基于A(yíng)RM920T的嵌入式電力參數檢測系統設計

引言

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電力機車(chē)、地鐵和電動(dòng)汽車(chē)等將得到廣泛的應用。這些用電設備的電能變換與控制系統均采用雙向變流設備來(lái)實(shí)現節能運行。因此，電力參數檢測裝置對能量的雙向計量問(wèn)題越來(lái)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。

傳統的電力參數檢測裝置一般都是基于單片機或DSP設計的，前者受運算速度和處理數據能力的限制，越來(lái)越難以滿(mǎn)足目前電力參數檢測裝置的需要;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操作系統的電力參數檢測裝置。

1、系統硬件設計 電力參數檢測裝置的硬件部分采用嵌入式Linux操作系統和ARM結合的開(kāi)發(fā)平臺，不僅具有較強的數字信號處理能力，而且系統可靠性和實(shí)時(shí)性也較高，圖1所示是其硬件結構框圖。

1.1核心微處理器

本系統采用深圳優(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。

該系統充分利用ST2410豐富的外設接口go簡(jiǎn)化了外圍接口電路的設計。通過(guò)UART或USB接口都可實(shí)現宿主機與目標機的通信，ST2410集成有一個(gè)含有采樣和保持功能的10位ADC模塊，其最大轉換速率為500 ksps，而且采樣通道數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位模數轉換結果寄存器，模數轉換的啟動(dòng)和停止方式非常靈活，并可以通過(guò)軟件設置來(lái)啟動(dòng)模數轉換功能，也可以通過(guò)查詢(xún)或中斷方式來(lái)判斷其自帶的8通道10位A/D轉換器是否可對外部的模擬信號進(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和按鍵的擴展。

此外，還嵌入了功能強大的Linux操作系統。由于Linux是自由軟件，因此，用戶(hù)可以自行編譯內核，修改和擴充操作系統。最重要的是Linux是全面的多任務(wù)和真正的32位操作系統，其內核十分穩定、小巧靈活、易于剪裁，這些都為系統的高效穩定運行提供了基礎。

1.2信號采集單元的設計

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

(1)傳感器的選擇

本設計選用的LTS25-NP多極電流傳感器和IN28-P電壓傳感器具有反應時(shí)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(xiàn)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(dòng)輸入法對信號進(jìn)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準的正弦波(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。而要設計濾波電路，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，要設計電平轉換電路，以使其消除電流傳感器輸出帶的2.5 V直流分量，并進(jìn)行電平轉換，使其滿(mǎn)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，設計時(shí)在信號輸入通道上應采取隔離措施。由于數據采集所得到的是模擬信號，不能用普通的光電耦合器來(lái)進(jìn)行隔離，所以，本系統選用ISO124線(xiàn)性光耦，該光耦具有1：1的傳輸比，線(xiàn)性度達0.1%，足以滿(mǎn)足系統要求。

2、系統軟件設計

系統軟件設計主要是驅動(dòng)程序的編寫(xiě)和用戶(hù)應用程序的編寫(xiě)兩部分。

操作系統一般提供設備驅動(dòng)程序來(lái)完成對特定硬件的控制，從而建立應用程序和設備之間的抽象接口，而不是應用程序直接操作硬件。設備驅動(dòng)程序實(shí)際是處理和操作硬件控制器的軟件，從本質(zhì)上講，是內核中具有最高特權級的、駐留內存的、可共享的底層硬件處理例程。

用戶(hù)應用程序主要是針對系統要求來(lái)編寫(xiě)的，用以完成特定的功能。其主程序流程圖如圖3所示。

應用程序主要實(shí)現的功能，一是數據采集，即定時(shí)采樣電壓與電流信號的瞬時(shí)值;二是數據的處理和計算，就是計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(pán)和LED人機接口功能，主要用來(lái)完成參數的設定和數據的顯示。

3、電力參數的采樣與計算

為了計算電壓和電流的有效值，有功功率、無(wú)功功率等電力參數，需要對電壓和電流的瞬時(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(cháng)。其中，軟件同步采樣由定時(shí)器中斷實(shí)現，不需要專(zhuān)門(mén)的鎖相環(huán)和同步電路，與硬件同步采樣相比，該方法的結構相對簡(jiǎn)單。因此，本系統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，來(lái)設置定時(shí)器中斷時(shí)間常數△T，使每周期等間隔采樣點(diǎn)N=256作為實(shí)際的采樣數據。

3.1 電壓電流有效值的計算

周期為T(mén)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)周期內的方均根值，即：

將交流電壓u在一個(gè)周期T內分為間隔為△T的N個(gè)子區間，則有△T=T/N，這樣，當△T足夠小時(shí)，在每個(gè)子區間上的電壓值變化很小(可視為常數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木匦蚊}沖u'和i'，然后將u'和i'送入與門(mén)，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(10ms)，這樣，將ui送入微機，便可可測出相應的脈寬T2，此時(shí)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OφO90°時(shí)，能量流入;而90°OφO180°當時(shí)，能量流出。

4、電能的雙向計量方法

能量的雙向流動(dòng)指的是用電設備電能的流入與流出。根據式(5)可判斷能量的流動(dòng)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(gè)周期內的視在功率Sj、有功功率Pj和無(wú)功功率Qj，其具體公式分別如下：

4.2電能的計量

一個(gè)用電設備在M個(gè)周期內所需的電能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備運行時(shí)間。這樣，由式(9)可知：

當Pj>0時(shí)，用電設備吸收能量，其值可用E1表示，同時(shí)在Pj0時(shí)，用電設備輸出能量，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(shí)現電能的雙向計量。

5、結束語(yǔ)

本文設計的電力參數檢測裝置充分利用了32位ARM處理器的運算速度快、處理數據能力強及片上資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，而配以多任務(wù)操作系統Linux，則較大程度地解決了測量精度與實(shí)時(shí)性之間的矛盾。同時(shí)，系統的雙向計量功能，使得此系統在雙向變流裝置中對電力參數的檢測和能量的雙向計量具有重要意義。