基于ARM920T的嵌入式電力參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計
引言
隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,電力機車、地鐵和電動汽車等將得到廣泛的應(yīng)用。這些用電設(shè)備的電能變換與控制系統(tǒng)均采用雙向變流設(shè)備來實現(xiàn)節(jié)能運行。因此,電力參數(shù)檢測裝置對能量的雙向計量問題越來越受到人們的關(guān)注,并已成為電能檢測與計量技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。
傳統(tǒng)的電力參數(shù)檢測裝置一般都是基于單片機或DSP設(shè)計的,前者受運算速度和處理數(shù)據(jù)能力的限制,越來越難以滿足目前電力參數(shù)檢測裝置的需要;而后者的輸出控制能力又較差。為此,本文介紹了一種以ARM920T為核心并嵌入Linux操作系統(tǒng)的電力參數(shù)檢測裝置。
1、系統(tǒng)硬件設(shè)計 電力參數(shù)檢測裝置的硬件部分采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)和ARM結(jié)合的開發(fā)平臺,不僅具有較強的數(shù)字信號處理能力,而且系統(tǒng)可靠性和實時性也較高,圖1所示是其硬件結(jié)構(gòu)框圖。
1.1核心微處理器
本系統(tǒng)采用深圳優(yōu)龍公司的ST2410為核心開發(fā)板,該板是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器.該處理器的工作頻率高達203 MHz。
該系統(tǒng)充分利用ST2410豐富的外設(shè)接口go簡化了外圍接口電路的設(shè)計。通過UART或USB接口都可實現(xiàn)宿主機與目標(biāo)機的通信,ST2410集成有一個含有采樣和保持功能的10位ADC模塊,其最大轉(zhuǎn)換速率為500 ksps,而且采樣通道數(shù)和通道的采樣順序可以通過編程來決定。該模塊還具有16位模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器,模數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動和停止方式非常靈活,并可以通過軟件設(shè)置來啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換功能,也可以通過查詢或中斷方式來判斷其自帶的8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器是否可對外部的模擬信號進行采樣。另外,ST2410上還自帶117個GPIO口,通過這些接口可以進行LED和按鍵的擴展。
此外,還嵌入了功能強大的Linux操作系統(tǒng)。由于Linux是自由軟件,因此,用戶可以自行編譯內(nèi)核,修改和擴充操作系統(tǒng)。最重要的是Linux是全面的多任務(wù)和真正的32位操作系統(tǒng),其內(nèi)核十分穩(wěn)定、小巧靈活、易于剪裁,這些都為系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行提供了基礎(chǔ)。
1.2信號采集單元的設(shè)計
信號采集單元的作用是采集交流電壓與電流信號,它將采集的信號調(diào)理成0~3.3 V后送到處理器進行處理,以滿足A/D輸入要求。
(1)傳感器的選擇
本設(shè)計選用的LTS25-NP多極電流傳感器和IN28-P電壓傳感器具有反應(yīng)時間快、共模抑制比強、低溫漂與頻帶寬、抗外界干擾能力強、精度高、線形度好等優(yōu)點。
(2)前置放大
由于差動放大器的輸入阻抗很高,對信號源索取的電流很小,可以提高共模抑制能力和測量精度。因此,前置放大器一般采用差動輸入法對信號進行處理。
(3)濾波
經(jīng)檢測,感性負載上的電壓與電流波形都不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波(其基波是正弦波),因此,為了得到平滑的正弦波,需要濾掉高次諧波。而要設(shè)計濾波電路,通常可采用二階有源帶通濾波電路來取得較好的濾波效果,其波形如圖2所示。
(4)電平轉(zhuǎn)換
電流傳感器LTS25-NP的輸出帶有2.5 V直流分量,而S3C2410芯片上A/D的輸入范圍為0~3.3V,因此,要設(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路,以使其消除電流傳感器輸出帶的2.5 V直流分量,并進行電平轉(zhuǎn)換,使其滿足A/D端口的電壓輸入范圍。
