用于电信号计量和测量的DSP架构及实现

发布时间：2020-06-09 23:00

【摘要】：随着泛在电力物联网的加速建设,越来越多的传感节点被部署在感知层中,用以实现电能计量和电信号测量功能。传统的实现方式有两种,软件方式和专用集成电路方式,各有利弊:软件方式较灵活,但不能保证及时性和可靠性,功耗较大;专用集成电路虽然功耗较小,但不能满足多种应用需求。因此,本文提出一组精简指令集,满足电能计量和电信号测量中的基本运算和多速率运算需求,并提出三种DSP架构,分别为基础DSP架构、可配置DSP架构和双核DSP架构。本文首先提出的基础DSP架构,在设计上采用了哈佛结构和二级流水线的实现方式。基于基础DSP架构,提出了世界上第一个无需外部晶振的电能计量芯片中的数字集成电路设计及实现方法。通过减少晶振和减少通讯所需光耦的数量,大大降低了智能计量和智能监测设备的生产成本。该芯片中数字集成电路的功耗也低于同类型商业芯片。其次,为满足泛在电力物联网的广泛应用场景,本文在基础DSP架构的基础上,提出了一个可配置DSP架构。在不改变DSP程序的条件下,实现了DSP运算频率、计量带宽、数字滤波器响应时间和稳定时间可配置的效果。基于可配置DSP架构,本文提出了一个具有灵活运算引擎的电能计量和测量芯片的数字集成电路设计及实现方法。灵活运算引擎根据不同的应用环境调整运算任务,以降低DSP运行功耗。通过程序复用,可选择计算基波有功功率、基波无功功率或基波有效值。同时,该芯片也根据IEC-61000-4-30的电网监测需求,集成了基于1/2基波周期有效值和10或12基波周期有效值的测量单元,可测量电压幅值、电压骤升和骤降、电压中断和电压瞬变这些事件。最后,为了提高该DSP架构的运算能力,本文提出了一个用于电能计量和电信号测量的双核DSP架构,并集成在了一个电能计量和电信号测量的SoC中。该DSP架构集成了快速运算核和慢速运算核,根据运算任务需求,可选择关闭慢速运算核或降低慢速运算核的运行频率,以降低DSP运行功耗。在该SoC中,DSP不仅可读取存储在ROM中的固定程序,也可以通过AHB-lite总线,读取存储在SoC中FLASH或SRAM的程序,实现了DSP的软件可编程。此外,本文提出了一种基于波形数据的快速检测算法,用于检测过流、过压、欠流和欠压事件。通过调整检测阈值、采样点数和检测周期以调节检测灵敏度。应用这三种DSP架构的电能计量和电信号测量芯片和SoC已经实现商业化并量产。
【图文】：

电能计量,信号采集,算法

量计量方法。基波能量计量是只对基波信号产生的能量进行计量；而直流能量计逡逑量则对直流能量进行计量，其应用于新能源用电的场景。电能计量算法的结构如逡逑图２．１￣２．４所示。逡逑原始电压波逡逑ｕ（ｔ）逦￣逦｜邋形数据逡逑逦？传感器Ｓ－ＡＡＤＣ逦—？逦ＣＩＣ逦—？逦ＨＢＦ邋逦？逡逑原始电流波逡逑ｉ（ｔ）逦｜邋形数据逡逑逦？传感器－？邋Ｉ－Ａ邋ＡＤＣ逦—？逦ＣＩＣ逦—？逦ＨＢＦ邋逦？逡逑图２－１电能计量算法－信号采集逡逑在图２．１中，电压信号和电流信号通过芯片外的传感器转换为能被ＡＤＣ采集逡逑的电压信号。通过ＡＤＣ转换为Ｉｂｉｔ的数据码流，通过级联积分－梳状滤波器逡逑（Ｃａｓｃａｄｅｄ邋ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ－ｃｏｍｂ邋ｆｉｌｔｅｒ，ＣＩＣ）滤波器和半带滤波器（Ｈａｌｆ－ｂａｎｄ邋ｆｉｌｔｅｒ，逡逑ＨＢＦ）滤除高频噪声。ＣＩＣ的降采样率和ＨＢＦ的数目可调节计量带宽，通过这两逡逑个滤波器的信号可得到原始电压波形数据和原始电流波形数据。逡逑ＩＩ逡逑

幅频响应,滤波器,补偿滤波器,降采样

／／（＃）和分别为ＣＩＣ滤波器和ＩＳＯＰ补偿滤波器的传递函数。当该ＣＩＣ逡逑滤波器的采样频率为８１９．２ｋＨｚ，降采样率为１２８时，ｃ设定为９．７５，，邋Ｉ为１。在本逡逑文的计量算法中，ＣＩＣ滤波器和ＣＩＣ＆１ＳＯＰ滤波器的幅频响应如图２．６？２．７所示。逡逑Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ邋ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ｏｆＣＩＣ邋ａｎｄ邋Ｃ１Ｃ＆ＩＳ０Ｐ邋ｆｉｌｌｅｒ逡逑￣逦Ｔ邋￣ｊ逡逑Ｎｓ逦１邋（：ＩＣＶ｜ＳＵＰ［逡逑ｈ邋：逡逑－１５０逦｜逡逑－２００逦ｆ逡逑０逦１逦２逦３逦４逦５逦６逦７逦８逦９逦ｉ（）逡逑Ｆｒｃｑｕｃｎｃｙ（邋Ｉ邋Ｆｚ）逦ｘ邋｜0４逡逑图２－６Ｃ１Ｃ和ＣＩＣ＆ＩＳＯＰ滤波器－幅频响应逡逑１５逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM764;TN911.72

【相似文献】