基于DSP的软件锁相环的实现
基于DSP的软件锁相环
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一种基于DSP的软件锁相环模型与实现随着大规模集成电路及高速数字信号处理器的发展,通信领域的信号处理越来越多地在数字域付诸实现。
软件锁相技术是随着软件无线电的发展和高速DSP的出现而开展起来的一个研究课题。
在软件无线电接收机中采用的锁相技术是基于数字信号处理技术在DSP等通用可编程器件上的实现形式,由于这一类型锁相环的功能主要通过软件编程实现,因此可将其称为软件锁相环(software PLL)[1]。
尽管软件锁相环采用的基本算法思想与模拟锁相环和数字锁相环相比并没有太大变化,然而其实现方式却完全不同。
本文将建立软件锁相环的Z 域模型,分析软件锁相环中的延时估计、捕获速度及多速率条件下的软件锁相环模型问题[1]。
1软件锁相环的基本模型在模拟锁相环的基础上,利用数字、模拟系统彼此之间的联系,以二阶二型锁相环为例建立软件锁相环的Z 域模型。
文献[2]详细给出了锁相环的基本模型和原理。
如果将锁相环的基本部件采用软件编程的形式实现,就可以得到软件锁相环的基本组成,如图1所示。
首先从模拟锁相环的S域模型出发得到软件锁相环的Z 域模型(二阶二型模拟锁相环的S 域模型请参阅文献[2])。
由于双线性变换是联系模拟系统与数字系统的一个重要方法,具有转换简单且表达式清晰明了的特点[3],因此本文选择双线性变换法作为模拟锁相环与软件锁相环之间的转换基础。
式(1)是双线性变换法的复频域表达式:其中:T是联系数字系统与模拟系统的采样时间间隔,1/T表示采样频率。
根据该转换关系,对S域模型各部分对应的数字复频域表达式进行转换,可以得到如图2所示的复频域模型。
在实际应用中,二阶线性系统常采用阻尼因子ξ、无阻尼振荡频率ωn描述。
在二阶二型锁相环中,τ1,τ2 ,K 与ξ,ωn之间的对应关系如下:在式(1)和式(2)的基础上对图2进行等效变换,可以得到软件锁相环的另一个线性相位Z域模型,如图3所示。
在模型Ⅰ中,参数τ1,τ2和K与实现电路功能的电阻、电容、压控振荡器密切相关。
基于DSP的逆变电源锁相环的设计与研究
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文章编 号 :0 93 6 (0 7 0 —0 80 10 —6 4 2 0 )60 4 —3
冀 辩钠舞赞
基 于 DS P的逆 变 电 源锁 相 环 的设 计 与研 究
龚 益 民 , 小 惠 臧 ( 州 大 学城 轻工 学 院 , 州 23 6 ) 常 常 1 14 摘 要 :采 用基 于 D P的 数 字 锁 相 环 ( P ) 高频 逆 变 电 源输 出频 率 的 实 时控 制 , 实现 逆 变 器 工作 频 率 对 负载 谐 S D I 对 L 可 振频 率的同步跟踪 , 确保逆 变器开关 器件工作在零 电压 电流软 开关( VZ S 状 态, 著减小功 率器件 的开关损 耗和提 高 Z C) 显 装置 效率 。文 中在 给 出 D P控 制 的逆 变 电源 拓 扑 结 构 基 础 上 , 出 了适 用 于 高频 逆 变 电源 的锁 相 环 数 学 模 型 , Z域 中 S 推 在 对二 阶 数 字锁 相 环进 行 了稳 定性 分析 和 动 态设 计 。在 对 锁 相 环 Z域 传 递 函数 分 析 的 基 础 上 , 出二 阶 数 字 锁 相 环 的 稳 定 得 条件 , 给 出数 字锁 相 环 的软 件 实现 , 并 最后 进 行 了 实验 验 证 。 实验 结 果表 明在 Z域 中对 基 于 D P 的二 阶数 字 锁 相 环 的动 S 态分 析 和 设 计 是 合 理 可行 的 。 用此 方 法设 计 的 电源 具 有 良好 的 动 态 响 应 和抗 扰 性 能 。
Ab t a t sr c :Th g t l a e L c e o ( II) e h o o y b s d o g t l i n l o e s r( P)i a p id t e Di i a Ph s — o k d Lo p DP t c n l g a e n aDiia S g a c s o DS Pr s p l O e c n r l h p r t g f e u n y o n H ih Fr q e c — n e t r( o to e o e a i r q e c fa g — e u n y I v re HF— I v re )smu tn o sy O a o a a t v r t s o t n n e t r i la e u l ,S s t d p a i i f e e t e l a e o a tfe u n y t e p t e iv re l y r i g o VZ S ( e o Vo a c Z r re tS th n )mo e h o d r s n n r q e c O k e h n e t ra wa s wo k n n Z C Z r h g  ̄ e o Cu r n wic i g d. Att eme n i 。t e l s e f s th n o o e t r e u e b iu l n h fiin y o h o r i i r v d h a wh l e h o s s o wi i g c mp n n s a e r d c d o v o sy a d t e efce c f t e p we S mp o e c g e ty o r a l n ZVZ d .I h s p p r h o o o y o CS mo e n t i a e ,t e t p l g f HF— I v r e a e n DS sp e e td.a d PI Sma h ma i n e t rb s d o P i r s n e n ’ t e t I c mo e Ss tu ,wh c ss i b e f r HF— I v re .Th t b l y o e o d o d rDPI i n l z d,a d t e d n mi d — d l e p i ih i u t l o a n etr e sa i t fs c n r e i s a ay e I n h y a c e sg sc n i e e sn h in i o sd r d u i g t eZ— ta so m e h i u .At h a eo n lz n h r n f r tc n q e e b s fa ay i g t e Z— ta se u c i n o t r n f rf n to fDPI t es a i … I h tbl — i o d to fs c n r e t c n i n o e o d o d rDPL s p e e t d Th o t r ft e DP i i e y i L i rsn e . e s fwa e o h LI sg v n,a d t e c r e p n i g e p r n s n h o r s o d n x e i me ti d n i a l. Th e u t fe p rme t h w h tt e d n mi a ay i a d d sg fs c n r e ) r e s n b e o efn l y e r s ls o x e i n s s o t a h y a c n l ss n e in o e o d o d r IPI a e r a o a l I
DSP逆变电源并联系统锁相环设计
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DSP逆变电源并联系统锁相环设计摘要:提出了一种基于DSP的消除SPWM全桥逆变器直流偏磁问题的控制方案,采用TI公司的DSP芯片TMS320F240来实现。
在一台400Hz6kW样机上进行了实验,实验结果表明该方案能较好地解决全桥逆变器中的直流偏磁问题。
本文引用地址:/article/264220.htm关键词:全桥逆变器;直流偏磁;正弦波脉宽调制1引言近年来,SPWM逆变器已经在许多交流电能调节系统中得到广泛应用,相对于半桥而言,全桥逆变器的开关电流减小了一半,因而更适合于大功率场合。
