本文提出了一種基于TMS320F28335 的頻率測量方法， 用于監(jiān)測電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。該方法采用DSP 的eCAP 模塊和通用定時器對輸入信號的上升沿進(jìn)行捕捉， 通過記錄兩個上升沿的觸發(fā)時間得到輸入信號的頻率。與軟件測頻方法相比， 其硬件電路簡單， 可靠性高、實時性好。理論分析和實驗測試表明， 該方法測頻精度高， 很好的滿足了電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的要求。
引 言:
頻率是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)， 也是判斷電力系統(tǒng)故障的重要依據(jù)。一般情況下， 電力系統(tǒng)的頻率會隨著負(fù)荷的波動而有所變化。在正常情況下電網(wǎng)頻率變化緩慢，即使發(fā)生系統(tǒng)事故， 在很短的時間內(nèi)( 如一個工頻周期) 電網(wǎng)頻率的變化量也是較小的。頻率測量若能不斷實時地測量電網(wǎng)頻率， 所測量的頻率誤差可減小到很小的程度。
數(shù)字頻率的測量方法主要有： ( 1) 測量電壓波形某一整數(shù)周波的時間， 從而計算頻率; ( 2) 利用波形識別或曲線擬合技術(shù)來估算頻率。后一種方法不能很好的抑制諧波分量， 計算量偏大， 要對每一周波都進(jìn)行一次計算， 將會占用過多的處理器時間， 其不能兼顧計算精度與實時性。
而前者的測量精度受電壓過零點的影響較大。
本文提出通過過零檢測電路將電網(wǎng)基波整型成方波，用TMS320F28335( DSP) 的捕捉模塊對方波上升沿進(jìn)行捕捉的頻率測量方法， 在一定程度上抑制了電壓過零點的影響， 有很好的測量精度和實時性。
1 通用定時器與捕捉模塊
TMS320F28335 是指令周期為6. 67 ns。主頻達(dá)150 MHz; 高性能的32 位CPU , 單精度浮點運算單元( FPU ) , 采用哈佛流水線結(jié)構(gòu)， 能夠快速執(zhí)行中斷響應(yīng)。 并具有統(tǒng)一的內(nèi)存管理模式。本文提出的測頻方法主要應(yīng)用TMS320F28335 中的捕獲單元( eCAP) 和通用定時器( GPT ) 單元。
1. 1 通用定時器
通用定時器是TMS320F28335 常用的PIE 接口， 其核心是計數(shù)器， 32 位計數(shù)。通用定時器有多種工作模式，以滿足不同的需要。每個定時器可以獨立工作， 也可以相互同步工作。可以對寄存器事先設(shè)置來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。
全局通用定時器控制寄存器GPTCON A ( EVA 中) 和GPT CONB( EVB 中) 規(guī)定通用定時器在不同事件中所采取的操作， 并規(guī)定它們的計數(shù)方向。為了完成測頻所需要的功能， 需要設(shè)置GPT 的計數(shù)寄存器T xCN T、定時器比較寄存器Tx CMPR、定時器周期寄存器Tx PR 以及定時器控制寄存器T xCON ( x = 1, 2, 3, 4) 。
1. 2 捕捉模塊
eCAP 模塊是一個完整的捕捉通道， 能夠?qū)崿F(xiàn)多個時間的捕捉任務(wù)， eCAP 單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 捕捉單元結(jié)構(gòu)
TMS320F28335 有6 個捕捉單元， 分兩組， 每個捕捉單元都有一個專用的捕捉輸入引腳， 能夠?qū)斎胍_的電平變化做出反應(yīng)并捕捉電平變化發(fā)生的時間。當(dāng)引腳電平發(fā)生變化， 觸發(fā)事件將被觸發(fā)： 將指定的通用定時器的計數(shù)值壓到該捕捉單元的兩級FIFO, 當(dāng)FIFO 的數(shù)據(jù)個數(shù)大于或等于2 時觸發(fā)捕捉中斷請求。中斷響應(yīng)可以進(jìn)行頻率的計算及其相應(yīng)操作。2 系統(tǒng)硬件電路及其測量原理
2. 1 系統(tǒng)的組成
系統(tǒng)主要由互感器、低通濾波、過零檢測、控制處理等模塊組成。系統(tǒng)模塊如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
