CN107607901A - 一种基于dsp的频谱仿真电路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及测量技术领域，公开了一种基于DSP的频谱仿真电路系统，包括电流/电压互感器，用于采集电流/电压信号并输入所述电路系统；高精度AD采样转换器，与所述电流/电压互感器相连，用于对采集的电流/电压信号进行AD采样转换；运算放大器，与所述高精度AD采样转换器相连，用于对经AD采样转换后的信号进行放大；DSP模块，与所述运算放大器相连，用于对输入的信号进行运算处理，并输出处理后的数据。本发明还公开了一种基于DSP的数据处理方法。本发明通过基于DSP的仿真电路系统对测量信号进行处理，实现了测量过程智能化，提高了工作效率，实现了更高的测量精准度。
Description
技术领域
本发明涉及测试技术领域，尤其涉及一种基于DSP的频谱仿真电路系统。
背景技术
近年来，随着电网的快速发展，GIS(高压全封闭组合电器)因其安全稳定、集成度高、占地面积小等优点，被越来越广泛地应用到电网及电厂的变电站建设中。由于GIS内电压互感器是电能计量重要的组成部分，其准确性对于发供电企业的贸易结算起到重要作用，因此需进行定期误差校验。
目前，对于GIS内电磁式电压互感器的检测技术主要为传统测试法和低压外推法。用传统的方法进行测量，不仅所需标准电压互感器、升压器、负荷箱等体积大、重量笨重的设备，导致运输、操作等非常复杂、困难，检定工作难以展开，并且实验时会产生大电压，对人员及设备有一定的安全隐患。而采用低压外推法测试电压互感器时，其现场抗干扰能力不高，导致测试结果不准确、不稳定。
互感器误差测量仪就是一种对互感器进行现场或者实验室校验的主要测量仪器。传统的手动互感器测量仪测量过程繁琐，接线复杂，耗时长，测量准确度不高并存在不可避免的误差，使得应用人员对于校验仪的性能提出了更高的要求。
基于以上所述，本发明提出了一种基于DSP的频谱仿真电路系统，能够完成对待测信号的采样与存储，并对采样数据进行处理并输出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供了一种基于DSP的频谱仿真电路系统，可实现互感器误差测量的智能化，提高了工作效率以及测量的精准度。
一种基于DSP的频谱仿真电路系统的具体技术方案如下：
电流/电压互感器，用于采集电流/电压信号并输入所述电路系统；
高精度AD采样转换器，与所述电流/电压互感器相连，用于对采集的电流/电压信号进行AD采样转换；
运算放大器，与所述高精度AD采样转换器相连，用于对经AD采样转换后的信号进行放大；
DSP模块，包括采样保持器、AD转换器、触发定时器和频谱仿真模块，所述DSP模块与所述运算放大器相连，用于对输入的信号进行运算处理，并输出处理后的数据。
优选地，所述频谱仿真模块为FFT运算模块。
进一步地，所述DSP模块还包括DMA控制器，用于将经过所述DSP模块内的AD转换器转换后的数字量放入内存。
进一步地，所述DSP模块还包括多路选择开关，能够同时处理多路信号。
进一步地，所述电路系统还包括电源模块，用于为所述电路系统中的各个模块供电。
优选地，所述DSP模块还包括保护模块。
进一步地，所述触发定时器设置的采样周期为1.25Ms。
优选地，所述DSP模块采用的信号处理器型号为TMS320F2810。
相应地，本发明还提供了一种基于DSP的数据处理方法，包括以下步骤：
S1.采集输入ADC数据到内部的RAM；
S2.对数据信号滤波、放大；
S3.对数据进行D倍抽取；
S4.对抽取后的数据长度进行判断，若长度不为M，则执行S5；若长度为M，则执行S6；
S5.对抽取后的数据进行加窗处理；
S6.对数据进行FFT运算；
S7.对结果取模输出。
进一步地，所述S2中对数据信号滤波用于消除信号中的谐波，保留有效的基波成分。
进一步地，所述长度M为根据系统需要确定的进行FFT运算的点数。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
(1)本发明能够完成对待测信号的采样与存储，并对采样数据进行处理并输出，实现了互感器误差测量的智能化和精准化，提高了工作效率。
