嵌入式电网参数监测系统的研制

摘要

随着国民经济的发展，电力设备广泛应用于各个领域，它们给社会生产和人民生活极大的方便。近年来，采用节能装置例如变频装置、变流装置的设备越来越多，使得电网中的谐波污染日益严重，极大地危害了其他用电设备的安全运行。因此，对电网谐波含量进行监测，并把它控制在允许范围内，成为供电部门和用户的共同目标。电网中的谐波成分复杂，造成谐波的原因也很多，因此在治理谐波污染之前，应该对谐波进行测量分析，找出产生这些谐波的根源。 目前市场主流的谐波测量仪器大都采用工业PC机或者DSP系统。这两种实现方式性能可靠、运算快速、技术成熟，是目前市场的主流产品。其缺点在于成本过高、难以扩展输入通道数。因此，成本低廉、运算快速、易于进行通道扩展的谐波分析仪有强烈的市场需求。现代可编程逻辑器件(FPGA)的发展，为谐波测量仪器提供了一种全新的实现方式-SOPC(片上可编程系统)，它可以将CPU、FFT和其他功能模块集成到一块芯片上，不但减小了系统体积，而且提高了系统可靠性。同时还可以利用FPGA可编程的特点，根据用户需求扩展功能和对系统软硬件进行升级。 快速傅立叶变换(FFT)理论广泛应用于谐波测量领域。本课题采用基4 FFT算法，充分利用FPGA内部资源，大大提高了FFT算法的速度。同时移植嵌入式操作系统uclinux，构成了嵌入式电网监测系统。系统可以测量频率、三相电压、电流有效值和各次谐波分量。同时还可以计算设备的有功功率、无功功率、功率因数等等。系统可以通过USB接口，实现U盘记录数据功能，也可以通过RS232接口同上位机进行通讯，实现电网的集中管理。 论文主要包括几个部分：电网参数测量原理和方法介绍；系统的硬件电路设计，包括信号调理电路、A／D转换电路、通讯接口电路、数据存储电路；FPGA功能模块(CPU、FFT等)设计；操作系统uclinux移植配置；系统应用程序设计，包括数据采集处理程序、串口通讯程序、按键处理与LCD显示程序等。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 本文研究的目的和意义

1.2 课题背景

1.3 谐波测量方法简介

1.4 本文研究的主要内容

第二章 电网参数测量方法及其原理

2.1 快速傅立叶变换FFT的基本原理

2.2 基于时间抽取（DIT）算法

2.2.1基2 FFT算法

2.2.2 基4 FFT算法

2.2.3 基4 FFT算法在FPGA上的实现

2.2.4 ALTERA 公司FFT2.1.0 IP CORE 算法原理

2.3 基于FFT 的谐波测量原理和电网参数的计算

2.3.1 三相电压、电流、有功功率、无功功率及功率因素的计算

2.3.2 频率测量方法

2.3.3 各次谐波分量的计算

2.3.4 采样信号频率计算

第三章 嵌入式系统

3.1 嵌入式系统简介

3.1.1 嵌入式系统定义

3.1.2 嵌入式系统特点

3.2 嵌入式系统的现状发展趋势及其应用

3.2.1 嵌入式系统的现状

3.2.2 嵌入式系统的发展趋势

3.2.3 嵌入式系统的应用

3.3 嵌入式系统平台选择

3.3.1 硬件平台的选择

3.3.2 嵌入式操作系统的选择

第四章 系统总体设计

4.1 总体设计思路

4.1.1 系统的应用范围

4.1.2 电网监测系统的构成

4.2 系统功能简介

4.3 系统硬件配置

4.4 嵌入式操作系统uclinux的选择

4.4.1 uclinux简介

4.4.2 uclinux内存管理

第五章 系统硬件设计和实现

5.1 系统总体硬件设计

5.2 核心控制模块

5.3 信号调理模块

5.3.1 电流信号调理模块

5.3.2 电压信号调理模块

5.4 频率测量模块

5.5 模数转换模块

5.6 ROM模块

5.7 RAM 模块

5.8 通讯接口模块

5.8.1 RS-232接口

5.8.2 USB接口

5.9 人机接口模块

5.10 电源模块

5.11 JTAG接口与配置芯片模块

5.12 电路板设计

第六章 FPGA架构设计和实现

6.1 NiosII CPU的构建

6.1.1 NiosII简介

6.1.2 在CPU中添加IPCORE

6.1.3 在CPU中添加USB接口转换模块

6.2 FFT模块的构建

6.3 PLL 模块的构建

第七章 系统软件设计和实现

7.1 系统软件设计的主要内容

7.2 uclinux在Nios II CPU上的移植

7.2.1 uclinux移植简介

7.2.2 集成开发环境IDE简介

7.2.3 构建uclinux操作系统内核

7.2.4 构建uclinux文件系统

7.2.5 修改uclinux部分源代码

7.3 应用程序开发

7.4 数据采集处理模块

7.5 串口通讯模块

7.5.1 串口通讯程序流程图和初始化程序

7.5.2 数据传输协议

7.6 液晶显示模块

7.7 键盘模块

第八章 论文所完成的工作与未来工作展望

8.1 论文所完成的工作

8.2 未来工作展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文

附图