可用于检测单相或三相交流供电系统的电能质量检测分析平台

二、需求分析

2.1 功能要求

测试平台要完成功能的主要要求有：对电压和电流通道信号进行高速采集，设计各种数据电参量计算的算法和统计算法，开发可灵活组织的人机界面程序，系统具有大吞吐量的数据传输方式。配备PC机端软件，数据通过以太网口或USB接口与PC机端软件进行通信，PC机软件可以进行数据的读取、处理、存储、显示等操作。

本设计的检测系统用于单相或三相交流供电系统，适用于低压220/380V系统，也可以经由电压互感器检测高压系统，电流信号输入为0-5A，直接测量或经由电流互感器接入。电能质量检测装置主要由信号调理模块、PIC32采集处理模块和 PC机软件模块这三大模块构成。系统的整体架构见图1。

图1 系统架构

2.2 性能要求

性能方面要求：三相电压，三相电流输入，采样速率每周波128点，100M以太网或/和全速USB接口等。

2.3 可扩展性

此设计完成后，可以进一步开发不同的功能，完成诸如谐波测试分析，闪变测试，无功功率补偿测试等各项电能质量的测试，开发出具有特点和竞争力的产品，具有较大的实用意义，与工业实际结合起来，实用性强。

2.4 方案设计

电能质量检测装置要完成的任务种类繁多。首先要实现对现场的电能参数进行实时采集，然后要对采集数据进行快速处理，最后还要对处理参数进行统计和存储，同时要完成与用户的通讯等多个任务。这就要求我们所设计的系统不仅具有高速的处理能力，还要具备实时任务调度能力，当然最主要的还要考虑到设备的成本问题。目前已经出现过多种电能质量检测装置的设计方案，如（1）基于采集卡+工控机的设计实现方式，（2）基于单片机的设计实现方式，（3）基于DSP 的设计实现方式。

采用上述方案都存在一些问题，基于采集卡+工控机的设计实现方式，设备成本偏高、体积大、灵活性不够，不适宜大量定点安放在各检测现场；基于单片机的设计实现方式，数据处理能力不够强大，内存资源不够丰富，实现大量的数据计算和交换比较困难；基于DSP 的设计实现方式，成本高，一般适用于数据处理运算量比较大，实时性要求高而对控制和通信能力要求相对较低的检测系统。另外还有一些组合方案，如基于单片机+DSP的设计实现方式，基于MCU+CPLD的设计实现方式，但系统复杂，开发困难，成本较高。

本项目采用基于带5级流水线的32位MIPS内核的高性能RISC处理器 PIC32进行开发，速度高，最高80 MHz的频率，带有单周期乘法单元和高性能除法单元，很好的整合了单片机和DSP的功能，构成一功能强大的32位DSC(数字处理控制器)，特别适合于控制、处理双密集型的场合，且该类处理器资源丰富、片内外设功能强大，足够满足常用控制场合。采用该设计方案，在满足处理大运算量实时任务要求的同时，系统的设计成本也相对较低。

PIC32系列单片机是Microchip Technology Inc．(美国微芯科技公司)推出的高性能32位单片机，它是以MIPS32架构为基础设计的。目前推出的PIC32MX3XX分支为通用型，PIC32MX4XX分支带有USB功能，PIC32MX5XX分支带有USB和CAN功能，PIC32MX6XX分支带有USB和Ethernet功能，PICMX7XX分支则带有USB、CAN和Ethernet功能。PIC32系列单片机采用哈佛结构，带有5级流水线，工作频率最高80 MHz；具有高效指令架构、高性能硬件乘法器/累加器及多至8组32个内核寄存器，可实现1.56 DMIPS/MHz的运行速度。此外，PIC32系统具有指令和ROM数据预取缓冲器的64字节高速缓存，128位宽的闪存，可缩短单个指令的取指时间，支持MIPSl6e 16位指令集构架，可最多减少40％的代码。

PIC32系列单片机包括了闪存范围从32KB到512KB的可扩展器件，片上RAM从8KB到128KB，引脚与64/100引脚的16位单片机PIC24FJ-XXXGA系列兼容，新推出的PIC32MX5XX/6XX/7XX提供XBGA的封装。另外，PIC32系列单片机带有丰富的外设资源——5个定时器、16路通道的10位A/D转换器及通信接口，即SPI、I2C、UART和PMP，同时PIC32还有集成的CRC计算功能和基于模式的传输终端选择功能的DMA控制器。此外，PIC32MX5/6/7系列包括10/100 Mbps以太网、CAN2.0b控制器、USB主设备/从设备和OTG功能。