二、需求分析

2.1 功能要求

測試平臺要完成功能的主要要求有：對電壓和電流通道信號進行高速采集，設計各種數據電參量計算的算法和統計算法，開發可靈活組織的人機界面程序，系統具有大吞吐量的數據傳輸方式。配備PC機端軟件，數據通過以太網口或USB接口與PC機端軟件進行通信，PC機軟件可以進行數據的讀取、處理、存儲、顯示等操作。

本設計的檢測系統用于單相或三相交流供電系統，適用于低壓220/380V系統，也可以經由電壓互感器檢測高壓系統，電流信號輸入為0-5A，直接測量或經由電流互感器接入。電能質量檢測裝置主要由信號調理模塊、PIC32采集處理模塊和 PC機軟件模塊這三大模塊構成。系統的整體架構見圖1。

圖1 系統架構

2.2 性能要求

性能方面要求：三相電壓，三相電流輸入，采樣速率每周波128點，100M以太網或/和全速USB接口等。

2.3 可擴展性

此設計完成后，可以進一步開發不同的功能，完成諸如諧波測試分析，閃變測試，無功功率補償測試等各項電能質量的測試，開發出具有特點和競爭力的產品，具有較大的實用意義，與工業實際結合起來，實用性強。

2.4 方案設計

電能質量檢測裝置要完成的任務種類繁多。首先要實現對現場的電能參數進行實時采集，然后要對采集數據進行快速處理，最后還要對處理參數進行統計和存儲，同時要完成與用戶的通訊等多個任務。這就要求我們所設計的系統不僅具有高速的處理能力，還要具備實時任務調度能力，當然最主要的還要考慮到設備的成本問題。目前已經出現過多種電能質量檢測裝置的設計方案，如（1）基于采集卡+工控機的設計實現方式，（2）基于單片機的設計實現方式，（3）基于DSP 的設計實現方式。

采用上述方案都存在一些問題，基于采集卡+工控機的設計實現方式，設備成本偏高、體積大、靈活性不夠，不適宜大量定點安放在各檢測現場；基于單片機的設計實現方式，數據處理能力不夠強大，內存資源不夠豐富，實現大量的數據計算和交換比較困難；基于DSP 的設計實現方式，成本高，一般適用于數據處理運算量比較大，實時性要求高而對控制和通信能力要求相對較低的檢測系統。另外還有一些組合方案，如基于單片機+DSP的設計實現方式，基于MCU+CPLD的設計實現方式，但系統復雜，開發困難，成本較高。

本項目采用基于帶5級流水線的32位MIPS內核的高性能RISC處理器 PIC32進行開發，速度高，最高80 MHz的頻率，帶有單周期乘法單元和高性能除法單元，很好的整合了單片機和DSP的功能，構成一功能強大的32位DSC（數字處理控制器），特別適合于控制、處理雙密集型的場合，且該類處理器資源豐富、片內外設功能強大，足夠滿足常用控制場合。采用該設計方案，在滿足處理大運算量實時任務要求的同時，系統的設計成本也相對較低。

PIC32系列單片機是Microchip Technology Inc．（美國微芯科技公司）推出的高性能32位單片機，它是以MIPS32架構為基礎設計的。目前推出的PIC32MX3XX分支為通用型，PIC32MX4XX分支帶有USB功能，PIC32MX5XX分支帶有USB和CAN功能，PIC32MX6XX分支帶有USB和Ethernet功能，PICMX7XX分支則帶有USB、CAN和Ethernet功能。PIC32系列單片機采用哈佛結構，帶有5級流水線，工作頻率最高80 MHz；具有高效指令架構、高性能硬件乘法器/累加器及多至8組32個內核寄存器，可實現1.56 DMIPS/MHz的運行速度。此外，PIC32系統具有指令和ROM數據預取緩沖器的64字節高速緩存，128位寬的閃存，可縮短單個指令的取指時間，支持MIPSl6e 16位指令集構架，可最多減少40％的代碼。

PIC32系列單片機包括了閃存范圍從32KB到512KB的可擴展器件，片上RAM從8KB到128KB，引腳與64/100引腳的16位單片機PIC24FJ-XXXGA系列兼容，新推出的PIC32MX5XX/6XX/7XX提供XBGA的封裝。另外，PIC32系列單片機帶有豐富的外設資源--5個定時器、16路通道的10位A/D轉換器及通信接口，即SPI、I2C、UART和PMP，同時PIC32還有集成的CRC計算功能和基于模式的傳輸終端選擇功能的DMA控制器。此外，PIC32MX5/6/7系列包括10/100 Mbps以太網、CAN2.0b控制器、USB主設備/從設備和OTG功能。

PIC32系列單片機不僅比PIC 8位、16位單片機速度更快、性能更強，同時相對于ARM系列的32位單片機也具有一定的優勢。雖然Microc-hip能選擇的MISP 4K最高時鐘頻率只有80 MHz，但是由于MIPS內核簡潔，多家處理器評估機構確認PIC32的處理能力總體性能更高，而且PI-C32的指令多為單周期指令，比多周期指令執行速度更迅捷。PIC32系列單片機多達128 KB的RAM，使其在數據處理上更具優。Microchip微公司還有一個非常獨特的優勢，就是該公司所有8、16和32位的器件都是充分兼容的，所有的這些全系列的產品使用的都是同樣的開發工具，單一的開發環境，軟件庫也是全面兼容的，這對于客戶更為方便。此外，Ashling、Green Hills及Hi-Tech提供了完整工具鏈支持，CM-X、Exp-ress Logic等提供RTOS支持，EasyGUI、Segger、RamTeX及Micrium等提供繪圖工具支持。值得一提的是，微芯公司為開發人員準備了入門工具包，示例源文件，同時免費提供了如USB、TCP/IP協議棧，以及Graphics和FATl6文件系統開發的中間件模塊。PIC32的MPLAB C32編譯器包括了16位Microchip MCU兼容的軟件外設函數庫，以更加方便快捷地使用外沒模塊。Microchip集成開發工具支持所有PIC32型號單片機，包括MPLAB集成開發環境（IDE）、MPLAB C32 C編譯器、MPLAB REAL ICE仿真系統、MPLAB ICD2在線調試器及Explore 16開發板等。

PIC32微處理器的最大優勢在于速度快、高性能、芯片集成度高和外圍接口豐富，并且目前 PIC32芯片的價格也只略高于單片機。在PIC32上可以移植無MMU的嵌入式實時操作系統，容易實現多任務調度，而且簡化了LCD顯示、硬盤存儲、網絡通訊等功能的開發，大大減少了產品的開發周期，同時系統更兼具了運算能力強大的優點。本方案不僅滿足設備具有較高處理速度和處理能力的要求，而且具備了實時處理能力，最后也考慮到了成本的問題。