基于DSP+ARM的便攜式電能質量分析儀設計

摘要：介紹了基于高性能DSP芯片ADSP21161和S3C2410 ARM芯片實現的電能質量分析儀的設計方法。以DSP芯片為核心實現數據采集及處理，以S3C2410芯片為核心實現數據管理、人機界面及系統控制，同時采用WinCE嵌入式操作系統作為系統軟件平臺。該方案提高了系統的智能化及可靠性，降低了系統功耗并有利于系統擴展。測試結果表明該分析儀的各項指標均滿足IEC電能質量測試標準。
關鍵詞：電能質量；DSP+ARM；WinCE：小波變換

0 引言
隨著國家工業規模的擴大和科學技術的發展，電網負荷結構發生了很大的變化，一方面，非線性、沖擊性和不平衡負荷的大量增長使得電能質量惡化；另一方面，隨著信息技術的發展。越來越多的敏感負載對電能質量的要求也越來越高。這就要求電能質量檢測分析設備具有實時檢測、快速分析、實時顯示的能力。采用高性能數字信號處理器(DSP)和嵌入式計算機系統(ARM)雙處理器架構設計電能質量分析儀能滿足上述要求。DSP系統實現電壓、電流信號的實時采集處理，通過加窗傅里葉變換和小波算法得到電能質量參數；ARM嵌入式平臺運行WinCE操作系統完成人機交互、數據存儲、實時顯示等功能。該系統為儀器的可擴展性和智能化建立了良好的軟硬件平臺。

1 硬件系統設計
便攜電能質量分析儀硬件系統設計應以功能實現和便攜式設計為基礎，并兼顧系統的可擴展性。
1．1 硬件系統總體設計
該硬件系統包括信號調理、數據采集與處理、ARM嵌入式平臺、協控制器和電源系統5個模塊，系統框架如圖1所示。電網電壓電流信號經調理電路預處理；采用高速ADC數字化后由DSP處理器系統實現緩存及快速、準確的分析計算；采集到的波形數據和分析計算結果通過FIFO傳遞到ARM嵌入式平臺；采用LCD實現波形和分析結果顯示；采用SD卡或USB存儲設備來存儲大量的數據以便回放或進一步深入分析；利用鍵盤或觸摸屏實現人機交互功能；設置RS 232、USB和網絡接口，便于實現電能質量分析儀的系統化和網絡化擴展。

系統中采用CPLD芯片設計了協控制器。它的作用主要是產生A／D轉換器所需要的采樣時鐘、完成采樣通道的時序控制、綜合FIFO讀時鐘邏輯、網卡地址控制邏輯和DSP啟動模式的設置。系統硬件電路配有多種電源，通過對系統各模塊電源進行控制，以及使DSP按測量需求工作在節電模式等措施實現了系統低功耗設計。系統采用電池供電，滿足便攜式儀器要求。