在SPWM全桥逆变器中,为实现输入输出之间的电气隔离和得到合适的输出电压幅值,一般在输出端接有基频交流变压器。
而在输出变压器中,由于各种原因引起的直流偏磁问题致使铁心饱和,从而加大了变压器的损耗,降低了效率,甚至会引起逆变器颠覆,严重影响了SPWM全桥逆变器的正常运行,必须采取措施加以解决。
随着高频开关器件的发展,模拟瞬时值反馈控制使SPWM逆变器获得了优良的动态响应特性和较小的谐波畸变率。
但模拟控制存在着分散性大、温度漂移及器件老化等不利因素,因而给设备调试及维护造成许多困难。
数字控制克服了模拟控制的上述缺点,并具有硬件简单、调试方便、可靠性高的优势,因而引起了高度的重视。
本文在对SPWM全桥逆变器中输出变压器直流偏磁机理分析的基础上,提出了一种数字PI控制方案,通过采样输出变压器原方电流来调整触发脉冲宽度。
该方案利用DSP芯片TMS320F240在一台全数字化6kW、400Hz中频逆变电源上得以实现,实验结果表明所提出的方案较好地抑制了输出变压器的直流偏磁。
2直流偏磁DSP控制的SPWM全桥逆变器如图1所示。
直流偏磁是指由于输出变压器原边电压正负波形不对称,引起变压器铁心工作磁滞回线中心点偏离零点,从而造成磁工作状态不对称的现象。
变压器工作时,磁感应强度B的变化率为B=dt(1)励磁电流Iμ的变化率为Iμ=dt(2)图1DSP控制的SPWM全桥逆变器图2无直流偏磁时波形图(a)SPWM波形(b)磁感应强度B(a)SPWM波形(b)磁感应强度B图3有正直流偏磁时波形图式中:U1——变压器原边电压;N1——变压器原边绕组匝数;Ae——变压器铁心截面积;Lo——变压器铁心磁路长度;μ0——空气磁导率;μr——变压器铁心相对磁导率。
基于DSP2812的全新数字锁相环
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() 系统发热量降低 , 3 安全性提高 , 维护工作量减少 ; () 完善制动效果 , 4 适应快 速制动和频繁 制动 的工
程需求【【。 5l 】 6
进 行 比较 , 得到误 差相位 ( 由误 差相位 产生误 差 电 f ),
压 (), 差 电压在 经过 F( ) f 误 P 的过滤后得 到控制 电压
频率上【。
() 制动产生 的能量 得到 回收 利用 , 2 系统的效率大
大提 高 , 与此 同时 , 电网 品质不受 影响 ;
4 锁 相 环 的 数 学 模 型
锁 相环 是 一个 相 位负 反 馈 的误差 控 制 系统 。 如 图 3所示 , 系统 的输入 相 位 O() 1f 与反 馈 的输 出相位 0 () ,,
所 示 。传 统 的直 流母 线之 间接 通一 个 能耗 电阻来 释放 能量 的方 法 , 虽然 可 以在一 定程 度上 消耗 产 生的 能量 , 但如果 电动机 制动频 繁或 长期带位 势负载 运行 , 能量 则 浪费严 重 ; 而且 由于 电阻发热 , 环境 温度升 高 , 影响系统 的可靠 性 。采用 能量 回馈控 制系统 可 以解 决上述 问题 ,
滤波器 滤除高 频分量后 , 得到 的平均值 电压 即图 中所 所 示控制 电压朝着 减小 VC 输 出频 率和输入 频率之 差的 O 方 向变 化 , 直至 VC0 输 出频 率和 输入信 号频率 获得一 致 。此 时两个 信号 的频 率相 同 , 位差保 持恒定 的状态 相
即称 作 相位锁 定 。 当锁相 环入 锁 时 , 还具有 “ 它 捕捉 ”
即与 电网同 步 , 则会 对 电 网造 成污 染 , 响 电网正 常 否 影
实 现高 精 度 锁相 控 制 的方 法 , 给 出 了实验 板 的 仿真 并
基于DSP的软件锁相环的实现
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基于DSP的软件锁相环的实现点击数:140洪君,黄沃林,罗剑(广州骏发电气有限公司,广东广州511400)摘要针对传统锁相环存在硬件电路复杂、易受外界环境干扰及锁相精度不高等问题,介绍了一种基于数字处理器TMS320F2812 实现对电网电压软件锁相功能的设计方案,并给出了过零检测电路和部分软件设计流程图。
通过实验证明,软件锁相环能够对基波及一定频率范围内的谐波电压实现准确的相位锁定,由于软件锁相环功能主要由DSP完成,简化了硬件电路,具有更强的抗干扰能力和实际应用效果。
关键字软件锁相环;过零检测;相位捕捉AbstractKeywords0 引言准确获取电网基波及谐波电压的相位角,在变频器、有源滤波器等电力电子装置中具有重要的意义,通常需要采用锁相环得以实现。
传统锁相环电路一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器组成,其工作原理是通过鉴相器将电网电压和控制系统内部同步信号的相位差转变成电压信号,经环路滤波器滤波后控制压控振荡器,从而改变系统内部同步信号的频率和相位,使之与电网电压一致。
传统锁相环存在硬件电路复杂、易受环境干扰及锁相精度不高等问题,随着大规模集成电路及数字信号处理器的发展,通过采用高速DSP 等可编程器件,将锁相环的主要功能通过软件编程来实现。
本文设计的锁相环控制系统采用数字处理器TMS320F2812 芯片实现对电网基波及特定次谐波电压相位的跟踪和锁定。
1 软件锁相环的设计方案1.1 工作流程基于DSP的软件锁相环设计此方案的基本思路是通过采样电压过零点获取同步信号,采用DSP 内部定时器的循环计数产生同步信号来实现压控振荡器和分频器的功能,即通过改变定时器的周期或最大循环计数值的方法来改变同步信号的频率和相位,同时对电压进行A/D 转换及数据处理,得出基波及谐波电压的相位与频率,调整SPWM 正弦表格指针地址完成对基波及谐波电压的锁相功能,其工作流程如图1 所示。
通常,过零信号可以通过检测电网三相电压中任一相的过零点获取。
最新-基于定点DSP的软件锁相环的设计和实现 精品
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基于定点DSP的软件锁相环的设计和实现摘要软件锁相环是软件接收机中执行载波恢复功能的关键部分。
提出了一种48位定点扩展精度的算法,可以有效地实现软件锁相环。
与浮点算法比较,能极大地降低的运算量,降低功耗,同时保证动态范围运算精度。
关键词低轨道卫星软件接收机软件锁相环定点扩展精度算法低轨小卫星通信是近年来卫星通信应用中一个方兴未艾的重要领域,"创新一号"小卫星是我国研制的具有完全自主知识产权的存储与转发通信小卫星,手持终端是专门为这颗小卫星研制的低功耗地面手持通信终端,支持调制数据速率达76.8的窄带信道。
基于公司的低功耗16位定点数字信号处理器3205510最高运算能力为200,完全用软件实现低中频数字接收机,其中包括执行载波恢复功能的软件锁相环--。
在用浮点算法实现软件锁相环时,由于3205510是一个定点处理器;没有浮点处理单元,只能用编译器产生模拟浮点运算的指令,运算量需要67.2,效率很低,因此需要一种能在3205510上执行的定点算法,有效地降低运算量。
本文提出了一种48位定点扩展精度算法实现,提高了效率,减少了运算量,同时保证了环路计算的精度和动态范围。
范文先生网收集整理1软件锁相环1.1软件锁相环的结构图1表示软件数字接收机中的解调器。
它包括由改进的环路构成的载波跟踪环路。
采样后的中频信号经过数字混频,滤掉高频分量,通过改进的环路产生控制信号,控制数控振荡器得到新的本振参考信号。
其中的相位检测器和环路滤波器结构如图2所示。
1.2软件锁相环的设计由图2可见,的计算由计算相位误差和更新环路中间变量、输出控制信号两部分组成。
算法描述可用伪码白表示中断发生{读取基带数据_=_=计算相相位误差=_×_**×_更新环路中间变量__=2×+_-1输出控制信号ΔΔ=1×+_设置载波频率=Δ+0***}注**_是归一化因子,由_和_和初始值决定***0是固定的中心频率算法描述中的中断周期就是环呼采样时间间隔。
dspPLL
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基于DSP Builder的带宽自适应全数字锁相环的设计与实现时间:2010-10-14 07:52:46 来源:现代电子技术作者:李勇朱立军单长虹传统的数字锁相环设计在结构上希望通过采用具有低通特性的环路滤波,从而获得稳定的振荡控制数据。
但是,在基于数字逻辑电路设计的数字锁相环系统中,利用逻辑算法实现低通滤波是比较困难的。
