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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:張哲維
研究生(外文):Che-Wei, Chang
論文名稱:嵌入式無線電力品質資料傳輸系統
論文名稱(外文):Embedded Wireless Power Quality Data Transmission System
指導教授:楊文然
指導教授(外文):Wen-Ren, Yang
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:72
中文關鍵詞:電力品質資料壓縮哈爾小波轉換霍夫曼編碼FPGAZigBee
外文關鍵詞:Power QualityData CompressionHaar Wavelet TransformHaffman CodingFPGAZigBee
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近年來台灣高科技產業快速的發展下,高科技產業的生產設備被廣泛的使用,這些高科技生產設備不同於一般電器,對於電力品質的要求更為嚴格,常常因為供應的電力不穩定而使得生產設備停擺,進而造成電力公司與用戶之間的爭議。為了要改善電力品質的問題,首先必須要先檢測出電力數據的情況,因此對於半導體產業的供電設備發生電力品質不穩定時所發生的時間、振幅大小及頻率等問題,必須要有一套完整的系統進行長期監測,在發生問題時以提供電力公司與用戶端之間釐清事故的責任。
本文的目的在於監測電力品質的狀況,首先會使用量測電路測量需要監測的波形,將波形輸入到嵌入式系統中做哈爾小波轉換,接下來將轉換後的小波係數會透過霍夫曼資料壓縮演算法將小波係數進行壓縮,並且由ZigBee無線傳輸將資料傳送到伺服端儲存,運用伺服端的解壓縮及小波逆轉換介面將資料回復為原始波形。此系統利用Quartus II與NIOS II作為實驗平台,並實現於Altera cyclone FPGA發展平台上。實驗分析運用了Matlab將解壓縮後的小波係數與小波逆轉換後的原始波形進行資料的比對與驗證,並且計算每筆資料的均方根誤差。結果證實經由小波轉換、資料壓縮與無線傳輸後所回復的資料可以重建為原始電力訊號。

Recently, a rapid development of the high-tech industry results in a wide use of high-tech production equipment. This high-tech production equipment is different from normal appliances which is stricter in the requirement of power quality. The suspension of production from the instability of power supply frequently causes the conflict between users and power companies. In order to solve the problem of the power quality, the analysis of power data needs to be firstly conducted. For this purpose, we need a complete system to continuously monitor the time, the amplitude, and the frequency of the instability of power quality in the semiconductor industry supply equipment. Therefore, the responsibility between users and power companies can be clarified when the problem happens.
This study is intended to monitor the power quality. Firstly, the waveform in need of surveillance was measured using sensing circuit. Secondly, the waveform was input into embedded systems and conducted a Haar wavelet transform. The transformed wavelet coefficients were compressed using Huffman compression algorithm and the compressed data were further wirelessly transmitted to the server with ZigBee. Finally, the data was decompressed in the server and transformed into the original waveform using an inverse wavelet transform interface. This system performed on the development platform of Altera cyclone FPGA used Quartus II and NIOS II as an experimental platform. This study performed comparison between decompressed and inverse wavelet transformed data using Matlab. Moreover, the root mean squared error between decompressed and inverse wavelet transformed data was also estimated. The results indicate the back-transformed data through wavelet transform, data compression and wireless transmitting can reconstruct the original power signal.

目錄
中文摘要………………………………………………………………………... i
英文摘要……………………………………………………………………….. ii
誌謝………………………………………………………………………………. iv
目錄……………………………………………………………………………….. v
圖目錄……………………………………………………………………….. viii
表目錄……………………………………………………………………………. xi

第一章 緒論……………………………………………………………………… 1
1.1 研究背景與動機……………………………………………... 1
1.2 研究目的……………………………………………………... 2
1.3 研究方法……………………………………………………... 2
1.4 論文架構……………………………………………………………... 3
第二章 資料壓縮理論…………………………………………………………… 4
2.1 概論…………………………………………………………………... 4
2.2 資料壓縮介紹………………………………………………………... 4
2.2.1 壓縮資料類型……………………………………………… 6
2.2.2 壓縮技術類型……………………………………………… 8
2.3 哈爾小波轉換………………………………………………... 8
2.4 霍夫曼編碼…………………………………………………………. 10
第三章 系統設計架構……………………………………………………….. 15
3.1 簡介………………………………………………………………. 15
3.2 硬體系統架構……………………………………………………. 16
3.2.1 量測電路系統架構……………………………………….. 17
3.2.1.1 箝位電路……………………………………... 18
3.2.1.2 霍爾感測器…………………………………... 20
3.2.2 Altera DE0-Nano……………………………………... 21
3.2.2.1 UART……………………………………………. 22
3.2.2.2 RS-232………………………………………… 24
3.2.3 ZigBee…………………………………………………... 27
3.2.3.1 ZigBee協定規格架構………………………… 28
3.3 軟體系統架構…………………………………………………. 30
3.3.1 霍夫曼壓縮與解壓縮…………………………….. 30
3.3.2 傳送接收端流程………………………………….. 33
3.3.2.1 監控端流程…………………………... 34
3.3.2.2 伺服端流程……………………………... 35
3.4 NIOS II系統元件設計………………………………………… 37
第四章 實驗結果與分析…………………………………………………….. 40
4.1 簡介…………………………………………………………………. 40
4.2 裝置一電力資料分析………………………………………………. 41
4.2.1 裝置一電力資料之小波轉換…………………………….. 42
4.2.2 裝置一電力資料之壓縮………………………………….. 44
4.2.3 裝置一電力資料之解壓縮……………………………….. 45
4.2.4 裝置一電力資料之小波逆轉換………………………….. 47
4.3 裝置二電力資料分析……………………………………………. 48
4.3.1裝置二電力資料之小波轉換………………………... 49
4.3.2裝置二電力資料之壓縮……………………………... 51
4.3.3裝置二電力資料之解壓縮…………………………... 51
4.3.4裝置二電力資料之小波逆轉換……………………... 53
4.4 小結……………………………………………………………. 55
第五章 結論與未來展望…………………………………………………….. 57
5.1 結論………………………………………………………………. 57
5.2 未來展望…………………………………………………………. 58
參考文獻………………………………………………………………………… 59
附錄……………………………………………………………………………… 62