(2)本发明结合FFT算法，不依赖于外部存储器的大小，可处理高样本数，同时处理速度快、范围大、精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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附图。
图1是本发明实施例提供的硬件电路设计图；
图2是本发明实施例提供的DFT蝶形运算流图；
图3是本发明实施例提供的软件设计流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示的一种基于DSP的频谱仿真电路系统的硬件电路设计图，包括电流/电压互感器，用于采集电流/电压信号并输入所述电路系统；高精度AD采样转换器，与所述电流/电压互感器相连，用于对采集的电流/电压信号进行AD采样转换；运算放大器，与所述高精度AD采样转换器相连，用于对经AD采样转换后的信号进行放大；DSP模块，包括采样保持器、AD转换器、触发定时器和频谱仿真模块，所述DSP模块与所述运算放大器相连，用于对输入的信号进行运算处理，并输出处理后的数据。
系统采用TMS320F2810作为主计算芯片，该芯片是32位数字信号处理器，处理性能可达150MIPS，每条指令周期6.67ns。同时采用AD芯片进行采样，该芯片拥有90dB信纳比，10KHz时的总谐波失真为96dB，以及16位直流精度。
系统采集电压/电流信号并对其进行高精度采样转换，经过运算放大器将信号放大后，进入DSP模块内进行处理。DSP模块内置采样保持器和多路选择开关，可以同时处理多路信号。AD转换完成后，通过控制器DMA通道直接将转换完成后的数字量放入内存，等待频谱仿真模块处理。定时器设置采样频率，系统采用了每个电力周波(20Ms)采样16个点，即1.25Ms为一个采样周期。整个过程都是哥哥功能模块自行处理，无需CPU进行干预，不但节约了CPU的资源，而且提高了系统运行的可靠性。
本系统还包括电源模块，用于对系统各个单元进行供电，同时，所述DSP模块还包括保护模块，当有异常情况时，保护模块自动启动，保护系统不受损坏。
本测试系统结合快速傅里叶变换，即FFT(Fast Fourier Transformation)算法，傅里叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是信号处理领域的重要分析工具。离散傅里叶变换(DFT，Discrete Fourier Transform)是傅里叶变换在时域和频域上都呈现离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶频域的采样。在形式上，变换两端(时域和频域)的序列是有限长的，而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。然而由于传统的DFT算法在进行计算时，运算量很大，尤其当运算点数N很多时，这对实时性很强的信号处理来说，对计算速度的要求很高，而FFT算法是快速计算DFT的一种有效的方法。
FFT算法可分为两类，时间抽取法和频域抽取法，本发明中采用的是时间抽取法的基-2FFT算法，FFT算法是在DFT算法的基础上利用旋转因子的周期性、对称性和可约性进行运算简化得出来的。假设采样序列点数为N＝2L，L为整数，首先将x(n)按奇偶分组，公式如下：
其中，r＝0，1...N/2-1；
于是根据DFT计算公式有：
将一个N点的DFT转化为式(2)的形式，此时k的取值为0到N-1，当k为0到N/2-1时，因x1(r)，x2(r)为N/2点的序列，因此，式(2)可以写为：
当k取值为N/2到N-1时，k用k′+N/2取代，k取值为0到N/2-1。对式(2)化简可得：
其中，k′＝1...N/2-1。
综合以上推导可知：一个N点的DFT变换过程可以用两个N/2点的DFT变换过程来表示，具体公式如下：
由式(4)可以说明：只要计算出N/2个点的所有X1(k)和X2(k)的值，就等于求出N点的X(k)的值，减少了DFT的运算量。其计算过程可以用图2中的蝶形流图直观地表示出来。
由运算流程图可知，某一列任意两节点的变量在进行蝶形运算之后得到的下一级的节点变量，所以在进行数据存储时，蝶形运算的两个输出值仍存储在蝶形运算两个输入值所在的寄存器中，减少了存储数据所需的存储单元。FFT算法的输出是按照正常顺序排列在存储单元中，而此时的输入并不是按自然顺序排列，而是需要以倒序存储，所以在开发程序时，可利用DSP控制器特有的反序间接寻址特性。该算法具有不依赖外部存储器的大小，可处理高样本数的优点，同时具有处理速度快、范围大、精度高的特点。
