基于ARM7TDMI的配電綜合測(cè)控儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
0 引言
為了能對(duì)大量負(fù)荷進(jìn)行在線監(jiān)控。很多公司較早地研制了基于單片機(jī)技術(shù)，能對(duì)配電變壓器或配電線路負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)、電容器投切、電量采集等進(jìn)行綜合監(jiān)控的配電綜合測(cè)控儀。但是，由于供電系統(tǒng)負(fù)荷的復(fù)雜性，特別是用戶非線性負(fù)荷的大量使用，企業(yè)對(duì)諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越重視，因此，對(duì)配電綜合測(cè)控儀的要求也隨之提高，而且普遍要求增加諧波、頻率監(jiān)測(cè)和通信組網(wǎng)等功能。為了解決這些問(wèn)題。本文以PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2220FBD144為核心，研制出了新一代的配電綜合測(cè)控儀。
1硬件電路設(shè)計(jì)
1.1硬件電路總體結(jié)構(gòu)
本裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它主要由數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤顯示、通信接口等單元組成。其中運(yùn)算處理單元是核心部分，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)處理、快速傅立葉變換(FFT)等功能?？紤]配電綜合測(cè)控儀要求的運(yùn)算速度、精度、硬件資源等需要，本設(shè)計(jì)選擇了PHILIPS公司的LPC2220FBD144型ARM7芯片。
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該LPC2220FBD144芯片是LPC2200系列中性價(jià)比較好的一款A(yù)RM7芯片，采用LQFP封裝，四條邊上各有36個(gè)引腳。該芯片具有改進(jìn)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)(指令和數(shù)據(jù)共用一條32位總線)，采用三級(jí)流水線，可以同時(shí)進(jìn)行幾個(gè)操作，并能使外處理和存儲(chǔ)器系統(tǒng)連續(xù)操作。該芯片內(nèi)嵌高達(dá)256KB的高速閃爍存儲(chǔ)器、64 KB靜態(tài)RAM、32位的算術(shù)邏輯單元、32位累加器、64位的乘法器以及精簡(jiǎn)指令集，其指令最短周期可以達(dá)到17 ns。這些特點(diǎn)使它的操作非常靈活，處理能力強(qiáng)并且速度快。由于其應(yīng)用程序可以固化在CPU內(nèi)部，因而不但可以降低成本、減少體積，系統(tǒng)升級(jí)也比較方便，而且它的功耗低、資源配置靈活，非常適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和處理。 1.2數(shù)據(jù)采集電路
本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集電路由PT與CT、信號(hào)整理和A／D轉(zhuǎn)換三部分組成，實(shí)時(shí)電流和電壓經(jīng)過(guò)PT、CT以及信號(hào)整理電路后，可變成0～3.3 V的模擬信號(hào)，然后經(jīng)模擬轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)字化處理。數(shù)據(jù)采集部分的硬件電路如圖2所示(6路采集電路中的一路Ua)。
根據(jù)測(cè)量諧波等參數(shù)和數(shù)字抗頻率混疊的要求，本裝置對(duì)信號(hào)波形按每個(gè)周期128點(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣周期為156μs。ARM7內(nèi)部的A／D是8路輸入的10位逐次逼模一數(shù)轉(zhuǎn)換器，由于它可以對(duì)電流和電壓進(jìn)行同步采樣，而且精度比較高，所以本設(shè)計(jì)沒(méi)有再使用其它外圍A／D芯片。
1.3存儲(chǔ)器和時(shí)鐘電路
存儲(chǔ)器主要由三星公司的NAND FLASH存儲(chǔ)器芯片組成.NAND FLASH是容量為16 MB的非易失閃爍存儲(chǔ)器芯片，可用于存放采集來(lái)的數(shù)據(jù)和已備上傳的歷史數(shù)據(jù)。
時(shí)鐘采用PHILIPS公司的PCF8563芯片。該芯片具有低功耗CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷，而且外圍接口簡(jiǎn)單，精度和可靠性高，工作穩(wěn)定。芯片最大總線速度為400 kbits／s，每次讀寫(xiě)數(shù)據(jù)后，其內(nèi)嵌的字地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。PCF8563有16個(gè)8位寄存器，并有可自動(dòng)增量的地址寄存器、內(nèi)置32.768 kHz的振蕩器(帶有一個(gè)內(nèi)部集成電容)、分頻器(用于給實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC提供源時(shí)鐘)、可編程時(shí)鐘輸出、定時(shí)器、報(bào)警器、掉電檢測(cè)器和400 kHz的I2C總線接口等；同時(shí)具有計(jì)秒、分、時(shí)、星期、日、月、年以及閏年補(bǔ)償功能，可用二進(jìn)制數(shù)碼和BCD碼表示時(shí)間、日歷和定鬧。安上鋰電池以后，斷電情況下可以十年不丟失數(shù)據(jù)，功能上完全可以滿足本裝置的需要。
