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技術(shù)文章
多功能電力無紙記錄儀設(shè)計(jì)理念與工作原理
閱讀次數(shù)：650 發(fā)布時(shí)間：2019/10/25 8:59:46
目前電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，工作人員很難迅速查找根源，為此設(shè)計(jì)了基于ARM9的多功能電力無紙記錄儀，可以采用間隔或連續(xù)方式對電力系統(tǒng)中電壓、電流的有效值、頻率、相位及波形等進(jìn)行記錄并保存于多功能電力記錄儀內(nèi)存中。若電力系統(tǒng)發(fā)生故障，工作人員可以將數(shù)據(jù)備份到SD卡內(nèi)的相應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)中并進(jìn)行分析與處理，從而可以快速定位到故障原因，提高檢修效率，最終提高經(jīng)濟(jì)效益。
多功能電力記錄儀設(shè)計(jì)以嵌入式處理器S3C2410為核心，結(jié)合同步AID轉(zhuǎn)換器和SD卡，設(shè)計(jì)了多功能電力記錄儀設(shè)計(jì)�？梢愿鶕�(jù)設(shè)定模式同時(shí)測量并記錄最多3通道電壓和3通道電流的有效值、頻率、相位、波形等電力參數(shù)，并存入SD卡保存。通過串行口或通用讀卡器將SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)讀入上位計(jì)算機(jī)即可對某些時(shí)間點(diǎn)的電力參數(shù)進(jìn)行分析和處理。給出了系統(tǒng)的硬件組成與軟件編制方法。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)測量與記錄精度高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，功耗極低，特別適用于電力部門采集電力參數(shù)的場合。
硬件組成及原理
多功能電力記錄儀以S3C2410為核心處理器，負(fù)責(zé)參數(shù)運(yùn)算與全局控制。被測交流電信號經(jīng)過電流互感器進(jìn)行隔離后進(jìn)入取樣放大電路，為保證能夠?qū)挿秶男盘栠M(jìn)行測量，使用數(shù)字電位器對信號進(jìn)行動(dòng)態(tài)放大，使進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的信號在合理范圍。整形電路將正弦信號變換為方波，送入處理器的定時(shí)器，利用PCA的捕獲功能測量頻率及相位。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面就重要部分進(jìn)行分別介紹。
多功能電力記錄儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1控制器
為了保證高測量精度，對交流電每個(gè)周期進(jìn)行128點(diǎn)的采樣，并采用14位的A/D轉(zhuǎn)換器，則每秒鐘的數(shù)據(jù)量為2B*128點(diǎn)*6通道*50Hz=75KB，因此數(shù)據(jù)吞吐量較大，若想做到實(shí)時(shí)計(jì)算和存儲(chǔ)，則對多功能電力記錄儀的處理器的速度要求很高，普通的單片機(jī)無法滿足要求。為此，選用三星公司的S3C2410高速ARM9處理器，與電源電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器系統(tǒng)及復(fù)位電路共同組成微控制系統(tǒng)。復(fù)位電路選用了系統(tǒng)監(jiān)視復(fù)位芯片IMP811S，可提供高效的電源監(jiān)視功能，確保系統(tǒng)工作正常。
S3C2410是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式處理器微處理器，運(yùn)行的頻率可達(dá)203MHz，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一系列完整的通用外圍接口單元，能夠提供高性價(jià)比的嵌入式解決方案。S3C2410系統(tǒng)外圍接口單元包括支持55個(gè)中斷源的中斷控制器，4路DMA控制器，117個(gè)通用I/O口，3個(gè)可編程波特率的UART, LCD控制器，8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，SD卡接口，1個(gè)多主機(jī)12C總線控制器，2個(gè)SPI接口等。
2.2信號處理電路
被測交流信號通過互感器變?yōu)?~2mA的電流信號，經(jīng)過400歐姆的取樣電阻后變?yōu)?~0.8V的電壓信號，經(jīng)超低失調(diào)運(yùn)算放大器AD851和數(shù)字電位器MCP41010組成的增益可變放大電路后，做二階低通濾波，然后即可進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣或進(jìn)入LM339比較器進(jìn)行整形。
2.3 A/D轉(zhuǎn)換器
為保證多功能電力記錄儀各通道采樣數(shù)據(jù)的同步性及精度，選用了LINEAR公司的LTC1408芯片。LTC1408是一款14位分辨率、6通道同時(shí)采樣的A/D轉(zhuǎn)換器，單3V電源供電，功耗僅為15mW,侮通道吞吐率為100ksps，電壓輸入范圍為0-2.5V或±1.25V，采用三線式串行接口方式。