圖目錄
圖2.1壓縮與重建………………………………………………………………… 5
圖2.2小波轉換與霍夫曼壓縮的壓縮與還原…………………………………… 6
圖2.3多層小波轉換過程……………………………………………………… 10
圖2.4兩個循環後的霍夫曼樹…………………………………………………. 12
圖2.5霍夫曼樹…………………………………………………………………. 13
圖3.1 Altera Cyclone IV EP4CE22F17C6N嵌入式系統………………………. 16
圖3.2硬體系統架構………………………………………………………….. 17
圖3.3量測電路系統架構…………………………………………………….. 18
圖3.4箝位電路二極體導通………………………………………………….. 19
圖3.5箝位電路二極體不導通……………………………………………….. 19
圖3.6原始訊號與箝位後的波形…………………………………………….. 20
圖3.7霍爾感測器…………………………………………………………….. 21
圖3.8 Altera 16550 UART架構圖………………………………………… 23
圖3.9 MAX232轉換電路………………………………………………………. 25
圖3.10 RS-232通訊格式………………………………………………….. 27
圖3.11 ZigBee無線傳輸器………………………………………………... 28
圖3.12 ZigBee/IEEE802.15.4規格架構示意圖………………………... 30
圖3.13霍夫曼壓縮流程圖……………………………………………………… 31
圖3.14霍夫曼解壓縮流程圖…………………………………………………… 32
圖3.15解壓縮介面……………………………………………………………… 33
圖3.16傳送接收流程圖………………………………………………………… 34
圖3.17傳輸封包格式…………………………………………………………… 34
圖3.18監控端流程圖…………………………………………………………… 35
圖3.19伺服端流程……………………………………………………………… 36
圖3.20伺服端介面……………………………………………………………… 37
圖3.21嵌入式系統架構………………………………………………………… 39
圖4.1系統實驗平台…………………………………………………………… 40
圖4.2裝置一原始電壓波形…………………………………………………… 42
圖4.3裝置一波形1的(a)近似係數與(b)細節係數………………………. 43
圖4.4裝置一波形2的(a)近似係數與(b)細節係數……………………………43
圖4.5裝置一波形3的(a)近似係數與(b)細節係數………………………… 44
圖4.6裝置一波形4的(a)近似係數與(b)細節係數……………………….44
圖4.7裝置一電力資料壓縮…………………………………………………… 45
圖4.8裝置一波形1解壓縮的(a)近似係數與(b)細節係數………………… 45
圖4.9裝置一波形2解壓縮的(a)近似係數與(b)細節係數……………….. 46
圖4.10裝置一波形3解壓縮的(a)近似係數與(b)細節係數………………… 46
圖4.11裝置一波形4解壓縮的(a)近似係數與(b)細節係數………………… 46
圖4.12裝置一還原的電壓波形………………………………………………… 47
圖4.13裝置二原始電壓波形…………………………………………………… 48
圖4.14裝置二波形1的(a)近似係數與(b)細節係數………………………… 49
圖4.15裝置二波形2的(a)近似係數與(b)細節係數………………………… 50
圖4.16裝置二波形3的(a)近似係數與(b)細節係數………………………… 50
圖4.17裝置二波形4的(a)近似係數與(b)細節係數………………………… 50
圖4.18裝置二電力資料壓縮…………………………………………………… 51
圖4.19裝置二波形1解壓縮的(a)近似係數與(b)細節係數………………… 52
圖4.20裝置二波形2解壓縮的(a)近似係數與(b)細節係數…………………52
圖4.21裝置二波形3解壓縮的(a)近似係數與(b)細節係數………………… 52
圖4.22裝置二波形4解壓縮的(a)近似係數與(b)細節係數………………… 53
圖4.23裝置二還原的電壓波形………………………………………………… 54

表目錄
表2.1符號列表(a) ……………………………………………………………. 11
表2.2符號列表(b) …………………………………………………………… 12
表2.3霍夫曼編碼表………………………………………………………….. 14
表3.1 RS-232腳位說明……………………………………………………… 25
表4.1裝置一電力資料壓縮匯整…………………………………………….. 56
表4.2裝置二電力資料壓縮匯整…………………………………………….. 56


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