熊　潔，林　琳，胡賽純

?

電網(wǎng)擾動(dòng)信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì)

熊潔，林琳，胡賽純

（湖南城市學(xué)院，湖南益陽(yáng) 413000）

針對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)中大量電能質(zhì)量信號(hào)需要進(jìn)行頻譜分析的問(wèn)題，本文基于FFT算法，利用Atmega 128L單片機(jī)大容量flash存儲(chǔ)器、高速數(shù)據(jù)處理能力以及AD轉(zhuǎn)換器，LCD12864液晶顯示屏、結(jié)合串口通信模塊，設(shè)計(jì)了一款電網(wǎng)擾動(dòng)信號(hào)頻譜分析儀，進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明該分析儀功耗低，性價(jià)比高，實(shí)用性較強(qiáng)，可用于電網(wǎng)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)進(jìn)行頻譜分析。

頻譜分析儀；Atmega 128L單片機(jī)；快速傅里葉變換

由于電網(wǎng)中大量電力電子器件等非線性負(fù)荷的使用，給基于微處理器、微計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制設(shè)備的正常運(yùn)行帶來(lái)了極大危害[1[[2]。為了有效改善電網(wǎng)質(zhì)量，就必須及時(shí)了解電網(wǎng)電能質(zhì)量信息。對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行頻譜分析，是了解電網(wǎng)質(zhì)量信息的一條重要途徑[3]。而頻譜分析儀就是一種測(cè)試電網(wǎng)擾動(dòng)信號(hào)的重要設(shè)備。本文設(shè)計(jì)了一款頻譜分析儀，該種頻譜分析儀利用Atmega 128L最小系統(tǒng)、MAX232芯片及裝有AVR Studio 4軟件的PC機(jī)進(jìn)行頻譜分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用Atmega 128L單片機(jī)大容量flash存儲(chǔ)器和高速數(shù)據(jù)處理能力，直接用FFT算法進(jìn)行譜分析和信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。功耗比較低，性價(jià)比比較高，可用于電網(wǎng)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)低于64Hz的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，具有很強(qiáng)的實(shí)用意義[4][5]。

1 信號(hào)頻譜分析儀的設(shè)計(jì)原理

這種頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC)對(duì)輸入信號(hào)取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。采用快速傅里葉變換使計(jì)算機(jī)計(jì)算離散傅里葉變換所需要的乘法次數(shù)大為減少，特別是被變換的抽樣點(diǎn)數(shù)N越多，F(xiàn)FT算法計(jì)算量的節(jié)省就越顯著。被測(cè)信號(hào)被分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果[6]。

而快速傅里葉變換（FFT），是離散傅里葉變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅里葉變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。

在FFT運(yùn)算中，旋轉(zhuǎn)因子

即

求正弦和余弦數(shù)值計(jì)算量是很大的。在FFT程序開始前預(yù)先計(jì)算出，，存放在數(shù)組中，作為旋轉(zhuǎn)因子表，在程序執(zhí)行過(guò)程中，直接查表得到所需旋轉(zhuǎn)因子值，不再計(jì)算。實(shí)際中，序列一般為實(shí)序列，即，所以該系統(tǒng)只對(duì)實(shí)序列進(jìn)行DFT變換[7-8]。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

一個(gè)電網(wǎng)擾動(dòng)信號(hào)源，經(jīng)A/D采樣之后，就變成了數(shù)字信號(hào)。采樣定理告訴我們，采樣頻率要大于信號(hào)頻率的兩倍。利用單片機(jī)的ADC隔一定時(shí)間采一次樣，并將其存入相應(yīng)數(shù)組中。然后做一個(gè)正弦表和余弦表，通過(guò)查表求出旋轉(zhuǎn)因子，再進(jìn)行FFT變換，得到FFT的實(shí)部與虛部，也分別存入相應(yīng)數(shù)組，之后，用平方根計(jì)算出對(duì)應(yīng)的模值。假設(shè)采樣頻率為Fs，采樣點(diǎn)數(shù)為N，做FFT之后，某一點(diǎn)n（n從1開始）表示的頻率為：；該點(diǎn)的模值除以N/2就是對(duì)應(yīng)該頻率下的信號(hào)的幅度，對(duì)于直流信號(hào)是除以N。最后通過(guò)LCD12864顯示和MAX232串口發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行分析。該設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)整體電路由主控制電路、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、SRAM存儲(chǔ)器、串口通信電路、LCD12864顯示電路和電源電路等幾大塊組成。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 部分硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控制電路的設(shè)計(jì)

