一种最新型微电网谐波分析仪

     作者：谢文严

    1  系统总体方案设计

    传统的电网谐波检测仪主要有两种检测方案。一种是依托于专门的电网检测芯片进行谐波检测，这种方案的主要问题是造价高昂，灵活度不高，对于新型的微电网系统进行谐波检测显得力不从心。另一种方案是以单片机为核心，对电网信息进行采集处理分析。这种方案的主要问题是单片机的处理能力较弱，处理的信息量较少，仅仅是处理简单的检测尚可，一些复杂的要求很难达到。

    本文针对传统的设计分析，提出了一种基于新的ARM-CortexM4内核的处理器的微电网谐波检测技术。使用STM32F407系列的新型单片机作为主控核心进行数据的处理和分析，使用精密的前端信号调理电路对信号进行调理。同时，依托于M4内核强大的处理能力以及FPU单元来对信号进行FFT运算和数字FIR滤波，最终在7英寸（1英寸= 25.4  mm）液晶显示屏上将结果显示出来．并通过串口将信息实时发送到单片机，系统的总体方案如图1所示。

    本设计选择的ARM-CortexM4内核的STM32F407微控制器。CortexM4内核是ARM公司在10年推出的最新的高性能低功耗的嵌入式方案。STM32F407系列微控制器是ST公司推出的应用于工业电子领域的中高端嵌入式处理核心，有着强大的性能。STM32 F407是有着高达168 MHz主频的DSC，具有192 kB内存和高达l MB的Flash。如此高的性能使其在信号处理领域有着广阔的应用前景。使用STM32 F407的12位A/D对处理过后的信号进行采样，使用内部的FPU单元可以快速进行傅里叶变换和FIR滤波。硬件方案如图2所示。

    2  系统硬件设计

    本系统的硬件设计主要包括电源系统、信号采集系统和信号调理系统、单片机控制系统和外围电路系统等4部分组成。

    2.1电源系统设计

    由于本设计的任务是对信号做精密的采集，因此一套合理稳定的电源系统是必须的。电源方案如图3所示，本电源系统利用两片LM2596分别将+12 V电源输入转换为+6.8 V与-6.8 V，利用一片LM1117与一片L7805将- 6.8 V转换为+5 V与+3.3 V，利用一片LM7905将-6.8 V转换为-5V。其中+5 V与-5 V对运放进行双路电源供电，+3.3 V对单片机进行供电。

    开关电源具有效率高、过电流能力强等优点，但纹波较大；与之相反，线性电源具有纹波小的优点，但有功耗大的问题，且压差越大，其产生的热功率损耗也就越大。因此，将开关电源和线性电源配合使用，开关电源将输入电压降低为一个比较低的电压并输出给线性电源进行第二步降压，从而达到了既能保证纹波，又能解决功耗与散热问题的目的。

    LM2596是Buck型开关降压芯片，只要将LM2596芯片的Vout管脚接地，此时由于Vou,管脚的电平不会被改变，则相对的GND管脚的电压会下降到设定值，此时GND管脚的电压相对于GND管脚低6.8 V，即产生了- 6.8 V电压。图4为LM2596产生6.8 V电压的电路图。

    2.2信号采集与调理系统

    由于市电信号电压高、干扰大，无法直接处理检测，因此需要由采集和调理电路来完成这个任务。系统利用霍尔型电压电流传感器采集市电的电压和电流，并将采集到的信号经过调理和滤波输入到单片机进行A/D采集。电压转换部分的电路图如图5所示。

    图5中，电压互感器选择的是0—1 000 V转0—5 mA的电压互感器，作I-U转换即可将副边线圈的电流信号转换为比例缩小的电压信号，选取R5=100 kΩ、R3=680 kΩ，可得到大约150:1的转换比例，也就是220 V市电的vpp大约622 V，转换过后可以在Uin处获得vpp4V左右的可测量信号。

    由于转换得到的Uin仍旧是一个交流信号，所以需要将其转换为0～3.3 V的可测量电压信号才可以输入测量。运放U1的作用就是起到转换的作用，同时二极管D，和电容C3可以起到滤波调理的作用。

    2.3单片机电路的设计

    单片机部分将经过处理的电压和电流信号分别输入到STM32F407单片机的PAo和PA1口，用来进行A/D转换。彩屏接入FSMC接口，FSMC是STM32独有的一种总线技术，可以实现对彩屏的快速控制，加快处理速度。同时将串口接入PA2和PA3口，将按键接人P。．和PG2口，使用外部中断捕获。

