芯片。

6.如权利要求1所述的基于DSP的电力器件噪声试验装置，其特征在于，所述数模转换电路采用CS4398芯片。

7.一种权利要求1所述的基于DSP的电力器件噪声试验装置的试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：

1)PC机通过人机交互界面发送出谐波控制指令；

2)DSP数字处理电路接收PC机发送出的谐波控制指令并作出响应，得到谐波发生控制数据；

3)FPGA可编程逻辑电路将DSP数字处理电路得到的谐波发生控制数据发送到外部试验装置进行控制，并采集外部试验装置的噪音信号；

4)DSP数字处理电路对FPGA采集到的噪音信号进行分析，将分析结果发送至PC机进行显示并根据分析结果对谐波控制指令进行修正。

8.如权利要求7所述的基于DSP的电力器件噪声试验装置的试验方法，其特征在于，所述DSP数字处理电路的处理过程包括如下处理步骤：

a)从PC端得到各个分量的目标谱以及各个控制参数；

b)根据参数计算出所需要各个分量的驱动信号值；

c)将各正弦分量叠加，得到谐波信号并发送至FPGA可编程逻辑电路；

d)接收FPGA可编程逻辑电路采集到的时域数据；

e)经过FFT以及各种换算，得到各个分量的状态值；

f)将各种状态值以及时域信号发送至PC机，并将各个分量的状态值与目标谱进行对比后对谐波发生控制数据进行修正。