于是,出现了一些脉冲序列低通滤波计数电路,其中最为常见的是“N先于M”环路滤波器。
这些电路通过对鉴相模块产生的相位误差脉冲进行计数运算,获得可控振荡器模块的振荡控制参数。
脉冲序列低通滤波计数方法是一个比较复杂的非线性处理过程,难以进行线性近似,所以无法采用系统传递函数分析方法确定锁相环中的设计参数,以及进一步分析锁相性能。
在设计方法上多采用VHDL 语言或者Verilog HDL语言编程完成系统设计,并利用EDA软件对系统进行时序仿真,以验证设计的正确性。
该种设计方法就要求设计者对FPGA硬件有一定的了解,并且具有扎实的硬件描述语言编程基础。
本文采用一种基于比例积分(PI)控制算法的环路滤波器应用于带宽自适应的全数字锁相环,建立了该锁相环的数学模型,并分析该锁相环的各项性能指标和设计参数之间的关系。
利用DSP Builder直接对得到的锁相环数学模型在Matlab/Simulink环境下进行系统级的建模,并进行计算机仿真,同时将建立的模型文件转换成VHDL程序代码,在QuartusⅡ软件中进行仿真验证,并用FPGA予以实现。
1 带宽自适应全数字锁相环的理论分析1.1 基于PI控制的模拟锁相环的理论分析锁相回路是一个负反馈系统,主要由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三个部分组成。
鉴相器的作用是计算输入信号和输出信号的之间的相位误差。
环路滤波器的主要作用是抑制噪声及高频分量,并且控制着环路相位校正的速度与精度。
为了能够提高锁相系统的性能,本文采用基于PI控制算法的一阶低通滤波器,即将鉴相模块鉴别出的相位误差大小乘以一定的比例系数而产生一个比例控制参数,同时对相位误差大小进行积分,并在积分系数的调节下产生一个积分控制参数,最终取比例和积分控制参数的和作为该环节的控制参数。
基于 DSP 的高动态锁相环的实现
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基于 DSP 的高动态锁相环的实现唐丽婵;陆宇;汤雪华【摘要】文中介绍了常见锁相环的基本结构,分析了相位检测器、环路滤波器和压控振荡器的执行情况。
PLL 环路滤波器的系统函数表明,环路滤波器的性能基本上决定了锁相环的质量。
侧重于环路滤波器的设计,结合锁相在高动态GPS 接收机环路中的应用,提出了在高动态环境中,一种两相锁频环辅助三相锁相环数字滤波器的细节。
模拟结果表明,该锁相环的性能比普通 PLL 已大大改善,并完全符合高动态信号跟踪的要求。
%This paper introduces the basic structure of common phase-locked loop,and analyzes implementation of phase detector,loop filter and VCO.System function of PLL loop filter shows that the performance of loop filter basically determines the quality of phase-locked loop.Focusing on the loop filter design,combined with application of PLL in loop of high-dynamic GPS receiver,details of a digital filter in highly dynamic environment with two-phase frequency locked loop aiding a three-phase phase-locked loop are presented.The simulation results show that the proposed PLL has much better performance than common PLL,and is in full compliance with the requirements of high dynamic signal tracking.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2015(032)002【总页数】3页(P66-68)【关键词】锁相环;滤波器;DSP;高动态【作者】唐丽婵;陆宇;汤雪华【作者单位】上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海 200070;上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海 200070;上海电气集团股份有限公司中央研究院,上海 200070【正文语种】中文【中图分类】TM461随着载波跟踪特性逐渐优良,锁相环已被广泛应用在无线电技术的各个领域。
基于DSP的软件锁相环的实现
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基于DSP的软件锁相环的实现软件锁相环(Software-Defined Phase-Locked Loop,简称软件锁相环,简写为SDPLL)是一种基于数字信号处理(Digital Signal Processing,简称DSP)的锁相环控制算法。
它通过使用数字信号处理器来执行各种计算和调整,实现了锁相环的全部功能。
锁相环(Phase-Locked Loop,简称PLL)是一种闭环控制系统,用于将输入信号的频率和相位与参考信号保持同步。
传统的锁相环通常使用模拟电路来实现,而软件锁相环则通过数字信号处理器中的算法和计算来实现。
软件锁相环的实现步骤如下:1.采样输入信号:软件锁相环首先需要采样输入信号,通常使用高速模数转换器(ADC)将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。
2.数字信号处理:采样得到的数字信号经过数字信号处理器进行各种运算和处理。
首先,对信号进行滤波,以去除不需要的频率成分。
然后,进行频率和相位的测量。
这可以通过计算信号的快速傅里叶变换(FFT)来实现。
另外,还可以使用相关函数或自相关函数来测量相位。
3.锁相环控制:基于测量得到的频率和相位信息,软件锁相环通过控制数字信号处理器内部的参数来调整输出信号的频率和相位,使其与参考信号同步。
控制算法通常包括PID控制等经典控制方法,以及其他更复杂的先进算法,如模糊逻辑控制、神经网络控制等。
4.输出信号生成:根据锁相环控制算法的计算结果,软件锁相环生成调整后的输出信号。
通常,使用数字信号处理器内部的数字频率合成器(NCO)来生成所需的频率和相位。
软件锁相环具有以下优点:1.灵活性:软件锁相环可以根据不同的需求进行定制,可以实现更复杂和灵活的控制算法,适应不同的应用场景。
2.可编程性:软件锁相环的算法和参数可以通过编程进行调整和改变,不需要修改硬件电路,提高了系统的可调性和可维护性。
3.数字精度:软件锁相环的计算和控制都是基于数字信号处理器进行的,具有很高的计算精度和稳定性。
单相锁相环基于DSP的数字实现
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借 鉴 三相 电 网系统 锁 相 环 的软 件 实 现 方法 ,
推 导 单 相 系统 锁 相 环 的 数 字 实 现 方法 。 1. 模 拟锁 相 环 的原 理介 绍 1 如 图l 示为 锁相环( 所 PLL : Phas e L c e Lo p) 基本 结 构 , ok d o 的 由鉴相 器 ( PD: P a e De e t r 、 通 滤 波 器 ( F: o h s tco )低 L L w F le ) 压控 晶体 振 荡 器 ( it r和 VCO: la - Vo tge C nrl d siao) 成 。 o t ol O c lt r组 e l 鉴相 器 计算 输 入信 号 x t 与锁 相 环输 出信 号 y t之 间 的相 () () 位 差 , 成 的 误 差 信 号 et 经 由低 通 滤 波 器 生 () 滤 除 高 频 谐 波 后 产 生 控 制信 号c t , 用 来 () 它 控 制 Vc0 生 成 的 输 出 信 号 y t频 率 和 相 所 () 位 与 输 入 信 号 x() 致 。 t一
! Q: !
