一種基于dsp的智能節(jié)能診斷裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置，包括同步采樣信號模塊以及依次連接的信號傳感模塊、信號調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、DSP及其外圍電路和CPLD及其外圍模塊；數(shù)據(jù)傳感模塊還通過同步采樣信號模塊與A/D采樣模塊連接；信號傳感模塊與專線用戶待測線路連接；同步采樣信號模塊包括依次連接的過零比較電路和鎖相環(huán)同步倍頻電路；A/D采樣模塊采用MAX1324芯片；鎖相環(huán)同步倍頻電路連接MAX1324芯片。本實用新型檢測的電力參數(shù)，可用于耗能用戶的節(jié)能潛力分析，達到最大潛力的節(jié)能。該裝置具有操作簡單、可便攜、成本低、智能化強、測量精度高、抗干擾能力強、可靠性高等優(yōu)點。
【專利說明】一種基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種節(jié)能診斷設備，特別是涉及一種基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置。
【背景技術】
[0002]我國進入二十一世紀以來迎來了一個建設發(fā)展的高速發(fā)展期，2010年我國⑶P超過日本成為全球第二大經(jīng)濟體，2011年我國可能將超過美國成為全球第一的能源消耗大國，但我國單位GDP能耗卻仍是世界平均水平的三倍左右，在國際上處于很落后的位置。自20世紀70年代發(fā)生全球性的能源危機后，世界各國政府開始認識到能源的重要性，很多國家建立了自己的節(jié)能政策和審計計劃。它是一種專業(yè)性審計活動，是審計單位依據(jù)國家有關的節(jié)能法規(guī)和標準，對企業(yè)和其他用能單位能源利用的物理過程和財務過程進行檢驗、核查和分析評價。
[0003]節(jié)能診斷作為能源審計中針對企業(yè)用電情況和節(jié)電潛力發(fā)掘的初步診斷，可以更好的判斷企業(yè)生產(chǎn)電耗，對企業(yè)節(jié)電潛力挖掘，科學合理用電，注重用電質(zhì)量與用電安全等目標，具有重大的意義。
[0004]用戶端內(nèi)部的配電系統(tǒng)普遍缺乏在線監(jiān)測系統(tǒng)，即便有在線監(jiān)測系統(tǒng)，但在電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、存儲和分析方面技術存在著不足，故我們特研制了基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置。該裝置“即插即用”、可至少存儲一周數(shù)據(jù)，在用戶不停電的條件下，對各類大用戶的用電情況和電能質(zhì)量可實施有效地在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)記錄。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型提供一種采樣同步性好，測量精度高，轉(zhuǎn)換速度速率高，轉(zhuǎn)換時間少的基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置。
[0006]一種基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置，包括同步采樣信號模塊以及依次連接的信號傳感模塊、信號調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、DSP及其外圍電路和CPLD及其外圍模塊；數(shù)據(jù)傳感模塊還通過同步采樣信號模塊與A/D采樣模塊連接；信號傳感模塊與專線用戶待測線路連接；
[0007]所述信號傳感模塊包括電流互感器和電壓互感器；信號調(diào)理模塊包括依次連接的帶通濾波器和運算放大器，電流互感器和電壓互感器一端分別與專線用戶待測線路連接，另一端分別與帶通濾波器連接；