1.4通訊電路
本產(chǎn)品采用了兩路通訊電路，一路為RS-485總線接口，另一路為RS-232總線接口。RS-485總線接口的總線收發(fā)器使用SP3485。SP3485是一個(gè)3.3 V的低功耗半雙工收發(fā)器，它完全滿足RS-485串行協(xié)議的要求，符合RS-485的電氣規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Mbps(帶負(fù)載)。由于RS-485總線所占用的IO口線與UART0的口線是復(fù)用的，所以，在進(jìn)行RS485總線通信時(shí)，必須停止UART0接口的通信。RS485通信的方向由P2.16控制，當(dāng)P2.16為低時(shí)，核心板接收總線數(shù)據(jù)；當(dāng)P2.16為高時(shí)，核心板向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其電路圖如圖3所示。
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RS-232總線接口的總線收發(fā)器使用SP3232E。SP3232E系列芯片是一個(gè)2驅(qū)動(dòng)器／2接收器的低功耗器件，SP3232E有一個(gè)高效電荷泵，工作電壓為3.3 V時(shí)，只需0.1μF電容就可以進(jìn)行操作。電荷泵允許SP3232E系列器件在3.3～5.0 V內(nèi)的某個(gè)電壓下發(fā)送符合RS-232的信號(hào)。由于本產(chǎn)品是3.3 V系統(tǒng)，因此使用SP3232E進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換，其電路圖如圖4所示。
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為實(shí)現(xiàn)測(cè)控儀的功能和采集變壓器油溫等直流量，測(cè)控儀硬件電路還應(yīng)包括鍵盤接口電路、看門狗電路、直流采樣電路等。其中，鍵盤接口電路可直接用鍵盤掃描輸入電路來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)功能，并通過(guò)128×64點(diǎn)陣液晶顯示來(lái)顯示各數(shù)據(jù)和圖形；看門狗電路由MAX705構(gòu)成，如果在1秒鐘內(nèi)沒(méi)有收到低電平信號(hào)，它將發(fā)出一個(gè)復(fù)位信號(hào)給ARM7，以使系統(tǒng)復(fù)位；直流采樣電路主要實(shí)現(xiàn)變壓器溫度等直流量的采集和測(cè)量，測(cè)控儀采用250 Ω的采樣電阻來(lái)將4～20 mA電流信號(hào)變?yōu)?～5 V電壓信號(hào)來(lái)檢測(cè)油溫等。
2采樣數(shù)據(jù)的處理
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)所包含的大量噪聲干擾和高次諧波會(huì)引起諧波測(cè)量、頻率測(cè)量等方面的誤差，對(duì)于FFT算法如果采樣值不能均勻分布在信號(hào)周期內(nèi)，也將造成頻譜泄露，從而帶來(lái)很大的測(cè)量誤差，所以對(duì)采樣數(shù)據(jù)必須進(jìn)行處理。
2.1噪聲的處理
電力系統(tǒng)中的各種噪聲一般可以認(rèn)為是隨機(jī)性白噪聲。這些年，相繼有學(xué)者提出過(guò)許多消除噪聲的方法，如小波變換法等。小波變換在時(shí)頻域同時(shí)存在時(shí)具有良好的局部化特性，可根據(jù)信號(hào)不同頻率成分自動(dòng)調(diào)節(jié)取樣密度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)消噪處理。但是小波變換在頻譜分析方面沒(méi)有明顯優(yōu)越性?？紤]到測(cè)控儀的改進(jìn)重點(diǎn)是增加諧波功能以及ARM7硬件對(duì)FFT的方便性，本設(shè)計(jì)依然采用FFT為基本算法來(lái)尋求基于FFT算法的消噪方法。
采用FFT算法消噪可以在窗函數(shù)上做文章，可以參考使用余弦窗來(lái)提高精度的思路，以及正弦信號(hào)自相關(guān)函數(shù)為同頻率的余弦函數(shù)，而白噪聲函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)幾乎為零的特性來(lái)消除白噪聲。采用加余弦窗函數(shù)方法進(jìn)行修正可以減少信號(hào)中的白噪聲影響，提高測(cè)控儀的諧波測(cè)量精度。其周期信號(hào)X(n)=sinωn的自相關(guān)的函數(shù)為：
式中，N為采樣點(diǎn)數(shù)。
2.2頻譜混疊的防止
諧波測(cè)量中要處理的信號(hào)是采樣和A／D變換得到的數(shù)字信號(hào)。要獲得準(zhǔn)確的FFT運(yùn)算結(jié)果，必須滿足Nyquist采樣定理，以防止頻譜混疊造成的測(cè)量誤差。防止頻譜混疊通常是用模擬濾波器濾除采樣頻率fs一半的高頻信號(hào)，但由于模擬濾波器在低頻帶難以保證較好的物理特性；而本測(cè)控儀的采樣頻率又較高，因此，可采用模擬濾波器和數(shù)字濾波器相結(jié)合，同時(shí)考慮諧波測(cè)量范圍的方法來(lái)減少頻譜混疊的影響。
2.3同步采樣處理