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
工 程 技 术
S IN E & T C N L CE C E H O OG N O MA I Y IF R TON
单 相 锁相 环 基 于 DSP的 数 字 实现
羞 业 宗 ( 山 中 远 船 务 工 程 有 限 公 司 浙 江 舟 山 3 1 ) 舟 1 6 31
s  ̄ cs , q 分量P 调 节为 0得 角 i 0’ao 将 轴 n e’ I , 频 率 0 , 对 时 间积 分 即 得 相 位 角 e’ 3再 。
1. 坐标 系的 选择 与 变换矩 阵 3
三 相数字 锁相 环 中用到坐标 变换 。 坐
锁相环的研究与设计——用于DSP芯片时钟发生器的开题报告
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锁相环的研究与设计——用于DSP芯片时钟发生器
的开题报告
一、研究背景
随着现代数字信号处理技术的日益成熟,数字信号处理(DSP)芯片在通信、音视频处理、图像处理等领域得到了广泛应用。
因为DSP芯片需要精确的时钟信号来同步各个模块之间的数据传输,常用的时钟发生器是基于晶振的,然而晶振的频率稳定性和精度难以满足高精度时钟信号的要求。
锁相环(PLL)是一种常用的时钟发生器,用于将一个参考时钟信号锁定到设定频率的输出时钟信号。
锁相环可以提供相对于晶振更高的频率稳定性和精度,适用于DSP芯片的时钟信号发生器。
二、研究内容
本论文将重点研究锁相环的理论原理与设计方法,并将其应用于DSP芯片的时钟发生器中。
主要研究内容包括:
1. 锁相环的基本结构和原理。
重点分析锁相环中的相位检测器、环路滤波器和控制电路等核心组成部分,并探讨其作用和影响因素。
2. 锁相环的设计方法。
基于理论分析和电路实现,设计一种高性能的锁相环,包括参数选取、电路布局和仿真验证等环节。
3. DSP芯片时钟发生器的整体设计。
将锁相环与其他电路模块相结合,构建一个完整的DSP芯片时钟发生器,并对其进行整体性能测试与验证。
三、研究意义
本论文的研究结果可以为DSP芯片时钟发生器的设计与制造提供参考,并为相关领域的进一步研究提供理论基础和实践经验。
同时,本研究探讨的锁相环设计方法可适用于其他电子设备中时钟发生器的设计与制造,具有一定的普适性和推广价值。
dsp时钟锁相环初始化
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dsp时钟锁相环初始化LL初始化的代码如下(来自官方例程,主要对其注释分析和讲解)。
/** 函数名称:InitPll* 函数输入:倍频参数val,分频参数divsel* val取值为0到10,表示倍频数;divsel取值0到4,0和1表示4分频,2表示2分频,3表示不分频* 函数输出:无* 函数调用:InitPll(10,2);* 先将外部时钟倍频10倍,在分频1/2,最后产生的时钟CLKIN 输入CPU2 8x*/void InitPll(unsigned short div, unsigned short divsel) {// 确保PLL不是工作在limp mode下,即有外部时钟进入PLLif (SysCtrlRegs.PLLSTS.bit.MCLKSTS != 0){//检测到无外部时钟,软件要采集恰当的措施保证系统不出现事故,该措施包括//使系统停机、复位等//用适合的函数替换下面一行// SystemShutdown(); function.asm(" ESTOP0");}// PLLCR从0x0000改变前,PLLSTS[DIVSEL]必须为0 // 外部RST复位信号会使PLLSTS[DIVSEL]复位// 此时分频为1/4if (SysCtrlRegs.PLLSTS.bit.DIVSEL != 0){EALLOW;SysCtrlRegs.PLLSTS.bit.DIVSEL = 0;EDIS;}// 前面条件都满足后,可以改变PLLCR[DIV]if (SysCtrlRegs.PLLCR.bit.DIV != val){EALLOW;// 在设置PLLCR[DIV]前,要禁用主振荡器检测逻辑//Missing clock detect logicSysCtrlRegs.PLLSTS.bit.MCLKOFF = 1; SysCtrlRegs.PLLCR.bit.DIV = div;EDIS;//等待PLL稳定且处于锁定状态,即PLLSTS[LOCKS]置位//等待稳定的时间可能略长,需要禁用看门狗或者循环喂狗//屏蔽注释,禁用看门够DisableDog();while(SysCtrlRegs.PLLSTS.bit.PLLLOCKS != 1) {//屏蔽注释,喂狗// ServiceDog();}EALLOW;SysCtrlRegs.PLLSTS.bit.MCLKOFF = 0;EDIS;}// 如果需要分频1/2if((divsel == 1)||(divsel == 2)){EALLOW;SysCtrlRegs.PLLSTS.bit.DIVSEL = divsel;EDIS;}//注意:下面代码只有在PLL是旁路或者关闭模式时,才可被执行,其他模式禁止。
基于DSP的软件加密锁的设计与实现
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收稿日期:2005-11-09.作者简介:杨 威(1978-),女,辽宁铁岭人,助教,硕士,主要从事数据库系统方面的研究;徐全生(1944-),男,上海人,教授,主要从事数据库系统、图像识别等方面的研究.文章编号:1000-1646(2007)03-0347-04基于DSP 的软件加密锁的设计与实现杨 威,徐全生,王 红(沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳110023)摘 要:为了保护软件产品的经济价值和知识产权,开发了一种软件加密锁.主要基于DSP 和U SB 硬加密技术,并通过结合AES 算法有效实现了对软件的保护.该加密锁方案的硬件部分由U SB 接口模块、DSP 模块、A VR 单片机模块和电源块组成;软件部分采用了新的数据加密标准A ES.该加密锁实现了软件的安装序列号加密、首次使用加密、安装次数限制加密以及使用中关键数据加密的四层加密保护;其中各加密层次相对独立,并可根据需要增删.本系统很好地解决了单纯使用软件加密手段易被破解的问题.关 键 词:软件加密;加密锁;DSP 芯片;U SB 接口;A ES 算法中图分类号:T P 309.7 文献标识码:ADesign and imp lementation of software en cryption lock based on DS P technologyYANG Wei,XU Quan -sheng,WANG Hong(School of I nformation Science and Engineering,Sheny ang U niversity of T echnolog y,Shenyang 110023,China)Abstract:In order to protect the economic v alue and the intellectual property of softw are products,one softw are encryption lock has been developed.Based on DSP and USB technology and combining w ith AES algorithm,the lock is designed.The hardw are part of the design is composed of USB mold,DSP mold,AVR single chip processor mold and pow er mold,and at the same time the new datum encry ption standard,AES,is adopted in softw are part.The software encryption lock has such functions as serial number encryption,first time usage encryption,number limitation for setting up encryption and key datum encryption.Among the four encryption parts,every one is independent of others and can be added or deleted according to different needs.The developed encryption lock can solve the problem that the softw are encryption can be easily decrypted.Key words:software encry ption;encryption Lock;DSP;USB;AES algorithm 为了提高工作效率、减少人为失误,并便于管理,计算机的应用已逐渐普及到各行各业之中,各种适用于不同行业的专业软件也不断开发出来,这些专业软件往往需要行业专业人员和计算机专业人员共同开发,软件产品开发难度大、周期长、劳动多,凝聚着开发人员大量的智慧和心血.