[0008]所述同步采樣信號模塊包括依次連接的過零比較電路和鎖相環(huán)同步倍頻電路;A/D采樣模塊采用MAX1324芯片；鎖相環(huán)同步倍頻電路連接MAX1324芯片；鎖相倍頻電路包括CD4046 和 CD4040，CD4040 為分頻器；
[0009]所述DSP及其外圍電路包括DSP數(shù)據(jù)分析芯片，F(xiàn)LASH和RAM ;FLASH和RAM都是存儲芯片，分別與DSP數(shù)據(jù)分析芯片連接；DSP數(shù)據(jù)分析芯片選用TMS320F2812芯片；MAX1324芯片與TMS320F2812芯片連接；[0010]所述CPLD及其外圍模塊包括CPLD、顯示屏、鍵盤、通訊模塊和存儲模塊；顯示屏、鍵盤、通訊模塊和存儲模塊分別與CPLD連接；TMS320F2812芯片與CPLD連接。
[0011]為進一步實現(xiàn)本實用新型的目的，優(yōu)選地，所述運算放大器為0P4227PA型運算放大器。所述電壓互感器采用霍爾傳感器CLSM-10mA。所述CPLD選用大規(guī)模集成電路芯片EPM3256SQC144。所述通訊模塊采用UART芯片TL16C550。所述存儲模塊采用U盤或SD卡。
[0012]本實用新型具有如下優(yōu)點:
[0013]I)本實用新型可高精度的監(jiān)測各項數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率因素、有功功率、無功功率、視在功率、電壓偏差、頻率偏差、基波功率因素、三相電壓不平衡、三相電流不平衡、各次電壓電流諧波量、各次諧波畸變率、間諧波等電力參數(shù)，為能源審計提供精確、詳細的數(shù)據(jù)，也對解決電能質(zhì)量問題的針對措施具有重要的意義。
[0014]2)本實用新型采用MAX1324芯片作為AD采樣數(shù)據(jù)芯片，測量精度高，轉(zhuǎn)換速度速率高，使轉(zhuǎn)換時間大大減小，而且也減少了 AD轉(zhuǎn)換芯片硬件設置和軟件設計的復雜度。
[0015]3)本實用新型采樣信號模塊應用鎖相倍頻采樣，可消除采樣不同步和周期測量誤差對測量精度的影響。
[0016]4)本實用新型存儲方式可用U盤或SD卡，靈活多變，且可移動，可大容量存儲。這樣可使數(shù)據(jù)的拷貝更為方便，使監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)就地分析或?qū)崿F(xiàn)長時間的數(shù)據(jù)記錄，更有利于對所測數(shù)據(jù)的分析與研究。
[0017]5)本實用新型從成本控制及系統(tǒng)優(yōu)化上考慮芯片選型，充分利用外設資源，使得系統(tǒng)簡約高效，從而使得該裝置成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置的原理圖。
[0019]圖2為本實用新型基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置連接示意圖。
[0020]圖3為DSP處理的流程框圖。
[0021]圖4為利用快速傅里葉變換算法計算各電力參數(shù)的流程框圖。
【具體實施方式】
[0022]為更好地理解本實用新型，下面結合附圖對本實用新型作進一步的描述，但是本實用新型的實施方式不限如此。
[0023]如圖1、2所示，一種基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置，包括同步采樣信號模塊4以及依次連接的信號傳感模塊2、信號調(diào)理模塊3、A/D采樣模塊5、DSP及其外圍電路6和CPLD及其外圍模塊7 ;數(shù)據(jù)傳感模塊2還通過同步采樣信號模塊4與A/D采樣模塊5連接；信號傳感模塊2與專線用戶待測線路I連接；
[0024]信號傳感模塊2包括電流互感器21和電壓互感器22 ;信號調(diào)理模塊4包括相互連接的帶通濾波器41和運算放大器42，運算放大器42優(yōu)選為0P4227PA型運算放大器；電流互感器21和電壓互感器22 —端分別與專線用戶待測線路I連接，另一端分別與帶通濾波器41連接；電壓互感器3優(yōu)選采用霍爾傳感器CLSM-1OmA ；