主控制電路由芯片Atmega 128L、復(fù)位電路、時(shí)鐘晶振電路等組成。主控制電路如圖2所示。

圖2 主控制電路

3.2 串口通信電路的設(shè)計(jì)

串口通信電路，用于單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信，如圖3所示。

3.3 LCD12864顯示電路的設(shè)計(jì)

LCD12864液晶屏，由128*64點(diǎn)組成。設(shè)計(jì)時(shí)，采用128點(diǎn)作為橫坐標(biāo)，64點(diǎn)作為縱坐標(biāo)，且1點(diǎn)代表1Hz。當(dāng)進(jìn)行DFT分析后，將分析結(jié)果幅度通過(guò)劃線顯示于液晶屏。如圖4所示。

圖3 MAX232串口通信電路

圖4 LCD12864顯示電路

3.4 電源電路的設(shè)計(jì)

電源模塊采用線性電源，采用常用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的集成三端穩(wěn)壓器。LM7805是正5V電源輸出的線性直流穩(wěn)壓電源。在設(shè)計(jì)時(shí)使用了大電容濾波，紋波系數(shù)小，性能優(yōu)良可靠，完全滿足系統(tǒng)的要求。電源模塊電路如圖5所示。

圖5 5V直流穩(wěn)壓電源

4 軟件設(shè)計(jì)

圖6 DIT–FFT運(yùn)算程序框圖

5 結(jié)果測(cè)試與分析

5.1 輸入直流信號(hào)測(cè)試

輸入5.0V直流信號(hào)，液晶屏上顯示，如圖7所示?？梢钥吹搅泐l率點(diǎn)幅值最大，其他頻率點(diǎn)振幅幾乎為零。說(shuō)明DFT變換是正確的。

圖7 直流信號(hào)頻譜圖

為了能夠定量分析幅度譜，通過(guò)單片機(jī)的串口將128點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)和頻譜的幅度發(fā)送給計(jì)算機(jī)，再通過(guò)串口調(diào)試助手顯示出來(lái)，如圖8所示，該圖中，“START”表示采樣開始，“END”表示采樣結(jié)束。128個(gè)坐標(biāo)表示完成頻譜分析計(jì)算的結(jié)果。

圖8 輸入直流信號(hào)128點(diǎn)頻譜分析數(shù)據(jù)

對(duì)于AD采樣，可以看到128個(gè)十六進(jìn)制0XFF（相當(dāng)于十進(jìn)制255），將其換算成實(shí)際值，，與輸入5V直流接近，則采樣結(jié)果正確。對(duì)于坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以看到只有零頻率點(diǎn)幅值最大，其余頻率點(diǎn)的幅值相對(duì)于零頻可以忽略，說(shuō)明輸入信號(hào)只有直流成分。零頻點(diǎn)幅值為0X01F0（相當(dāng)于十進(jìn)制496），則實(shí)際值為，由于編程時(shí)考慮單片機(jī)不適合做浮點(diǎn)運(yùn)算，所以全部計(jì)算均采用定點(diǎn)，并且單片機(jī)使用的AD轉(zhuǎn)換器精度不足8位，這些都會(huì)造成精度損失。因此，實(shí)際計(jì)算值3.875V與輸入信號(hào)5V相比較，可以認(rèn)為結(jié)果是正確的，即驗(yàn)證了DFT算法的正確性。