因此,保护产品的经济价值和知识产权已成为了软件开发者的任务之一[1].目前厂商所采用的加密方法主要可分为两大类:软加密和硬加密[2-3].1995年前,国内加密市场主要局限在软件加密,当时相当一部分人认为,硬件加密终究会被软件加密所代替.然而,随着1995年国外一些著名的加密厂商如彩虹公司、阿拉丁公司等先后进入中国市场,硬件加密有很好的发展势头.本设计开发的加密锁方案就属于利用硬加密方法来实现软件的保护.第29卷第3期2007年6月沈 阳 工 业 大 学 学 报Journal of Shenyang University of TechnologyVol 129No 13Jun.20071带USB接口的DSP加密锁的优点以往的软件加密锁经常采用单一的存储器存储有用信息,PC机通过读取存储器中的内容来判断软件是否为正版.后来发展成为用单片机作为加密锁的核心处理单元,这在一定程度上加强了加密锁的可靠性,其缺点在于单片机处理速度慢,且不能在单片机中使用复杂的算法,所以其加密可靠性仍然不令人满意.为了克服以上加密锁的缺点,设计了一种采用DSP技术和U SB技术相结合的加密锁.该加密锁的硬件核心部分以U SB 和DSP为主要部件;软件则是结合了AES算法进行加密,实现了对软件使用授权的验证.加密锁对软件的安装和使用完成四层加密保护,即安装序列号加密、首次使用加密、安装次数限制加密、使用中关键数据加密.上述加密层次相对独立,可以根据需要增删.111DSP芯片概述DSP芯片,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,其主要应用是可以实时、快速地实现各种数字信号处理算法[4].根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特点:1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法,这为快速进行算法运算提供了良好的基础;2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据;3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;5)快速地中断处理和硬件I/O支持;6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;7)可以并行执行多个操作;8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行.作为新兴的处理器,DSP在硬件平台上具有良好的运算速度,满足了对软件保护高速的需求;且可以使用相对复杂的算法,弥补了以往加密锁的不足.基于其优越的特点,本文将DSP技术引入了系统的设计.112AES算法的结构为了实现的方便和速度的提高,本文采用的密钥长度为128bit.由于AES(加/解密的长度为128bit,密钥为128bit)的穷尽攻击的复杂度是2128,且目前在理论上还不存在有效的攻击方法,因此其安全强度是足够的.该结构由四个不同的阶段组成,包括一个混淆和三个代换:1)字节代换:用一个S盒完成分组中的按字节的代换;2)行移位:一个简单的置换;3)列混淆:一个利用在域GF(28)上的算术特性代换;4)轮密钥加:利用当前分组和扩展密钥的一部分进行按位XOR.对加密解密操作,算法由轮密钥加开始,接着执行九轮迭代运算,每轮都包括所有四阶段的代换,然后执行只包含三个阶段的最后一轮运算.在加密过程中使用密码反馈模式(CFB)和输出反馈模式(OFB).113AES算法优越性加密锁采用了安全性好、加密速度快的新的数据加密标准AES[5-6].在安全性方面,AES能抵抗目前己知的所有攻击,特别是线性分析和差分分析,也能抵抗某些物理攻击;在和其它算法有相同安全性时它需要的轮数最少.在代价方面, AES设计简单,不管是硬件上还是低内存环境下它都能快速执行,在所有的平台上始终有卓越的性能.AES灵活性比较大,它的分组长和密钥长可以随着安全性的要求而改变.由于它的密钥方案简单,生成速度快,对内存要求低,因此非常适合于智能加密锁的实现.基于AES算法的优越特点,与DSP相结合进行系统设计[7].2硬件设计加密锁硬件部分由USB接口模块、DSP模块,AVR单片机模块和电源块组成,各部分之间的组成关系如图1所示.图1硬件原理框图Fig.1Electric cir cuit diag ram348沈阳工业大学学报第29卷U SB 接口芯片是软件加密锁与PC 机进行通信的通道,它具有传输速度快的特点[8].USB 通用串行总线已逐渐取代PC 机上的并、串口成为主流,更适合软件加密锁技术.同时USB 接口还可以提供5V 、500mA 的电源,软件加密锁可以利用这个电源为软件加密锁上的其他电子元件提供电源,这样能实现软件加密锁的即插即用和热插拔功能,增加了软件加密锁设备的使用灵活性.电源芯片采用T I 公司的TPS73HD318芯片,它是专门的电源芯片,能够将5V 电压转换成DSP 所需要的313V 和118V 电压,这样就为DSP 芯片提供了电源.DSP 芯片采用T I 公司的T MS320VC5402,这款芯片除具有上述DSP 的全部优点外,还具有功耗低、价格低廉等优点,因此特别适用于软件加密锁的使用[9].AVR 芯片采用ATMEL 公司的ATMEGA8535L.本设计通过在AVR 单片机内部编写程序,能够对软件加密锁本身实现加密,防止软件加密锁的硬件设计被人仿制.这样AVR 单片机不但起到了存储器和缓冲器的作用,而且提高了加密锁的可靠性.3 软件设计U SB 加密锁要完成软件使用许可认证功能,需要高层和底层软件协同动作,高层软件负责监控,底层软件根据高层软件的需求,向高层提供产品序列号和加解密数据等.本系统软件部分主要采用了新的数据加密标准AES 算法.使用C 语言进行编码.311 软件结构组成U SB 软件加密锁的软件分为高层软件和底层软件两部分.高层软件和软件的安装程序、应用程序嵌在一起,底层软件嵌在AVR 单片机及DSP 芯片中,高层底层软件通信通过传递加密后的产品序列号和关键数据,实现对用户使用权限的认证.U SB 加密锁软件结构如图2所示.图2 软件结构图Fig.2 Software structure diagr am312 软件功能分析1)高层软件对应用程序运行监控过程在软件安装时,首先向加密锁索取安装产品序列号次数,若其大于三次则退出安装,否则向用户索取产品安装序列号,同时向加密锁发出索取产品安装序列号的请求,并将得到加密后的产品安装序列号验证;在首次使用时,向用户索取产品使用序列号,同时向加密锁发出取加密后的产品使用序列号的请求,得到产品使用序列号后进行验证;在用户使用应用软件时,若检测到端口存在加密锁,则向加密锁索取被加密后的关键数据,否则退出该应用软件.2)高层软件调用方法高层软件的设计是以高层监控程序为主体,以树状结构控制安装程序和应用程序并且通过驱动程序访问USB 接口,取得验证数据.高层软件结构如图3所示.