    3  系统软件设计

    微电网谐波检测仪的软件部分主要由采集程序、FIR滤波程序、FFT变换程序和显示通信程序组成。系统使用Keil MDK 4.72作为主要编译器。程序主要流程图如图6所示。

    3.1  FIR滤波器的设计

    由于需要测得的微电网谐波的频率大约在8 kHz以下，而8 kHz以上的谐波多是电路噪声或是A/D转换的噪声，因此为了保证结果的精确性，需要对采集的结果进行滤波。FIR滤波器是一种简单可靠的滤波器，同时借助Cortex-M4内核的DSP协处理器以及FPU协处理器，可以高速地完成浮点FIR滤波器的运算。

    FIR滤波器的种类有多种，需要的处理结果是将8 kHz以上的干扰去掉，且8 kHz以下的谐波信息要保存下来并且不要有失真，因此选择窗函数法来设计FIR滤波器是一个合理的选择。汉宁窗可以明显地减小泄漏，性能优于矩形窗，因此最终选择汉明窗函数来设计FIR滤波器。

    借助Matlab的Fdatool来设计FIR滤波器的系数。选择截止频率为8 kHz，FIR汉宁窗函数，同时选择滤波器的阶数为8阶。滤波器的阶数越高，其滤波性能越好，但其需要的运算量也越大。综合考虑选择8这个阶数，从而平衡运算量和滤波特性，图7为设计的FIR滤波器的幅频特性曲线。

    3.2     FFT转换函数

    快速傅里叶变换是微电网谐波检测仪的最重要的操作之一，只有通过傅里叶变换将信号从时域转换到频域，才能够将不同频率的谐波分离出来，以进行分析。传统意义上快速傅里叶变换在微控制器领域需要占用大量的运算时间，尤其是浮点快速傅里叶变换和复数傅里叶变换。ARM CortexM4系列的芯片则提供了一个很好的解决方案，基于STM32F407内部的DSP和FPU提供了一套速度很快的复数快速傅里叶变换( CFFT)方法。

    对于FFT变换尤其重要的是选择合适的转换点数和采样频率。转换点数和采样频率决定了结果的精度。为了获得最大的步进长度，选择1 024点FFT，对于1 024点FFT，需要选择一个合适的采样频率才可以获得一个良好的精度。对于FFT的结果中的某一点的频率，由式(1)可得：

    式中：Fn为第n点的频率；F8为采样频率；Ⅳ为总的采样点数。频率范围为0~8 kHz，当n=512时，Fn≤8 kHz。因此，可得转换频率为10 kHz时可以达到要求，同时每一个频率点的数字也便于处理。

    4测试结果分析

    针对本检测仪的性能和准确性做了相应的实验，对实验室的主供电回路上的电压和电流作了检测并通过谐波检测仪进行分析，同时使用XY194AC-2SY型号的31次谐波表作为数据比对。电压谐波的测试结果如表1所示，表中对谐波分量大于1V的结果进行了显示。

    通过对测量结果的分析可以得出结论：本设计的测量结果稳定可靠，精度更高，同样的性能其造价远低于传统电表。

    5结束语

    针对新兴的微电网，谐波检测仪尤为重要，采用谐波检测获得的参数对微电网进行调节有着很大的作用。同时ARM-CortexM4系列的新型微控制器性能先进，数字运算能力强且成本低，完全可以适应微电网谐波检测的需求。本文设计的基于ARM的微电网谐波检测仪可以实现检测微电网的电压谐波和电流谐波，为微电网的调节控制提供信息，设计稳定可靠。

    6摘要：

    针对微电网的电能供给相较于常规电网不稳定、谐波的干扰更加严重的情况，设计了一种新型的基于ARM-CortexM4内核的微电网谐波分析仪。详细阐述了微电网的发展与现状，论述了谐波检测对于微电网系统的必要性。介绍了微电网检测仪的硬件部分，包括前级电压电流转换电路、信号调理电路、单片机处理电路和显示电路。软件部分介绍了基于CortexM4内核的FPU单元的快速傅里叶变换系统和FIR滤波器系统，并阐述了整个软件系统的结构。最后分析了电网谐波检测仪的性能。

6