(5)隔離
為了保護芯片不受外界干擾而損壞,設(shè)計時在信號輸入通道上應(yīng)采取隔離措施。由于數(shù)據(jù)采集所得到的是模擬信號,不能用普通的光電耦合器來進行隔離,所以,本系統(tǒng)選用ISO124線性光耦,該光耦具有1:1的傳輸比,線性度達0.1%,足以滿足系統(tǒng)要求。
2、系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是驅(qū)動程序的編寫和用戶應(yīng)用程序的編寫兩部分。
操作系統(tǒng)一般提供設(shè)備驅(qū)動程序來完成對特定硬件的控制,從而建立應(yīng)用程序和設(shè)備之間的抽象接口,而不是應(yīng)用程序直接操作硬件。設(shè)備驅(qū)動程序?qū)嶋H是處理和操作硬件控制器的軟件,從本質(zhì)上講,是內(nèi)核中具有最高特權(quán)級的、駐留內(nèi)存的、可共享的底層硬件處理例程。
用戶應(yīng)用程序主要是針對系統(tǒng)要求來編寫的,用以完成特定的功能。其主程序流程圖如圖3所示。
應(yīng)用程序主要實現(xiàn)的功能,一是數(shù)據(jù)采集,即定時采樣電壓與電流信號的瞬時值;二是數(shù)據(jù)的處理和計算,就是計算電壓和電流的有效值、有功功率、無功功率,電能等;三是鍵盤和LED人機接口功能,主要用來完成參數(shù)的設(shè)定和數(shù)據(jù)的顯示。
3、電力參數(shù)的采樣與計算
為了計算電壓和電流的有效值,有功功率、無功功率等電力參數(shù),需要對電壓和電流的瞬時值進行采樣。目前主要有硬件同步采樣、軟件同步采樣和異步采樣三種采樣方式。這三種采樣方法各有所長。其中,軟件同步采樣由定時器中斷實現(xiàn),不需要專門的鎖相環(huán)和同步電路,與硬件同步采樣相比,該方法的結(jié)構(gòu)相對簡單。因此,本系統(tǒng)采用軟件同步采樣方法。其原理首先是以電網(wǎng)周期T為基礎(chǔ),來設(shè)置定時器中斷時間常數(shù)△T,使每周期等間隔采樣點N=256作為實際的采樣數(shù)據(jù)。
3.1 電壓電流有效值的計算
周期為T的電壓u、電流i的有效值定義為瞬時值的平方在一個周期內(nèi)的方均根值,即:
將交流電壓u在一個周期T內(nèi)分為間隔為△T的N個子區(qū)間,則有△T=T/N,這樣,當(dāng)△T足夠小時,在每個子區(qū)間上的電壓值變化很小(可視為常數(shù)近似用其離散值代表)。因此,電壓與電流的有效值可近似表示為:
其中,uk為第k個電壓采樣的瞬時值,ik為第k個電流采樣的瞬時值。
3.2相位角的測量
電壓u與電流i的相位角檢測原理如圖4所示。將u、i經(jīng)整形電路變?yōu)橄鄳?yīng)的矩形脈沖u'和i',然后將u'和i'送入"與"門,即可得到圖4-c所示的矩形脈沖ui,其脈寬T2反比于被測信號u和i之間的相位角。T1可視為常數(shù)(10ms),這樣,將ui送入微機,便可可測出相應(yīng)的脈寬T2,此時的相位角可由下式求出:
式(5)不僅能計算出相位角的大小,而且能反映能量的流向,其判定方法是當(dāng)∣φ∣<90°時,能量流入;而90°<∣φ∣<180°當(dāng)時,能量流出。
4、電能的雙向計量方法
能量的雙向流動指的是用電設(shè)備電能的流入與流出。根據(jù)式(5)可判斷能量的流動方向,從而分別計量流人與流出能量的多少。
4.1功率的計算
由式(3)、(4)、(5)可以得出一個周期內(nèi)的視在功率Sj、有功功率Pj和無功功率Qj,其具體公式分別如下:
4.2電能的計量
一個用電設(shè)備在M個周期內(nèi)所需的電能E可表示為:
式中,Pj表示第j個周期的有功功率;M表示以周期量表示的設(shè)備運行時間。這樣,由式(9)可知:
當(dāng)Pj>0時,用電設(shè)備吸收能量,其值可用E1表示,同時在Pj<0時,用電設(shè)備輸出能量,其值可用E2表示。
這樣,分別計量吸收與釋放的能量E1和E2,就能實現(xiàn)電能的雙向計量。
5、結(jié)束語
本文設(shè)計的電力參數(shù)檢測裝置充分利用了32位ARM處理器的運算速度快、處理數(shù)據(jù)能力強及片上資源豐富等優(yōu)點,而配以多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux,則較大程度地解決了測量精度與實時性之間的矛盾。同時,系統(tǒng)的雙向計量功能,使得此系統(tǒng)在雙向變流裝置中對電力參數(shù)的檢測和能量的雙向計量具有重要意義。