图3 高层软件结构图Fig.3 P C softw ar e str ucture diag ram3)底层软件响应高层软件请求过程当高层发出索取产品安装序列号次数的请求时,则先从AVR 单片机内部的E 2PROM 中读取安装次数,若未超过三次,则从AVR 单片机内部的E 2PROM 中读取产品安装序列号;然后发给DSP 芯片,DSP 芯片运行加密算法对其加密后发给高层;当高层发出取产品使用序列号的请求时,从AVR 单片机内部的E 2PROM 中读取产品使用序列号,再发给DSP 芯片,DSP 芯片运行加密算法对其加密后发给高层;当高层向加密锁索取被加密后的关键数据时,从AVR 单片机内部的E 2PROM 中读取关键数据后发给DSP 芯片,DSP 芯片运行加密算法对其加密后发给高层.4 实验结论本文将DSP 和USB 硬加密技术与AES 算法相结合,设计实现了一个可靠性高、运行效率高、使用方便的软件加密锁.该加密锁实现了对软件的四层加密保护,即安装序列号加密、首次使用加349第3期杨 威,等:基于DSP 的软件加密锁的设计与实现密、安装次数限制加密、使用中关键数据加密,且各加密层次独立,并可根据需要进行增删.通过实验和调试得知,作为将先进加密技术AES和DSP硬件技术相结合的新型软件加密锁,本系统很好地解决了单纯使用软件加密手段易被破解的问题,对进一步提高软件产品的反盗版能力有一定的实用价值.参考文献:[1]飞天诚信.软件加密原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.(FEI T IAN Safe.T he principle and application of soft-ware encrypt[M].Beijing:Electronics Industr y Press, 2004.)[2]秦志光.密码算法的现状和发展研究[J].计算机应用,2004(2):1-4.(Q IN Zh-i guang.Cryptog raphy alg orithm-surv ey and trends[J].Computer Application,2004(2):1-4.) [3]徐政五,龚耀寰.信息战中的信息加密技术[J].电子科技大学学报,2000(5):469-474.(XU Zheng-wu,GON G Y rmation encry p-tion technology in infor mation w ar fare[J].Journal of U niversity of Electronic Science and T echnology of Ch-i na,2000(5):469-474.)[4]谢庆国,邓忠华,万淑芸,等.改进的刘氏加密算法及其DSP实现[J].计算机工程与应用,2001(5):100-101,125.(XIE Q ing-guo,DEN G Zhong-hua,WA N Shu-yun,et al.Mo dified L IU S alg orithm and implement w ith DSP[J].Computer Eng ineering and Application,2001(5): 100-101,125.)[5]王新房,马安光.Rijndael算法代数性质及其七轮攻击[J].计算机工程与应用,2005,21:86-88.(WA NG X in-fang,M A An-guang.Some alg ebraic pr op-er ties and7-r ound attack of the rijndael[J].Computer Eng ineering&A pplication,2005,21:86-88.)[6]卢正鼎,廖振松.Rijndael算法的研究[J].计算机工程与科学,2005(6):72-74.(LU Zheng-ding,LIA O Zhen-song.Research on the r-i jndael algorit hm[J].Computer Engineering&Science, 2005(6):72-74.)[7]李金花,周大水,李大兴.AES算法在DSP中的实现及优化[J].计算机工程,2004,12:101-102.(L I Jin-hua,ZHOU Da-shui,L I Da-xing.Implementa-tion and optimization of A ES in DSP[J].Computer En-gineer ing,2004,12:101-102.)[8]梁中华,王子威.PC机与单片机串行通信的研究[J].沈阳工业大学学报,2005(3):302-307.(L IAN G Zhong-hua,WAN G Z-i wei.Research of serial communication between PC and M CS-51ser ial sing le chip[J].Journal of Shenyang University of T echnolo-gy,2005(3):302-307.)[9]刘长军,林嘉宇.为DSP程序构造的加密体制[J].单片机与嵌入式系统应用,2002(4):5-7.(LIU Chang-jun,L IN Jia-yu.T he encrypt system con-struction for DSP pro gramme[J].M icr ocontrollers& Embedded Systems,2002(4):5-7.)(责任编辑:吉海涛英文审校:王向东)350沈阳工业大学学报第29卷。
基于DSP的软件锁相环的设计
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基于DSP的软件锁相环的设计李进兵荣雅君董杰安刚虎燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004摘要文中分析了锁相环的工作原理和锁相环软件设计流程,设计了基于数字信号处理器TMS320LF2407A的数字锁相环,给出了锁相环程序流程图和部分程序,并给出了实验结果。
关键词锁相环,DSP,逆变电源1.引言在逆变器并网控制系统中,为了保证逆变器输出电流和电网电压同相,一般要采用锁相环(PLL—Phase Locked Loop)技术。
常用的模拟锁相环主要由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VC0)组成,如图1所示。
鉴相器比较输入信号Vi和压控振荡器的输出信号Vo之间的相位差,完成相位差--电压变换。
环路滤波器的作用是滤除鉴相器输出信号Vd中的高频分量和其它干扰分量。
压控振荡器的振荡频率受环路滤波器输出电压Vc的控制,实现电压--频率的变换。
从而完成锁相的功能。
图1 锁相环原理图传统的锁相方法电路复杂且精度不高,以高速DSP芯片实现的数字方法与模拟方法相比有如下优点:智能化程度更高,性能更加完美:控制灵活,甚至可以在线修改控制算法,而不必对硬件电路做改动;可靠性高;维护方便,一旦出现故障,可以很方便地进行在线调试。
因此,本文设计的锁相控制系统采用TI公司TMS320LF2407A芯片来实现对市电的跟踪。
2.锁相控制的设计与实现一般软件锁相环的程序流程图如2图所示图2 软件锁相环国家自然科学基金项目(资助号:50237020)2.1 市电频率信号波形整形电路由于DSPLF2407A的参考电压为3.3伏需要通过硬件电路将220伏电压转化成3.3伏的方波。
本文利用一个迟滞比较器把输入整形为一个和输入同频同相的矩形波,然后利用该波形在软件上进行频率和相位跟踪。
具体实现电路如图3所示。
整定电路的输出波形如图4所示。
图3 市电频率信号波形整定电路图4 整定电路输出波形2.2 SPWM波的发生逆变器输出电压基准正弦信号需要由DSP给出。
基于DSP Builder三相锁相环的设计
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科技资讯2016 NO.07SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程19科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 在直流输电、无功补偿等场合中,均要求准确获取电网电压相位信息。