在模擬通道的前端通過精密互感器對電網(wǎng)信號進(jìn)行采集。低通濾波濾除信號的高次諧波， 以避免諧波對過零檢測環(huán)節(jié)的影響， 提高測量精度。過零檢測電路由電壓比較器MAX474 和電阻等元件組成， 對正弦信號進(jìn)行整形，得到與電網(wǎng)基波相同頻率的方波信號， 提高信號邊沿的捕捉精度。過零檢測電路對正弦信號的陷波有一定的抑制能力。
2. 2 測量原理
采用TMS320F28335 的eCAP1 模塊對方波的上升沿進(jìn)行捕捉， 每次捕捉完上升沿后都對32 位定時器進(jìn)行置位， 上升捕捉的計數(shù)值為N 1。
則除設(shè)備開始運行的第一周波之外， 之后的捕捉到的定時器值N 1 與頻率f 成比例關(guān)系， 即：
( 其中K 為輸入信號分頻系數(shù))。
在150 MHz 主頻的DSP 中， 32 位的定時器溢出的時間接近半分鐘， 對電力系統(tǒng)基波進(jìn)行上述的測量， 其不會溢出。
3 測頻在DSP 中的實現(xiàn)
3. 1 時間預(yù)定標(biāo)器與誤差分析
時間預(yù)定標(biāo)器的功能框圖如圖3 所示。
圖3 事件預(yù)定標(biāo)器功能
輸入的被捕捉信號可以通過預(yù)定標(biāo)器進(jìn)行頻， 或者選擇直通工作方式。分頻系數(shù)由寄存器ECCT L1 的PRESCALE 控制， 可以進(jìn)行2 到62 偶數(shù)次分頻。分頻有利于提高測量精度， 因為頻率測量時計數(shù)值越高， 測頻的測量精度也就越高。
采用直通方式對50 Hz 的信號進(jìn)行測頻， 計數(shù)值大概為3× 106 次。假設(shè)對信號進(jìn)行K 次分頻， 則計數(shù)值將是K× 3× 106 次。定時器由于計數(shù)造成的絕對誤差為：
采用時間預(yù)定標(biāo)器對信號分頻可以提高測量精度， 但也會降低測量的實時性。對于K 分頻， 則需要K 個周波才能得到頻率信息， 即此時得到的測量頻率是K 個周波之前的頻率。采用直通方式造成的絕對誤差大約為310- 7 , 完全可以滿足電力系統(tǒng)測頻的要求。考慮到電力系統(tǒng)頻率測量的實時性， 本設(shè)計采樣直通方式對頻率進(jìn)行測量。3. 2 捕捉單元的處理
輸入信號可以由GPIO5、GPIO24、GPIO34 引出， 可選擇其中的一個作為輸入， 并對相應(yīng)的寄存器GPXMU Xn 進(jìn)行設(shè)置即可。對ECCT L1 進(jìn)行設(shè)置： 選擇直通方式， 不對信號進(jìn)行， 提高實時性; 使能CAP1 寄存器裝載， 使得在捕捉事件發(fā)生時裝載計數(shù)器的計數(shù)值; 選擇CAP1 為上升沿觸發(fā)， 并在裝載計數(shù)器之后重置計數(shù)器。
對ECCT L2 進(jìn)行設(shè)置： 設(shè)置在捕捉事件1 發(fā)生后停止計數(shù)， 等待捕捉; 選擇單次操作模式。并對中斷使能寄存器ECEINT 進(jìn)行設(shè)置， 使能捕捉事件1 作為中斷源。
捕捉過程的流程如圖4 所示。
圖4 捕捉過程流程
由于每次讀取計數(shù)器的計數(shù)值之后都對計數(shù)器進(jìn)行重置， 捕捉到的計數(shù)值就是與周期對應(yīng)的值。每個周期都對上升沿進(jìn)行捕捉并計算頻率， 實現(xiàn)了對頻率的實時跟蹤。
此測頻方法可以用于電力系統(tǒng)相位的測量。只需將同一相的電壓、電流信號分別作為兩個eCA P 的輸入信號。采用上述設(shè)置方法對兩個eCA P 進(jìn)行設(shè)置， 只將其中的一個e CA P 的裝載計數(shù)器操作之后重置計數(shù)器。兩個e CAP 捕捉到的計數(shù)值的差▽ N 與相位差▽成正比， 即：
實現(xiàn)相位差的測量。
4 實驗室測試結(jié)果
在實驗室條件下， 用示波器和基于TMS320F28335電能質(zhì)量裝置對同一含有諧波的信號進(jìn)行頻率測量。頻率測量的對比數(shù)據(jù)如表1, 其中的f OSC 和f DSP 分別是美國泰克T ekt ronix TDS2024B 數(shù)字示波器和基于TMS320F28335 電能質(zhì)量裝置所測得的頻率值。
由表1 所測的數(shù)據(jù)可知， 本文提出的測量裝置與T ektronix 示波器測頻的最大絕對誤差為0. 0053 Hz。頻率測量結(jié)果表明此裝置有很高的測頻精度。
表1 頻率測量數(shù)據(jù)對比
5 結(jié)束語
本文提出了一種基于TMS320F28335 的測頻方法，該方法硬件電路簡單， 實時性好。文章還給出將該方法用于相位測量的初步思路。將該方法應(yīng)用到電能質(zhì)量監(jiān)測裝置中， 實際運行的結(jié)果表明， 該方法可行。