[0025]同步采樣信號模塊4包括依次連接的過零比較電路41和鎖相環(huán)同步倍頻電路42 ；A/D采樣模塊5采用MAX1324芯片；鎖相環(huán)同步倍頻電路42連接MAX1324芯片；鎖相倍頻電路包括⑶4046和⑶4040，⑶4046為通用CMOS鎖相環(huán)集成電路，由線性壓控振蕩器、2個相位比較器和低通濾波電路組成AD4040為分頻器；
[0026]DSP及其外圍電路包括DSP數(shù)據(jù)分析芯片61，F(xiàn)LASH62和RAM63 ;FLASH62和RAM63都是存儲芯片，分別與DSP數(shù)據(jù)分析芯片61連接；DSP數(shù)據(jù)分析芯片61選用TMS320F2812芯片；MAX1324芯片與TMS320F2812芯片連接；
[0027]CPLD及其外圍模塊7包括CPLD71、顯示屏72、鍵盤73、通訊模塊74和存儲模塊75 ;顯示屏72、鍵盤73、通訊模塊74和存儲模塊75分別與CPLD71連接；CPLD71選用大規(guī)模集成電路芯片EPM3256SQC144 ；TMS320F2812芯片與CPLD71連接；通訊模塊20采用UART芯片TL16C550 ;存儲模塊21采用U盤或SD卡。
[0028]本實用新型專線用戶待測線路I上的三相電壓、電流的信號傳感模塊2與相連。專線用戶三相線路的大電流通過電流互感器21轉(zhuǎn)換為小電流，高電壓通過電壓互感器22轉(zhuǎn)換為低電壓，電壓互感器3采用的霍爾傳感器CLSM-1OmA具有線性輸出、高精度、高響應速度、抗干擾能力強的特點。
[0029]經(jīng)信號傳感模塊2變換的三相電壓、電流信號，再由信號調(diào)理模塊4進行信號的調(diào)理，首先由帶通濾波器5進行濾波處理，繼而由0P4227PA運算放大器6對三相電壓電流進行增益放大處理，確保整體數(shù)據(jù)處理分析的精度。
[0030]經(jīng)信號調(diào)理模塊4得到的電壓、電流信號傳到A/D采樣芯片模塊10上，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再將數(shù)字信號傳送到DSP數(shù)據(jù)分析模塊4上；A/D采樣芯片模塊10采用的MAX1324芯片是一種14位高速并行A/D，8個采樣通道、同步采樣ADC轉(zhuǎn)換器，可提供±5V或O至+5V模擬出入范圍，可提供土 16.5V的過壓保護，具有轉(zhuǎn)換速率快、優(yōu)異的動態(tài)特性和采集精度。
[0031]A/D采樣芯片模塊10采樣方式是通過同步采樣信號模塊4控制實現(xiàn)。同步采樣信號模塊4包括過零檢測電路41和鎖相倍頻電路42。首先，過零檢測電路根據(jù)電壓過零的點可檢測出所測電路的周期，從而確定出所測電路的頻率，再利用鎖相倍頻電路42構成頻率跟蹤電路，對所測電路的頻率進行同步倍頻256次，得到的倍頻信號作為A/D采樣的周期控制信號，實現(xiàn)了在一個工頻周期里采集256個點的采樣頻率，且這256個點間是同步等間隔采樣的，供后面的DSP芯片及其外圍模塊的快速傅里葉變換(FFT)運算分析。這種采樣方式提高測量數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。由于鎖相環(huán)具有實時跟蹤性，當被測信號頻率變化時，電路能自動、快速跟蹤并鎖定，始終保證采樣頻率為所測線路頻率的256倍。
