隨著數(shù)字電路和數(shù)字信號處理技術的不斷發(fā)展，新的微處理器和算法不斷涌現(xiàn)。據(jù)此研制了基于雙微處理器的發(fā)電機轉子交流阻抗測試儀。該測試儀采用了MCU+DSP的雙微處理器系統(tǒng)為硬件平臺，充分發(fā)揮了數(shù)字信號處理器計算能力強和單片機控制功能強的優(yōu)勢。軟件設計中，經(jīng)過大量仿真實驗研究，采用了加窗插值FFT算法，使得測試儀的整體精度，尤其是相位的計算精度得到了提高。
1 系統(tǒng)硬件結構

1．1概述

    本儀器的硬件核心是單片機（AT89C52）和浮點數(shù)字信號處理芯片（TMS320C32），再加上一些外圍芯片后構成了一個雙微處理器的測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機完成鍵盤控制、液晶顯示、打印和數(shù)據(jù)存儲等功能；由數(shù)字信號處理器實現(xiàn)信號采集和數(shù)據(jù)處理功能，兩個處理器通過一片雙口RAM交換信息，使用一片可編程邏輯芯片完成整個系統(tǒng)的邏輯操作。整個系統(tǒng)包括輸入模塊、系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、存儲模塊、顯示模塊、打印模塊和通訊模塊。系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。由于DSP具有強大的計算功能，而使用單片機進行控制又比較簡單、方便，因此，這種雙微處理器系統(tǒng)的設計不僅充分發(fā)揮了DSP和單片機的優(yōu)勢，而且結構清晰、獨立，易于開發(fā)和調(diào)試。

1．2 各模塊功能介紹

（1）輸入模塊：包括傳感器和信號調(diào)理電路兩部分。

（2）系統(tǒng)模塊：以單片機（AT89C52）為核心，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制，包括讀取數(shù)據(jù)、鍵盤管理、控制顯示、打印、存儲和通訊等功能。

（3）數(shù)據(jù)采集和處理模塊：以數(shù)字信號處理器（TMS320C32）為核心，進行數(shù)據(jù)采集、自動量程變換控制、數(shù)據(jù)處理以及給單片機發(fā)送結果數(shù)據(jù)。

（4）存儲模塊：由串行E 2 ROM（ATMEL24C64）構成。用于存儲該次的測量結果。

（5）顯示模塊：使用MSP-G240128DYSY-1W型液晶顯示器完成系統(tǒng)顯示功能。

（6）打印模塊：使用通用的TpuP-A微型面板式打印機完成系統(tǒng)輸出打印功能。

（7）通訊模塊：提供工業(yè)用的RS232串行通訊接口，可實現(xiàn)上位機與下位機的串行通信。

 2 測量原理與算法分析

2．1 測量原理

    本測試儀通過測量發(fā)電機轉子的阻抗和功率損耗來判斷匝間短路故障是否發(fā)生。直接測量的量是電壓和電流信號，通過獲取的電壓和電流信號來計算功率損耗、交流阻抗、電阻和電抗等參數(shù)?；緶y量公式如下：

    其中，u（n）和i（n）分別為第n點的電壓和電流采樣值，N為采樣點數(shù)，φ為電壓和電流的相位差。2．2 算法分析

    在實際采樣過程中，由于電網(wǎng)頻率的波動，其基波頻率不能*準確地獲得，因而采樣通常是在非同步情況下進行的。在非同步采樣下，傳統(tǒng)的FFT存在泄漏效應和柵欄效應，使得算出的頻率、幅值和相位誤差較大。為了減小非同步采樣對FFT的影響，提高測量精度，本設計采用基于Blackman-Harris窗的插值算法。參考文獻[2]、[3]對這一算法進行了詳細的推導。

設一采樣信號的序列x（n）為：

式中，fm為信號頻率，Δt為采樣間隔。

x（n）的傅里葉變換表達式為：

由于電網(wǎng)電壓的基頻變化范圍一般為49．5Hz～50．5Hz，并且在本設計中，每次測量采樣16個周期，每周期采樣128個點，故N＝128×16=2048。因此，式（2）中DFT的頻率分辨率為：

Δf=1/（Δt·n）=1/[（0.02/128）·2048]=3.125Hz

x（n）經(jīng)過加Blackman-Harris窗后，其DFT表達式可以表示為狄利克來核的代數(shù)和：

式中，a0=0.35875,a1=0.48829,a2=0.14128,a3=0.01168。

如果采樣頻率不是fm的整數(shù)倍，在頻譜中就會產(chǎn)生柵欄效應，即實際信號的各次諧波分量并未正好落在頻率分辨點上，而是落在某兩個頻率分辨點之間。假設fm在lΔf和（l+1） Δf之間，l為整數(shù)，即：

fm=（1+λ） Δf 0≤λ＜1     （4）

在本設計中，由于只需求得電壓和電流的基波分量，因此：l=fm/Δf=50/3.125=16。

這樣，│X（l）│和│X（l+1）│中必有一峰值點。當λ＜0.5時，│X（l）│達到zui大值；當λ＞0.5時，│X（l+1）│為zui大值。

由（2）式可以得到：
令θ=l+n，并將（4）式代入，可得：

X（l+n）=AmD（n—λ）     （6）

x（n）加Blackman-Harris窗后的頻譜在整數(shù)采樣點的數(shù)值為：
設定系數(shù)

由于在測量采樣時，采樣點數(shù)N取得較大（N=2048），而且λ＜1，因此可以作近似≈1。這樣可求得如下方程。

a=—（2λ6—12λ5—941λ4+3844λ3+35041λ2—77802λ

—390632）（λ+3）/[（2λ6—971λ4+40837λ2—430500）（λ—4）]   （9）

已知a時，由上式將位于[0,1]區(qū)間內(nèi)的解λ解出后，代入式（4），可求出準確的頻率fm，再由式（7）可求出復振幅[2]為：

Am（l）=Xmw（l）/{0.35875×D（－λ） －0.5×0.48829×

[D（－1－λ）+D（1－λ）]+0.5×0.14128×[D（－2－λ）+D（2－λ）] －0.5×0.01168[D（－3－λ）+D（3－λ）]}     （10）

│Am（l）│即為振幅值，相位計算公式為：

ψm（l）=arctan[Im（Am（l）]/[Re（Am（l）]    （11）

由式（11）即可分別求出電壓和電流基波的相位，從而求出電壓和電流的相位差。將相位差帶入電阻和電抗的計算公式中，即可求得電阻和電抗的值

   本實驗的實驗設備包括：CF-500A型單向交流功率源、Agilent 34401A型6位半數(shù)字萬用表、VC980型四位半數(shù)字萬用表。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 實驗數(shù)據(jù)

由表1可知，電壓和電流有效值的zui大引用誤差分別為：

根據(jù)國家標準GB776-76《測量指示儀表通用技術條件》的規(guī)定，本儀器測量電壓有效值的準確度等級為0．1級，測量電流有效值的準確度等級為0．2級。

由表1可知，阻抗和電阻的zui大相對誤差分別為：

本儀器采用計算和控制功能強大、易于開發(fā)的MCU+DSP的硬件方案組建了硬件平臺；采用加窗插值FFT算法，即加Blackman-Harris窗的插值算法，有效地抑制了FFT存在的泄漏效應和柵欄效應，提高了測試的精度，尤其是相位的測量精度。實驗室和現(xiàn)場測試表明，本儀器具有測量結果準確度高、運行可靠的特點。