图3是本发明的一种基于DSP的数据处理方法，包括：
S301.采集输入ADC数据到内部的RAM；
S302.对数据信号滤波、放大；
具体地，对数据信号滤波是为了消除信号中的谐波，保留有效的基波成分，消除谐波对设备的干扰，以便于对数据进行处理。对数据信号进行放大是为了使输入信号的幅值符合对输入信号的要求。
S303.对数据进行D倍抽取；
具体地，对于数据x(n)对其进行D倍抽取(其中D为整数)，即从x(n)中每D个抽取一个数据，如：
x(n)＝{1，2，3，4，5，6，7，8...}，则有x(2n)＝{1，3，5，7...}。
S304.对抽取后的数据长度进行判断，若长度不为M，则执行S305；若长度为M，则执行S306；
具体地，所述长度M为根据系统需要确定的进行FFT运算的点数。
S305.对抽取后的数据进行加窗处理；
S306.对数据进行FFT运算；
S307.对结果取模输出。
将待测互感器二次侧采集到的信号与相同励磁条件下的标准互感器二次侧采集到的信号的幅值以及相位大小进行比较，可以得到互感器的比差和相角误差，以此测出互感器的误差。
本发明是基于DSP开发的，也可使用FPGA进行相关的软硬件开发。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种基于DSP的频谱仿真电路系统，其特征在于，包括：
电流/电压互感器，用于采集电流/电压信号并输入所述电路系统；
高精度AD采样转换器，与所述电流/电压互感器相连，用于对采集的电流/电压信号进行AD采样转换；
运算放大器，与所述高精度AD采样转换器相连，用于对经AD采样转换后的信号进行放大；
DSP模块，包括采样保持器、AD转换器、触发定时器和频谱仿真模块，所述DSP模块与所述运算放大器相连，用于对输入的信号进行运算处理，并输出处理后的数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的频谱仿真电路系统，其特征在于，所述频谱仿真模块为FFT运算模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的频谱仿真电路系统，其特征在于，所述DSP模块还包括DMA控制器，用于将经过所述DSP模块内的AD转换器转换后的数字量放入内存。
4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的频谱仿真电路系统，其特征在于，所述DSP模块还包括多路选择开关，能够同时处理多路信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于DSP的频谱仿真电路系统，其特征在于，所述电路系统还包括电源模块，用于为所述电路系统中的各个模块供电。
6.根据权利要求1所述的一种基于DSP的频谱仿真电路系统，其特征在于，所述DSP模块还包括保护模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于DSP的频谱仿真电路系统，其特征在于，所述触发定时器设置的采样周期为1.25Ms。
8.根据权利要求1所述的一种基于DSP的频谱仿真电路系统，其特征在于，所述DSP模块采用的信号处理器型号为TMS320F2810。
9.一种基于DSP的数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采集输入ADC数据到内部的RAM；
S2.对数据信号滤波、放大；
S3.对数据进行D倍抽取；
S4.对抽取后的数据长度进行判断，若长度不为M，则执行S5；若长度为M，则执行S6；
S5.对抽取后的数据进行加窗处理；
S6.对数据进行FFT运算；
S7.对结果取模输出。
10.根据权利要求9所述的一种基于DSP的数据处理方法，其特征在于，所述S2中对数据信号滤波用于消除信号中的谐波，保留有效的基波成分；所述长度M为根据系统需要所确定的进行FFT运算的点数。
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