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基于ARM9電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集
黃 磊 ，楊維翰 ，許 昆
為了保證電力系統(tǒng)安全、可靠、高效地運(yùn)行，高質(zhì)量的電能供給是一項(xiàng)重要的工作。為此，利用便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量。ARM9的主頻高、速度快、內(nèi)存容易擴(kuò)展，可以運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，為應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)提供了方便的條件，其開(kāi)發(fā)板所用的處理器是ARM9一S3C2410�；贏RM9一S3C2410的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的整體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。
由圖1可知，該系統(tǒng)的硬件除了已經(jīng)擴(kuò)充了存儲(chǔ)器的ARM9一$3C2410A核心板外，還包括外圍信號(hào)調(diào)理、鍵盤及顯示等電路，以MAX1324組成的A／D和信號(hào)調(diào)理電路，是該數(shù)據(jù)采集的重要內(nèi)容，文中主要介紹這一部分的硬件和相關(guān)軟件設(shè)計(jì)。
1 數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)
開(kāi)發(fā)板ST2410的硬件資源豐富，提供了40腳外部擴(kuò)展接口，通過(guò)該接口，可以方便地?cái)U(kuò)展信號(hào)采集等外圍電路。信號(hào)調(diào)理部分電路的具體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
1．1 信號(hào)調(diào)理電路
模擬信號(hào)輸入前端電路，是利用電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)，對(duì)被采樣電壓和電流進(jìn)行隔離和電平轉(zhuǎn)換。一次互感先將電力電網(wǎng)的高壓、大電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的交流100 V和5 A，二次互感器再將其轉(zhuǎn)換成A／D芯片MAX1324輸入所要求的一10～+lO V電平，從而得到電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的全部原始數(shù)據(jù)。
抗混疊濾波器的作用，是將輸入信號(hào)中的高頻分量濾除，以防止被測(cè)信號(hào)的高頻干擾與有用的低頻信號(hào)發(fā)生混疊，影響測(cè)量精度�？够殳B濾波采用壓控電壓源二階低通濾波器，如圖3所示�？紤]到本裝置需要監(jiān)測(cè)1—50次諧波，要求在50～50×50 Hz頻率范圍內(nèi)的幅頻特性曲線越平坦越好。
1．2 AD轉(zhuǎn)換
因?yàn)樵跍y(cè)量電網(wǎng)的三相不平衡參數(shù)時(shí)，要用到中性線的電壓和電流，雖然從理論上，可以通過(guò)相電壓和相電流算出中性線的電壓和電流值，但是，測(cè)量值應(yīng)該更加接近物理現(xiàn)實(shí)。所以，最好同時(shí)測(cè)量電網(wǎng)中用戶公共連接點(diǎn)的三相電壓、三相電流和中性線的電壓與電流，共計(jì)8路模人信號(hào)。多路信號(hào)的同步采樣可以有效克服因通道轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的相差問(wèn)題，所以A／D應(yīng)該選用8路同步采樣芯片。美信公司的MAX1320和MAX1324都是適合上述設(shè)計(jì)要求的專用芯片，MAX1324的模人電壓范圍為±10 V， 比MAX1320芯片的輸入電壓范圍寬。在同樣干擾和噪聲條件下，A／D轉(zhuǎn)換的相對(duì)精度會(huì)高一些，所以采用MAX1324，它內(nèi)部集成了8個(gè)獨(dú)立的采樣保持器和8通道的多路開(kāi)關(guān)，容易實(shí)現(xiàn)8路模擬量的瞬時(shí)采集，其轉(zhuǎn)換結(jié)果以補(bǔ)碼的形式按順序輸出。
對(duì)于一個(gè)已經(jīng)給定轉(zhuǎn)換位數(shù)的ADC，它對(duì)信號(hào)所能離散數(shù)據(jù)位的電平值是確知的，l4位MAX125提供2M級(jí)的離散電平為2 X 10 V／2¨ 1．22 mV，相對(duì)分辨率可達(dá)±0．025％ 。在國(guó)家諧波測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于規(guī)定的畸變率，電流的測(cè)量精度要求相對(duì)高一些，考慮到各種情況，實(shí)踐亦證明采用14位的ADC是完全可以滿足諧波測(cè)量的設(shè)計(jì)要求的。
電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的ARM處理器芯片$3C2410A內(nèi)部還帶有8通道l0位的A／DC。根據(jù)上述分析可知，10位A／D難以滿足諧波監(jiān)測(cè)儀對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求，而且該A／DC也不具備同步采樣功能。然而在測(cè)量電網(wǎng)基波的頻率時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)工頻的測(cè)量精度是50±0．01 Hz，這意味著在一個(gè)周期內(nèi)，要采集50÷0．01=5 000個(gè)點(diǎn)以上，所以A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間在20 ms／5 000=4 s以下。頻率測(cè)量對(duì)幅值的精度要求并不高，只要能夠正常判斷正負(fù)值即可。ARM芯片內(nèi)10位A／D的轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá)500 ksps(2 p,s)，所以，用以測(cè)量電網(wǎng)的基波頻率正合適 J。這樣，MAX1324和ARM內(nèi)的A／DC分別用作諧波和頻率測(cè)量就各盡所能了。
1．3 M 324與處理器S3C2410的硬件接口
MAX1324與處理器$3C2410的接口如圖4所示，MAX1324的模擬供電電壓是5 V，而MAX1324允許的數(shù)字供電電壓范圍為2．7～5．25 V，圖中是3．3 V。這樣，可以不用電平轉(zhuǎn)換而直接與$3C2410的數(shù)字I／，O接口相連。