根據(jù)FFT的原理要求，采樣點(diǎn)應(yīng)均勻分布在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)(即實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣)，否則會(huì)引起信號(hào)頻譜泄露，從而造成測(cè)量誤差。由于硬件同步技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它會(huì)提高測(cè)控儀制造成本，因此，本文采用軟件同步來(lái)實(shí)現(xiàn)同步采樣。軟件同步實(shí)質(zhì)是一種補(bǔ)償方法，主要思想是采用軟件方法來(lái)跟蹤信號(hào)頻率的變化，并利用可變窗函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)周期的同步采樣，以減少頻譜泄露造成的誤差。軟件同步的關(guān)鍵是如何實(shí)時(shí)檢測(cè)和確定信號(hào)的頻率。 該測(cè)控儀采用復(fù)序列FFT和鎖相環(huán)來(lái)直接對(duì)電壓或電流信號(hào)采樣值進(jìn)行處理，然后配合數(shù)字濾波技術(shù)求得信號(hào)過(guò)零并得到信號(hào)頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的同步采樣，同時(shí)完成信號(hào)頻率的測(cè)量。這種檢測(cè)和確定信號(hào)頻率的方法計(jì)算簡(jiǎn)單、跟蹤速度快、測(cè)控儀的采樣率較高，能夠得到較高的測(cè)量精度，完全可以滿足工程實(shí)際的需要。
3測(cè)控儀軟件設(shè)計(jì)
依據(jù)上述數(shù)據(jù)處理思路和數(shù)據(jù)采集、參數(shù)計(jì)算的算法，下面介紹該測(cè)控儀的軟件設(shè)計(jì)方法。 3.1軟件設(shè)計(jì)思路
新改進(jìn)和研制的測(cè)控儀在保留原來(lái)電容投切、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)、電量采集等功能基礎(chǔ)上，由于還要增加諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測(cè)，因而軟件涉及的算法較多，數(shù)據(jù)處理工作量較大；另外，ARM7不同于單片機(jī)，軟件的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因此，本測(cè)控儀的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了提高程序代碼效率、滿足實(shí)時(shí)性要求，該測(cè)控儀采用C語(yǔ)言語(yǔ)言編程，整個(gè)測(cè)控儀軟件由主程序和多個(gè)應(yīng)用子程序組成。
主程序來(lái)完成硬件初始化、硬件自檢和循環(huán)操等功能；子程序包括數(shù)據(jù)采集處理、電容器投切控制、電量和運(yùn)行參數(shù)計(jì)算、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、上位機(jī)串行通信等程序。主、子程序采用中斷方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和處理，程序設(shè)計(jì)采用由頂向下、逐步細(xì)化的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法。
3.2 FFT的實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)FFT時(shí)，必須解決數(shù)據(jù)溢出問(wèn)題。由N點(diǎn)DFT計(jì)算公式：
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設(shè)A和B為歸一化的輸入，那么，在復(fù)數(shù)時(shí)間抽取FFT運(yùn)算時(shí)，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為：1+cos45°+sin45°+2.414。而在實(shí)數(shù)DIT的FFT運(yùn)算中，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為2，因此，可在每一級(jí)FFT計(jì)算中。事實(shí)上，用因子2進(jìn)行歸一化。對(duì)ARM7運(yùn)用芯片的移位特性和用2歸一化，不會(huì)增加任何運(yùn)算量。這樣，如果FFT包含M級(jí)，則輸出相當(dāng)于除以2M=N。其中N為FFT的長(zhǎng)度。
3.3諧波參數(shù)的計(jì)算
參數(shù)計(jì)算采用N=128點(diǎn)FFT算法，計(jì)算結(jié)果依次存放為A0、B0、A1、B1、……、An、Bn。其中An為n次諧波的實(shí)部，Bn為n次諧波的虛部。這樣，即可計(jì)算出各次諧波的(以電壓為例)相角、幅值和諧波畸變率、含有率等指標(biāo)：
這樣，依據(jù)計(jì)算的電壓、電流和相角，便可計(jì)算電網(wǎng)的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電力電量等各種參數(shù)值，從而按照相關(guān)策略實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器等設(shè)備的控制。各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)還可送計(jì)算機(jī)中長(zhǎng)期保存，并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，實(shí)現(xiàn)配電監(jiān)控管理。
4結(jié)束語(yǔ)
依據(jù)供電企業(yè)對(duì)配電測(cè)控功能的新要求，本文以PHILIPS公司的LPC2220FBM144芯片為核心，充分運(yùn)用ARM7強(qiáng)大的運(yùn)算能力，給出了新一代配電綜合測(cè)控儀的研制方法。實(shí)際使用證明，其采用的算法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)是完全可行的。
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