5.2 輸入方波信號(hào)測(cè)試

由信號(hào)源輸入峰峰值9.0V、頻率10Hz方波信號(hào)，通過(guò)液晶屏顯示其幅度譜，如圖9所示。

圖9 方波信號(hào)頻譜圖

可以看到幅度譜約以64Hz對(duì)稱分布，因此，只要分析正頻率部分（0～64之間）即可。0Hz值時(shí)有幅度，則該信號(hào)有直流分量；如果將0～64幅度值用光滑的曲線連接起來(lái)，可以看到其包絡(luò)接近于，與周期方波幅度譜接近，說(shuō)明FFT變換是正確的。

通過(guò)單片機(jī)的串口將128點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)以及和頻譜幅度發(fā)送給計(jì)算機(jī)，同樣可以通過(guò)串口調(diào)試助手顯示出來(lái)。

對(duì)于AD采樣結(jié)果，由于只能對(duì)0～5V進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以輸入方波的負(fù)電壓則轉(zhuǎn)換為0，這就是上述結(jié)論出現(xiàn)直流分量的原因。根據(jù)采樣值可知，該信號(hào)為方波，且峰峰值為4.6V，與實(shí)際值4.5V接近，則采樣結(jié)果正確。

綜合以上分析可知，由于采用定點(diǎn)計(jì)算、AD轉(zhuǎn)換精度不足7位，造成精度損失，引起的誤差是可以接受的，證明了該假設(shè)矩形脈沖函數(shù)的擬合是成立的；通過(guò)交直流信號(hào)的幅度譜分析，根據(jù)絕對(duì)誤差的值，在精度要求不是很高的情況下，用該系統(tǒng)分析信號(hào)的幅度譜是可行的。

表1 數(shù)據(jù)分析

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題，以Atmega 128L芯片為控制核心，采用FFT算法。設(shè)計(jì)了一款電網(wǎng)擾動(dòng)信號(hào)頻譜分析儀，進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)，達(dá)到了較好的效果。該頻譜分析儀信號(hào)處理及時(shí)。功耗較低，性價(jià)比較高，能較好的運(yùn)用于電網(wǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)時(shí)擾動(dòng)信號(hào)的頻譜分析。由于在實(shí)際設(shè)計(jì)與制作中較為粗糙，所測(cè)結(jié)果與實(shí)際值存在一些誤差，這將是下一步要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

[1]李加升,戴瑜興,黃文清.電能質(zhì)量擾動(dòng)及其在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008,36(18):69-72

[2]高西全,丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理(第三版)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008,8.

[3]劉泉,江雪梅.信號(hào)與系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2006,2.

[4]郭剛,李釗,李建軍,等.基于Atmega 64L的128點(diǎn)實(shí)時(shí)FFT[J].無(wú)線電工程,2011,3:53-55.

[5]武曉春.實(shí)序列的FFT算法及應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2010,5:81-82.

[6]陳東云. Atmega128單片機(jī)原理與開發(fā)指導(dǎo)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[7]李加升,黃文清,戴瑜興.基于自定義閾值函數(shù)的小波去噪算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008,36(19):21-24

[8]張志涌,楊祖櫻,等.MATLAB R2010a教程[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2010,8.

Design of the disturbance signal spectrum analyzer

(Hunan City University, Yiyang Hunan 413000)

In view of the current power grid requires a lot of power quality signal spectrum analysis of the problems, this article is based on FFT algorithm, using the large capacity flash memory Atmega 128 l MCU, high-speed data processing ability and AD converter, LCD12864 LCD display, serial communication module, designed a grid disturbance signal spectrum analyzer, the results show that the analyzer, low power consumption, can be used in the power grid quality real time monitoring for frequency spectrum analysis.

spectrum analyzer; Atmega 128L single-chip microcomputer; FFT

（責(zé)任編輯：廖建勇）

TM935.21

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.06.018

1672–7304(2016)06–0040–04

熊潔（1979-），男，湖南益陽(yáng)人，講師，研究方向：電路與系統(tǒng)。