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

0 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(kāi)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(kāi)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。