基于ARM920T的嵌入式電力參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電力機(jī)車、地鐵和電動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。因此，電力參數(shù)檢測(cè)裝置對(duì)能量的雙向計(jì)量問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，并已成為電能檢測(cè)與計(jì)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(cè)裝置一般都是基于單片機(jī)或DSP設(shè)計(jì)的，前者受運(yùn)算速度和處理數(shù)據(jù)能力的限制，越來(lái)越難以滿足目前電力參數(shù)檢測(cè)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(cè)裝置。

1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電力參數(shù)檢測(cè)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(tái)，不僅具有較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，而且系統(tǒng)可靠性和實(shí)時(shí)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(dá)203 MHz。

該系統(tǒng)充分利用ST2410豐富的外設(shè)接口go簡(jiǎn)化了外圍接口電路的設(shè)計(jì)。通過(guò)UART或USB接口都可實(shí)現(xiàn)宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)的通信，ST2410集成有一個(gè)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(guò)編程來(lái)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(dòng)和停止方式非常靈活，并可以通過(guò)軟件設(shè)置來(lái)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，也可以通過(guò)查詢或中斷方式來(lái)判斷其自帶的8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器是否可對(duì)外部的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。另外，ST2410上還自帶117個(gè)GPIO口，通過(guò)這些接口可以進(jìn)行LED和按鍵的擴(kuò)展。

此外，還嵌入了功能強(qiáng)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(kuò)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(yùn)行提供了基礎(chǔ)。

1.2信號(hào)采集單元的設(shè)計(jì)

信號(hào)采集單元的作用是采集交流電壓與電流信號(hào)，它將采集的信號(hào)調(diào)理成0～3.3 V后送到處理器進(jìn)行處理，以滿足A/D輸入要求。

(1)傳感器的選擇

本設(shè)計(jì)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(shí)間快、共模抑制比強(qiáng)、低溫漂與頻帶寬、抗外界干擾能力強(qiáng)、精度高、線形度好等優(yōu)點(diǎn)。

(2)前置放大

由于差動(dòng)放大器的輸入阻抗很高，對(duì)信號(hào)源索取的電流很小，可以提高共模抑制能力和測(cè)量精度。因此，前置放大器一般采用差動(dòng)輸入法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

(3)濾波

經(jīng)檢測(cè)，感性負(fù)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(jì)濾波電路，通?？刹捎枚A有源帶通濾波電路來(lái)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(jì)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(jìn)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(hù)芯片不受外界干擾而損壞，設(shè)計(jì)時(shí)在信號(hào)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(hào)，不能用普通的光電耦合器來(lái)進(jìn)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(dá)0.1%，足以滿足系統(tǒng)要求。

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序來(lái)完成對(duì)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(dòng)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(jí)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(duì)系統(tǒng)要求來(lái)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(shí)現(xiàn)的功能，一是數(shù)據(jù)采集，即定時(shí)采樣電壓與電流信號(hào)的瞬時(shí)值;二是數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，就是計(jì)算電壓和電流的有效值、有功功率、無(wú)功功率，電能等;三是鍵盤和LED人機(jī)接口功能，主要用來(lái)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(jì)算

為了計(jì)算電壓和電流的有效值，有功功率、無(wú)功功率等電力參數(shù)，需要對(duì)電壓和電流的瞬時(shí)值進(jìn)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(zhǎng)。其中，軟件同步采樣由定時(shí)器中斷實(shí)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(duì)簡(jiǎn)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(lái)設(shè)置定時(shí)器中斷時(shí)間常數(shù)△T，使每周期等間隔采樣點(diǎn)N=256作為實(shí)際的采樣數(shù)據(jù)。

3.1 電壓電流有效值的計(jì)算

周期為T的電壓u、電流i的有效值定義為瞬時(shí)值的平方在一個(gè)周期內(nèi)的方均根值，即：

將交流電壓u在一個(gè)周期T內(nèi)分為間隔為△T的N個(gè)子區(qū)間，則有△T=T/N，這樣，當(dāng)△T足夠小時(shí)，在每個(gè)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(gè)電壓采樣的瞬時(shí)值，ik為第k個(gè)電流采樣的瞬時(shí)值。

3.2相位角的測(cè)量

電壓u與電流i的相位角檢測(cè)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(cè)信號(hào)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(jī)，便可可測(cè)出相應(yīng)的脈寬T2，此時(shí)的相位角可由下式求出：

式(5)不僅能計(jì)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(shí)，能量流入;而90°<∣φ∣<180°當(dāng)時(shí)，能量流出。

4、電能的雙向計(jì)量方法

能量的雙向流動(dòng)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(dòng)方向，從而分別計(jì)量流人與流出能量的多少。

4.1功率的計(jì)算

由式(3)、(4)、(5)可以得出一個(gè)周期內(nèi)的視在功率Sj、有功功率Pj和無(wú)功功率Qj，其具體公式分別如下：

4.2電能的計(jì)量

一個(gè)用電設(shè)備在M個(gè)周期內(nèi)所需的電能E可表示為：

式中，Pj表示第j個(gè)周期的有功功率;M表示以周期量表示的設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。這樣，由式(9)可知：

當(dāng)Pj>0時(shí)，用電設(shè)備吸收能量，其值可用E1表示，同時(shí)在Pj<0時(shí)，用電設(shè)備輸出能量，其值可用E2表示。

這樣，分別計(jì)量吸收與釋放的能量E1和E2，就能實(shí)現(xiàn)電能的雙向計(jì)量。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電力參數(shù)檢測(cè)裝置充分利用了32位ARM處理器的運(yùn)算速度快、處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)及片上資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，而配以多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux，則較大程度地解決了測(cè)量精度與實(shí)時(shí)性之間的矛盾。同時(shí)，系統(tǒng)的雙向計(jì)量功能，使得此系統(tǒng)在雙向變流裝置中對(duì)電力參數(shù)的檢測(cè)和能量的雙向計(jì)量具有重要意義。