在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，操作過(guò)程分為以下3步：
(1)首先要將MAX1324的工作方式設(shè)置為8個(gè)通道的瞬時(shí)采樣，引腳ALLON接高電平，拉低cS和WR時(shí)，向數(shù)據(jù)線 ～D 寫(xiě)入全“1”，這樣8個(gè)通道就能都被選中， 實(shí)現(xiàn)同步ADC；
(2)拉低ARM 的GPA12端子，使CONVST引腳為低電平，輸入信號(hào)在采樣保持器達(dá)到穩(wěn)定的電平后，再由CONVST的上升沿開(kāi)始啟動(dòng)A／D，這里的多通道轉(zhuǎn)換是按通道號(hào)由低到高的順序進(jìn)行，當(dāng)最后一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)束后，所有通道轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOLC跳變?yōu)榈碗娖剑D(zhuǎn)換結(jié)果先儲(chǔ)存于片內(nèi)對(duì)應(yīng)的14位×8的SRAM中；
(3)讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)，其方式有兩種：一種是查詢方式，MAX1324的EOLC引腳接到$3C2410的一個(gè)I／0引腳上，$3C2410啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換后，不斷地查詢這個(gè)I／0引腳是否為低電平，以判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，然后再依次讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)；另一種是中斷方式，MAX1324的EOLC引腳直接接到$3C2410的一個(gè)外部中斷引腳上，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束，則向$3C2410申請(qǐng)中斷，S3C2410就會(huì)進(jìn)人中斷服務(wù)程序，依次讀取MAX1324轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。為了提高CPU的使用效率，采用中斷方式， 圖4中MAX1324的EOLC引腳接到$3C2410的外部中斷EINT3的引腳上。當(dāng)A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOLC就會(huì)向$3C2410的EINT3發(fā)出低電平， 當(dāng)EINT3引腳為低電平時(shí)，就會(huì)先后向MAX1324的RD引腳發(fā)出8個(gè)讀脈沖，控制選通CS引腳分時(shí)讀取MAXI324轉(zhuǎn)換后的8個(gè)通道ADC數(shù)據(jù)。
2 接口驅(qū)動(dòng)
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)包括自動(dòng)配置和初始化子程序，負(fù)責(zé)檢測(cè)所要驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)備是否能正常工作。如果該設(shè)備正常，則對(duì)這個(gè)設(shè)備及其相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要的軟件狀態(tài)進(jìn)行初始化。
Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被組織為一組完全不同任務(wù)的函數(shù)的集合。編寫(xiě)A／D驅(qū)動(dòng)，主要完成對(duì)A／D器件控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器的open0，close0，read0，write0等的操作， 并在file—operations中注冊(cè) 。
static struct file_ operations adcmax1 324_
fops= {
open：adcmax1 324
一open，
ioctl： adcmax1 324
_ iocfl，
read：adcmax1 324_ read，
write：adcmaxl 324
_
write，
release： adcmaxl 324
_
release，
}
下面介紹其中幾個(gè)重要的函數(shù)：
(1)adcmax1324一write函數(shù)：調(diào)用該函數(shù)，通過(guò)雙向數(shù)據(jù)線DATA0～DATA7向MAX1324寫(xiě)入數(shù)據(jù)OxOOFF，把MAX1324設(shè)置成8通道同時(shí)轉(zhuǎn)換的模式；
(2)adcmax1324一ioctl函數(shù)：Ioctl函數(shù)跟蹤信號(hào)，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換；(3)adcmax1324一read函數(shù)：read函數(shù)把
中斷處理函數(shù)中讀到的數(shù)據(jù)發(fā)到用戶程序。
最后在init()中完成初始化工作。包括注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和申請(qǐng)系統(tǒng)資源。在編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)通常編寫(xiě)成模塊的形式，在模塊加載時(shí)調(diào)用初始化函數(shù)module— init()，在卸載時(shí)調(diào)用卸載模塊函數(shù)module_ exit()。
3 結(jié)束語(yǔ)
文中實(shí)現(xiàn)了基于北京ARM 9開(kāi)發(fā)板的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)。介紹了硬件電路及其相關(guān)軟件，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，基于MAX1324ECM的上述數(shù)據(jù)采集電路，實(shí)測(cè)準(zhǔn)確度可以達(dá)到-4-0．5％ ，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，因此AX1324ECM完全適用于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)采集。
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