目前,工程上多以数字信号处理器为核心,实现离散域的三相锁相环(PLL)算法,虽然具有编程灵活的优点[1],但是算法中的三角运算、乘法运算占用了大量CPU资源[2]。
而现场可编程门阵列(FPGA)以硬件电路形式并行运行,不存在占用CPU资源的问题,更适合于工程现场。
文献[3]以FPGA器件为核心实现了快速锁DOI:10.16661/ki.1672-3791.2016.07.019基于DSP Builder 三相锁相环的设计①罗文清1* 劳雪婷1 吕玉波2 刘畅3(1.东北电力大学电气工程学院 吉林吉林 132012;2.国网吉林省电力有限公司营销部 吉林长春 130021;3.国网吉林省电力有限公司吉林供电公司 吉林吉林 132021)摘 要:传统三相锁相环的设计方法占用资源多,开发效率低下,针对这一特点,该文在DSP Builder环境下实现了三相锁相环的设计。
在Simulink环境下进行建模仿真后,利用Signal Compiler模块将MDL文件直接转化为可综合的硬件描述语言,整个过程无须人工编程。
最后,将HDL代码下载到FPGA芯片上进行实物验证。
结果表明,此三相锁相环可以快速实现精确锁相,验证了该设计方法的可行性和有效性。
关键词:DSP Builder 三相锁相环 现场可编程门阵列 硬件描述语言中图分类号:TM76文献标识码:A文章编号:1672-3791(2016)03(a)-0019-02①通讯作者:罗文清(1991,7—),男,汉,福建漳州人,硕士,研究方向:柔性直流输电,E-mail:zhluo22@。
Signal Compiler图1 三相锁相环控制原理图图2 三相锁相环模型科技资讯2016 NO.07SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程20科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION相,但是其基于底层Verilog HDL硬件描述语言的开发手段,存在开发效率低、优化困难等缺点。
基于DSP控制的光伏发电逆变并网锁相环设计
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基于DSP控制的光伏发电逆变并网锁相环设计秦天像;杨天虎;任小勇【摘要】该文设计了一种基于DSP软件控制的太阳能光伏发电逆变并网锁相环系统。
用指针归零法实现了锁相环跟踪控制,并将设计的锁相环运用到光伏并网逆变器中。
在MATLAB中建立了仿真模型,仿真结果表明,所设计的锁相环达到了光伏逆变系统的同步要求,具有较高的推广应用价值。
%This paper designed solar photovoltaic inverter power grid phase locked loop system based on the DSP software control. The phase locked loop tracking control is realized by using the pointer to ze-ro method, and the design of the phase locked loop is applied to the PV grid connected inverter. The sim-ulation model was built in MATLAB. The simulation results show that the phase locked loop of this paper can meet the requirements of the synchronization performance of PV inverter system, it is of high popular-ization value.【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】4页(P125-128)【关键词】光伏并网逆变器工作原理;锁相环设计;仿真【作者】秦天像;杨天虎;任小勇【作者单位】酒泉职业技术学院; 甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室,甘肃酒泉735000;酒泉职业技术学院; 甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室,甘肃酒泉735000;酒泉职业技术学院; 甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室,甘肃酒泉735000【正文语种】中文【中图分类】TM615+.2随着光伏发电的迅速发展,对光伏发电提出了新的要求,需要大规模的并网发电。
基于DSP Builder三相锁相环的设计
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基于DSP Builder三相锁相环的设计
罗文清;劳雪婷;吕玉波;刘畅
【期刊名称】《科技资讯》
【年(卷),期】2016(014)007
【摘要】传统三相锁相环的设计方法占用资源多,开发效率低下,针对这一特点,该文在DSP Builder环境下实现了三相锁相环的设计.在Simulink环境下进行建模仿真后,利用Signal Compiler模块将MDL文件直接转化为可综合的硬件描述语言,整个过程无须人工编程.最后,将HDL代码下载到FPGA芯片上进行实物验证.结果表明,此三相锁相环可以快速实现精确锁相,验证了该设计方法的可行性和有效性.【总页数】2页(P19-20)
【作者】罗文清;劳雪婷;吕玉波;刘畅
【作者单位】东北电力大学电气工程学院吉林吉林 132012;东北电力大学电气工程学院吉林吉林 132012;国网吉林省电力有限公司营销部吉林长春 130021;国网吉林省电力有限公司吉林供电公司吉林吉林 132021
【正文语种】中文
【中图分类】TM76
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基于DSP的软件锁相环的实现点击数:140洪君,黄沃林,罗剑(广州骏发电气有限公司,广东广州511400)摘要针对传统锁相环存在硬件电路复杂、易受外界环境干扰及锁相精度不高等问题,介绍了一种基于数字处理器TMS320F2812 实现对电网电压软件锁相功能的设计方案,并给出了过零检测电路和部分软件设计流程图。
通过实验证明,软件锁相环能够对基波及一定频率范围内的谐波电压实现准确的相位锁定,由于软件锁相环功能主要由DSP完成,简化了硬件电路,具有更强的抗干扰能力和实际应用效果。
关键字软件锁相环;过零检测;相位捕捉AbstractKeywords0 引言准确获取电网基波及谐波电压的相位角,在变频器、有源滤波器等电力电子装置中具有重要的意义,通常需要采用锁相环得以实现。
传统锁相环电路一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器组成,其工作原理是通过鉴相器将电网电压和控制系统内部同步信号的相位差转变成电压信号,经环路滤波器滤波后控制压控振荡器,从而改变系统内部同步信号的频率和相位,使之与电网电压一致。
传统锁相环存在硬件电路复杂、易受环境干扰及锁相精度不高等问题,随着大规模集成电路及数字信号处理器的发展,通过采用高速DSP 等可编程器件,将锁相环的主要功能通过软件编程来实现。
本文设计的锁相环控制系统采用数字处理器TMS320F2812 芯片实现对电网基波及特定次谐波电压相位的跟踪和锁定。
1 软件锁相环的设计方案1.1 工作流程基于DSP的软件锁相环设计此方案的基本思路是通过采样电压过零点获取同步信号,采用DSP 内部定时器的循环计数产生同步信号来实现压控振荡器和分频器的功能,即通过改变定时器的周期或最大循环计数值的方法来改变同步信号的频率和相位,同时对电压进行A/D 转换及数据处理,得出基波及谐波电压的相位与频率,调整SPWM 正弦表格指针地址完成对基波及谐波电压的锁相功能,其工作流程如图1 所示。
通常,过零信号可以通过检测电网三相电压中任一相的过零点获取。
在图1 中,以检测A相电压过零点作为过零信号,将通过上升沿捕捉及软件滤波后产生的中断作为采样周期同步信号,当DSP内部时钟倍频后产生的中断在捕获到输入电压信号在过零点时,将发正弦信号的指针归零,以保证输入电压信号过零时DSP发出的基准正弦信号也同步过零,从而实现相位同步。
