發(fā)布時間：2020-06-09 23:00

【摘要】：隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的加速建設(shè),越來越多的傳感節(jié)點被部署在感知層中,用以實現(xiàn)電能計量和電信號測量功能。傳統(tǒng)的實現(xiàn)方式有兩種,軟件方式和專用集成電路方式,各有利弊:軟件方式較靈活,但不能保證及時性和可靠性,功耗較大;專用集成電路雖然功耗較小,但不能滿足多種應(yīng)用需求。因此,本文提出一組精簡指令集,滿足電能計量和電信號測量中的基本運算和多速率運算需求,并提出三種DSP架構(gòu),分別為基礎(chǔ)DSP架構(gòu)、可配置DSP架構(gòu)和雙核DSP架構(gòu)。本文首先提出的基礎(chǔ)DSP架構(gòu),在設(shè)計上采用了哈佛結(jié)構(gòu)和二級流水線的實現(xiàn)方式。基于基礎(chǔ)DSP架構(gòu),提出了世界上第一個無需外部晶振的電能計量芯片中的數(shù)字集成電路設(shè)計及實現(xiàn)方法。通過減少晶振和減少通訊所需光耦的數(shù)量,大大降低了智能計量和智能監(jiān)測設(shè)備的生產(chǎn)成本。該芯片中數(shù)字集成電路的功耗也低于同類型商業(yè)芯片。其次,為滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用場景,本文在基礎(chǔ)DSP架構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了一個可配置DSP架構(gòu)。在不改變DSP程序的條件下,實現(xiàn)了DSP運算頻率、計量帶寬、數(shù)字濾波器響應(yīng)時間和穩(wěn)定時間可配置的效果�；诳膳渲肈SP架構(gòu),本文提出了一個具有靈活運算引擎的電能計量和測量芯片的數(shù)字集成電路設(shè)計及實現(xiàn)方法。靈活運算引擎根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境調(diào)整運算任務(wù),以降低DSP運行功耗。通過程序復(fù)用,可選擇計算基波有功功率、基波無功功率或基波有效值。同時,該芯片也根據(jù)IEC-61000-4-30的電網(wǎng)監(jiān)測需求,集成了基于1/2基波周期有效值和10或12基波周期有效值的測量單元,可測量電壓幅值、電壓驟升和驟降、電壓中斷和電壓瞬變這些事件。最后,為了提高該DSP架構(gòu)的運算能力,本文提出了一個用于電能計量和電信號測量的雙核DSP架構(gòu),并集成在了一個電能計量和電信號測量的SoC中。該DSP架構(gòu)集成了快速運算核和慢速運算核,根據(jù)運算任務(wù)需求,可選擇關(guān)閉慢速運算核或降低慢速運算核的運行頻率,以降低DSP運行功耗。在該SoC中,DSP不僅可讀取存儲在ROM中的固定程序,也可以通過AHB-lite總線,讀取存儲在SoC中FLASH或SRAM的程序,實現(xiàn)了DSP的軟件可編程。此外,本文提出了一種基于波形數(shù)據(jù)的快速檢測算法,用于檢測過流、過壓、欠流和欠壓事件。通過調(diào)整檢測閾值、采樣點數(shù)和檢測周期以調(diào)節(jié)檢測靈敏度。應(yīng)用這三種DSP架構(gòu)的電能計量和電信號測量芯片和SoC已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化并量產(chǎn)。
【圖文】：

量計量方法�；芰坑嬃渴侵粚ㄐ盘柈a(chǎn)生的能量進行計量；而直流能量計逡逑量則對直流能量進行計量，其應(yīng)用于新能源用電的場景。電能計量算法的結(jié)構(gòu)如逡逑圖２．１￣２．４所示。逡逑原始電壓波逡逑ｕ（ｔ）邐￣邐｜邋形數(shù)據(jù)逡逑邐？傳感器Ｓ－ＡＡＤＣ邐—？邐ＣＩＣ邐—？邐ＨＢＦ邋邐？逡逑原始電流波逡逑ｉ（ｔ）邐｜邋形數(shù)據(jù)逡逑邐？傳感器－？邋Ｉ－Ａ邋ＡＤＣ邐—？邐ＣＩＣ邐—？邐ＨＢＦ邋邐？逡逑圖２－１電能計量算法－信號采集逡逑在圖２．１中，電壓信號和電流信號通過芯片外的傳感器轉(zhuǎn)換為能被ＡＤＣ采集逡逑的電壓信號。通過ＡＤＣ轉(zhuǎn)換為Ｉｂｉｔ的數(shù)據(jù)碼流，通過級聯(lián)積分－梳狀濾波器逡逑（Ｃａｓｃａｄｅｄ邋ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ－ｃｏｍｂ邋ｆｉｌｔｅｒ，ＣＩＣ）濾波器和半帶濾波器（Ｈａｌｆ－ｂａｎｄ邋ｆｉｌｔｅｒ，逡逑ＨＢＦ）濾除高頻噪聲。ＣＩＣ的降采樣率和ＨＢＦ的數(shù)目可調(diào)節(jié)計量帶寬，通過這兩逡逑個濾波器的信號可得到原始電壓波形數(shù)據(jù)和原始電流波形數(shù)據(jù)。逡逑ＩＩ逡逑

／／（＃）和分別為ＣＩＣ濾波器和ＩＳＯＰ補償濾波器的傳遞函數(shù)。當(dāng)該ＣＩＣ逡逑濾波器的采樣頻率為８１９．２ｋＨｚ，降采樣率為１２８時，ｃ設(shè)定為９．７５，，邋Ｉ為１。在本逡逑文的計量算法中，ＣＩＣ濾波器和ＣＩＣ＆１ＳＯＰ濾波器的幅頻響應(yīng)如圖２．６？２．７所示。逡逑Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ邋ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ｏｆＣＩＣ邋ａｎｄ邋Ｃ１Ｃ＆ＩＳ０Ｐ邋ｆｉｌｌｅｒ逡逑￣邐Ｔ邋￣ｊ逡逑Ｎｓ邐１邋（：ＩＣＶ｜ＳＵＰ［逡逑ｈ邋：逡逑－１５０邐｜逡逑－２００邐ｆ逡逑０邐１邐２邐３邐４邐５邐６邐７邐８邐９邐ｉ（）逡逑Ｆｒｃｑｕｃｎｃｙ（邋Ｉ邋Ｆｚ）邐ｘ邋｜0４逡逑圖２－６Ｃ１Ｃ和ＣＩＣ＆ＩＳＯＰ濾波器－幅頻響應(yīng)逡逑１５逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM764;TN911.72

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本文編號：2705382