[0032]DSP芯片及其外圍電路6中，DSP數(shù)據(jù)分析芯片61選用的TMS320F2812芯片是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片，最高可在150MHz下工作。此芯片具有大量的可控制GPIO 口，方便控制與外圍電路的連接。該芯片集成度非常高、運算速度快，具有卓越的數(shù)字信號處理能力，是數(shù)字信號控制領域最常用的芯片平臺。數(shù)據(jù)處理芯片TMS320F2812利用CS片選拉低，對A/D采樣芯片模塊的數(shù)字信號在所測的一個周期內(nèi)采集128點的數(shù)據(jù)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理芯片TMS320FDSP2812可得到三相電壓、電流有效值，再對采樣收集到的三相電壓、電流進行運算，即可求出三相有功功率、無功功率、視在功率、頻率偏差、電壓偏差、功率因素，再應用快速傅里葉變換(FFT)算法。快速傅立葉變換(FFT)是一種將時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號的變換形式，是數(shù)字信號處理中對信號進行分析時經(jīng)常采用的一種方法。利用快速傅立葉變換(FFT)方法能把采樣的電壓電流的基波和各次諧波分離，并分別計算出電壓電流的基波分量和各次諧波分量，并算出電壓、電流諧波總畸變率。
[0033]DSP及其外圍電路6中，與TMS320F2812芯片相連的還有外擴的存儲芯片F(xiàn)LASH62和RAM63。由于所測的數(shù)據(jù)龐大，僅DSP處理后數(shù)據(jù)內(nèi)置的RAM己保存的空間已不夠用；夕卜擴RAM存儲芯片和FLASH存儲芯片可完整地存放數(shù)據(jù)和供外部設備讀取，使得DSP芯片與同步采樣信號模塊、CPLD及其外圍模塊數(shù)據(jù)傳輸更為簡便快捷。
[0034]CPLD及其外圍模塊7包括CPLD71、顯示屏72、鍵盤73、通訊模塊74和存儲模塊75 ;顯示屏72、鍵盤73、通訊模塊74和存儲模塊75分別與CPLD71連接；CPLD71選用大規(guī)模集成電路芯片EPM3256SQC144 ；TMS320F2812芯片與CPLD71連接；
[0035]CPLD71與TMS320F2812芯片相連，由大規(guī)模集成電路芯片EPM3256SQC144元件組成，具有110個I/O 口，邏輯運算快。該元件將TMS320F2812芯片與通訊模塊74、存儲模塊75、顯示屏和鍵盤實現(xiàn)無縫對接，完成對顯示屏72、鍵盤73、通訊模塊74和存儲模塊75的邏輯控制，使得TMS320F2812芯片與顯示屏72、鍵盤73、通訊模塊74和存儲模塊75之間數(shù)據(jù)傳輸更為快捷，增強了系統(tǒng)抗干擾能力。數(shù)據(jù)處理芯片TMS320F2812芯片計算所得到的數(shù)據(jù)，可通過顯示屏72顯示。顯示屏72可采用IXD12864模塊，帶有中文字庫，其顯示分辨率高，可構成全中文人機交互圖形界面?？赏瓿蓤D形顯示低電壓低功耗是其又一顯著特點。該顯示屏與鍵盤18 —起構成人機相互單元。
[0036]通訊模塊20采用UART芯片TL16C550 ;通訊模塊20采用UART芯片TL16C550，它采用RS232與RS485兩種通訊方式。其主要功能是為數(shù)據(jù)電路端接設備(DCE)和數(shù)據(jù)終端設備(DTE)之間提供可靠、靈活的接口服務。通過RS232或RS485接口與監(jiān)測設備通信，提供傳輸測量數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測，在線監(jiān)測的功能。存儲模塊21采用U盤或SD卡；存儲模塊21利用文件管理控制芯片CH376讀寫USB存儲設備(如U盤)或者SD卡中的文件，USB存儲設備可存儲大量的數(shù)據(jù)。采用USB存儲設備可使該裝置的存儲容量大大增加，同時使得該裝置具有可插拔移動存儲的功能。
[0037]DSP數(shù)據(jù)分析芯片61的主程序流程圖如圖3所示。首先，DSP數(shù)據(jù)分析芯片61進行定時器、中斷向量、液晶模塊等初始化。其次，開放相關的中斷，A/D采樣模塊5開始啟動。DSP數(shù)據(jù)分析芯片61接收MAX1324芯片傳過來的數(shù)字信號，再運用快速傅里葉變換(FFT)進行運算，得到有功功率、無功功率、各次諧波量等電力參數(shù)。再通過顯示屏顯示結果，并把三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、各次諧波及其諧波畸變率等相關數(shù)據(jù)存到U盤或SD卡里。