本文采用SPWM 触发模式,基准正弦信号是一个正弦数据表格,控制逆变器输出的基准点;同时采样电压信号,经DSP进行FFT计算分析其相位和频率、基波及谐波与A相电压过零点相位差,通过修改定时器周期寄存器来改变SPWM 输出时正弦波的频率;以修改比较寄存器来改变SPWM 输出时正弦波的相位,这样完成了对基波及谐波电压的相位锁定。
1.2 过零检测电路的设计过零信号对系统相位捕捉的精准性影响较大,系统设计时采用软硬件结合的办法实现对过零信号的捕捉。
获取过零信号实质上是为了给系统提供一个同步信号,即每次信号过零时启动A/D转换。
在本设计中,过零检测电路采集A相电压每个周期的过零点作为系统产生的中断信号CAP1,使中断服务程序开始执行,图2 为电压信号过零检测电路。
图2 中,在比较器芯片LM339 的输出端选择加装了上拉电阻,主要是考虑到整个电路对驱动、功耗和速度的要求。
电阻R7和R8构成一个滞回比较器,输出信号通过反馈电阻R7 改变同相端的参考电压,以消除输入信号正反过零产生的抖动。
1.3 过零捕捉的软件实现过零检测主要解决的是采样同步问题,当检测到的电压信号由负到正过零时,比较器芯片LM339 输出端产生上升沿,将此信号输入到DSP2812 事件管理器EVA 的引脚CAP1。
引脚CAP1 在系统初始化程序中预设置为上升沿触发中断,因此当过零信号到来时,CAP1中断子程序开始执行,开启事件管理器EVA 的TIMER 周期中断,周期设置为驻T/128 s(每周期采样128 个点),触发A/D 模块采样。
其中,驻T 为CAP1 捕捉到的两个过零检测信号上升沿的间隔时间,等于电网待测信号的周期T,图3 为过零中断程序的流程。
DSP 的捕获单元CAP隶属于事件管理器,它能够捕捉到CAP 外部引脚的跳变,当捕捉到对应引脚发生特定的跳变时,触发相应的中断,并将定时器的值存入一个两级深的FIFO堆栈中。
本方案设计每16 点启动一次数据分析,同时投出一次控制量,这个过程为一个更新周期,判断标志ctrl 用来检测是否进入新的更新周期,以判断是否需要启动新一轮数据分析和投出控制量。
标志位dft用来判断当前数据分析状态,为0 时表示重新初始化数据分析操作,为1 时表示数据分析操作完毕,为2 时表示允许启动新一轮数据分析,为3 时表示当前正在进行数据分析。
图4 给出了捕获单元的软件流程。
1.4 过零信号的软件滤波CAP1 捕捉到的两个过零信号上升沿的间隔时间,即两个CAP1中断事件的间隔时间,等于电网待测信号的周期T。
TIMER 在系统初始化后不断计数,然后在CAP1 的中断服务程序中记录两个CAP1 中断事件之间的TIMER 计数值N,可计算出T。
同时,采用软件滤波来判断CAP1信号是否为毛刺干扰,其过程如下:电网基波频率波动一般不超过依0.2 Hz,当产生CAP1中断时,可以计算本次与前次的计数差值,如果远小于工频周期计数差值,则认为捕获的中断为干扰产生,如该中断非连续两次以上出现,则中断返回。
同时对产生的中断次数进行累加,达到设定范围时对电压过零时刻正弦表格的指针位置进行判断,调整正弦表格指针地址,实现过零指针的校准。
1.5 A/D转换及相频计算过零信号经过软件滤波及校准后,在捕获到输入电压信号过零点时,直接将发正弦信号的指针归零,保证输入电压信号过零时DSP发出的基准同步过零,从而实现相位同步。
A相电压过零信号送入管脚CAP1,作为一个采样周期的基准,该周期的128 倍频信号作为每次ADC 启动基准。
在系统初始化后开启CAP1,并设置启动ADC、相应的模数转换、数据分析、控制量投出等操作,直到关机或者发生故障。
由于F2812 的系统时钟频率非常高,为150 MHz,即中断服务程序的响应延迟时间非常小,可以忽略。
在CAP1 的中断服务程序中,根据待测信号周期T来设置F2812 事件管理器的通用定时器TIMER,每隔驻T/128 s自动启动一次A/D转换进行数据采集。
A/D 转换后的信号使用滑动窗口的FFT 算法,以滑动窗口的DFT和Pruning-FFT为基础,利用DFT对特定次谐波进行选择计算,根据滑动窗口快速响应以及Pruning-FFT 快速计算的特点,使DSP的处理速度达到理想值。
使用FFT 进行相位和频率分析的原理如下。
对某一单一频率信号通过上述分析得出初相角、频率,将数据存入对应寄存器中,完成基波及谐波的相频计算功能。
1.6 SPWM输出的相频调整软件锁相输出是由捕获中断和定时器中断共同完成,捕捉中断可以完成电压周期和相位的计算,定时器中断用来输出SPWM波形。
在本方案中,三角载波是利用通用定时器的连续增减计数模式产生的,当通用定时器有效后,开始递增计数,直到等于周期寄存器的值,定时器开始递减计数,递减到零时,重新开始递增计数,并重复以上过程,从而形成三角载波信号。
得到三角波后,通过比较单元来控制输出波的极性,产生PWM 波。
TMS320F2812 系列DSP 片内带有比较单元,可提供6对可编程的PWM信号,这为实现上述算法提供了极大的便利。
当定时器发生周期中断时,就需要重新装载比较器的值,即此刻的正弦值。
设定载波比为21(载波比应为奇数且能被3 整除),即1个正弦波的周期等于21 个载波的周期,则相邻的两个三角波峰值对应的正弦波相位差为360毅/21= 17.143毅,假定上一周期中断装载的正弦值为sin兹,则本周期中断所需装载的正弦值为sin(兹+17.143毅)。
例如:输出正弦信号的频率为250 Hz(5 次谐波)时,其三角波的频率则为5.25 kHz。
三角波信号由定时器模拟产生,则定时器的定时周期为5 次谐波的初相角兹是电压经FFT 计算得到与A相电压过零点的相位差值。
根据x和兹值,产生相应的PWM 波。
因正弦值实时计算时用得较多,在确定相位分辨率后,例如1毅,会导致大量重复计算。
因此,采用查表法,按顺序预存一个周期为420 点的正弦值,相位的分辨率为360毅/420=0.857毅,因每次比较器的装载值是上一次移相17.143毅后的正弦值,所以只需将上一次装载值的地址加上一定的偏移量,即为本次所需的装载值地址,该偏移量为420/21=20。
可见,将正弦计算简化为读相应地址的存储器值,会大大提高程序的效率。
通过读取寄存器中基波及谐波电压的初相角频率以及与过零点相位差的值,调整对应的正弦表格初相角指针地址,通过修改定时器周期寄存器来改变正弦波的频率,修改比较寄存器来改变正弦波的幅值和相位,在下一个过零信号过零点投出相位和频率控制量,即可完成对基波及谐波电压及SPWM 输出时的相位锁定。
2 实验结果与分析在一台低压有源电力滤波装置中,采用基于TMS320F2812芯片为核心控制器的软件锁相环的设计方案。
实验结果验证,该方案能够很好地实现对基波及特定次谐波电压相位的跟踪和锁定。
图5(a)给出同步过零信号波形,电压信号(正弦波)为A相电压,过零信号为方波。
电路设计时将电压采样信号幅值转化为3.3 V,满足过零信号能被管脚CAP1 识别的条件。
如图5(a)所示,过零信号与电压采样信号同步。
图5(b)给出功率模块锁相输出实验波形,图中波形1 为A相电压采样信号,波形2 为功率模块输出电流波形,控制器设定跟随电压采样信号的过零点触发功率模块同步输出。
从实验结果可以看出,功率模块逆变输出电流相位能够与采样信号过零点保持同步,相位偏移极小,达到对电网基波电压锁相及跟踪输出的目的。
图5(c)给出功率模块锁相倍频输出实验波形。
为方便观察谐波锁相输出的效果,设定5 次谐波初相角与基波过零点同相,控制器设定跟随电压采样信号过零点,反相输出5 次谐波电流,电流幅值不变。
图中波形3 为采样点电压信号,波形4为控制器触发功率模块输出电流波形。
如图所示,功率模块输出的5 次谐波电流初相角与采样信号保持过零同步。
实验结果表明:通过软件锁相环可以实现功率模块逆变输出电流与电压采样信号的同步,调整控制器程序,可以实现对谐波相位及频率跟踪,达到对电网电压及特定次谐波电压锁相及跟踪输出的目的。
3 结语本文提出了一种基于DSP2812实现对电网电压软件锁相的技术方案。
实验结果表明,该方案能很好地实现对电压信号周期及频率的实时跟踪。
采用软件锁相环技术,只需设计过零检测及信号调整电路,其它功能均由DSP芯片完成,减少了外界环境干扰的问题,提高了锁相精度。