[0038]快速傅里葉變換(FFT)算法計算各電力參數(shù)的具體流程圖如圖4所示，采樣在所測線路的每個周期內(nèi)采樣256個點，直到采滿為止，再利用快速傅里葉變換(FFT)算法計算各電力參數(shù)。接下來的是，采樣階段結束后，數(shù)據(jù)信號處理器DSP對采樣得到的三相電流、三相電壓等數(shù)據(jù)進行有功功率、無功功率等基本運算，利用快速傅里葉變換算法可分離得到電壓、電流的各次諧波，從而計算對應的各次諧波畸變率等。
[0039]本實用新型具有強大的計算處理能力和分析能力，能準確測量電壓、電流、功率因素、各次電壓電流諧波、諧波畸變率等電力參數(shù)，液晶顯示效果好，分辨率高，且配備有大容量的可移動存儲空間。本實用新型檢測的電力參數(shù)，可用于耗能用戶的節(jié)能潛力分析，達到最大潛力的節(jié)能。該裝置具有操作簡單、可便攜、成本低、智能化強、測量精度高、抗干擾能力強、可靠性高等優(yōu)點，在節(jié)能裝置上實現(xiàn)了創(chuàng)新。
【權利要求】
1.一種基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置，其特征在于:包括同步采樣信號模塊以及依次連接的信號傳感模塊、信號調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、DSP及其外圍電路和CPLD及其外圍模塊；數(shù)據(jù)傳感模塊還通過同步采樣信號模塊與A/D采樣模塊連接；信號傳感模塊與專線用戶待測線路連接； 所述信號傳感模塊包括電流互感器和電壓互感器；信號調(diào)理模塊包括依次連接的帶通濾波器和運算放大器，電流互感器和電壓互感器一端分別與專線用戶待測線路連接，另一端分別與帶通濾波器連接；所述同步采樣信號模塊包括依次連接的過零比較電路和鎖相環(huán)同步倍頻電路；A/D采樣模塊采用MAX1324芯片；鎖相環(huán)同步倍頻電路連接MAX1324芯片；鎖相倍頻電路包括CD4046和CD4040，CD4040為分頻器； 所述DSP及其外圍電路包括DSP數(shù)據(jù)分析芯片，F(xiàn)LASH和RAM ；FLASH和RAM都是存儲芯片，分別與DSP數(shù)據(jù)分析芯片連接；DSP數(shù)據(jù)分析芯片選用TMS320F2812芯片；MAX1324芯片與TMS320F2812芯片連接；所述CPLD及其外圍模塊包括CPLD、顯示屏、鍵盤、通訊模塊和存儲模塊；顯示屏、鍵盤、通訊模塊和存儲模塊分別與CPLD連接；TMS320F2812芯片與CPLD連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置，其特征在于:所述運算放大器為0P4227PA型運算放大器。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置，其特征在于:所述電壓互感器采用霍爾傳感器CLSM-lOmA。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置，其特征在于:所述CPLD選用大規(guī)模集成電路芯片EPM3256SQC144。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置，其特征在于:所述通訊模塊采用UART芯片TL16C550。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于DSP的智能節(jié)能診斷裝置，其特征在于:所述存儲模塊采用U盤或SD卡。
【文檔編號】G01R15/12GK203572860SQ201320614401
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權日:2013年9月30日
【發(fā)明者】黎有錫, 唐捷, 胡秀珍, 余濤, 彭健福, 周彬, 姜靜, 程樂峰, 梁澤勇 申請人:廣東電網(wǎng)公司韶關供電局, 華南理工大學