系統(tǒng)采用0-2.5V輸入范圍，因此電源電路中采用LT1461-1.25芯片產(chǎn)生1.25V電壓基準(zhǔn)，為放大電路提供參考，以使正弦信號的幅度在A/D采樣范圍內(nèi)。
圖2所示為LTC1408芯片的硬件接線圖。圖2中，AINO~AIN5為放大電路輸出的信號，將SEL2-VSELO接高以選擇所有通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，BIP接低電平以選擇單端輸入方式，串行口SDO, SCK和CONV與S3C2410的GPG口的高三位相連，以進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制和數(shù)據(jù)傳送。
2.4人機(jī)接口與信息存儲(chǔ)
為了便于參數(shù)設(shè)置與顯示，系統(tǒng)加入了按鍵和LCD顯示器。S3C2410內(nèi)部含有一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)控制器，能自動(dòng)產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)控制所需的控制信號，因此能與TFT型的彩色LCD屏直接連接，不需要外加控制器。本系統(tǒng)采用了3.5寸的320×240型液晶屏。按鍵直接與S3C2410的GPIO相連，采用掃描方式讀取按鍵號。
為了能夠?qū)⒖刂菩畔⒓罢彰鞴芾硇畔⑦M(jìn)行存儲(chǔ)與查詢，系統(tǒng)加入了SD卡存儲(chǔ)裝置。由于S3C2410芯片本身帶有SD卡接口，因此只需將SD卡座與S3C2410的SD卡接口直接相連即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
S3C2410作為控制核心完成A/D轉(zhuǎn)換、SD卡讀寫、參數(shù)輸入與顯示、數(shù)據(jù)運(yùn)算、電池電壓檢測等功能，由于軟件較復(fù)雜，所以實(shí)際編程中嵌入了5C/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。主程序完成S32410時(shí)鐘初始化、GPIO初始化、中斷初始化、SD卡初始化、SPI接口初始化、PCA初始化、操作系統(tǒng)初始化、任務(wù)創(chuàng)建與操作系統(tǒng)的啟動(dòng)等。
3.1 PC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
5C/OS-H實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是真正源碼公開的，采用占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，支持多達(dá)56個(gè)用戶任務(wù)，穩(wěn)定性和可靠性高，而且移植方便，占用內(nèi)存小。5C/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中各任務(wù)要分配不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級用數(shù)字表示，數(shù)字越小其優(yōu)先級越高。針對本系統(tǒng)中各任務(wù)的重要性，為各任務(wù)分配了表I所示的優(yōu)先級。
3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序
因?yàn)槊總�(gè)周期采集128點(diǎn)，因此使用定時(shí)器。實(shí)現(xiàn)125.25uS的定時(shí)間隔，在定時(shí)中斷中啟動(dòng)AID轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器采用3線接口，所以要嚴(yán)格遵守其時(shí)序。其中CONY的上升沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，SCK為讀取時(shí)鐘，SDO為數(shù)據(jù)。完成6個(gè)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取需96個(gè)時(shí)鐘。CONY的上升沿到來后，緊跟著兩個(gè)SCK上升沿后即可讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，SCK侮14個(gè)上升沿可讀取一個(gè)通道的結(jié)果，其中高位( D13)在前，低位(DO)在后。CH0通道轉(zhuǎn)換結(jié)果在前，CH5通道轉(zhuǎn)換結(jié)果最后。注意，每讀取完一個(gè)通道結(jié)果后要增加兩個(gè)SCK上升沿時(shí)隙，以保證結(jié)果的正確性。
表：多功能電力記錄儀設(shè)計(jì)系統(tǒng)中任務(wù)及優(yōu)先級
3.3 FatFS文件系統(tǒng)
本系統(tǒng)SD卡內(nèi)使用了FatFS文件系統(tǒng)，便于用通用讀卡器讀取SD卡內(nèi)容。FatFS是一種通用的文件系統(tǒng)模塊，用于在小型嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)FAI，文件系統(tǒng)。因?yàn)镕atFs模塊完全與磁盤1/O層分開，因此只需要修改部分函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)底層物理磁盤的讀寫與獲取當(dāng)前時(shí)間，并將FatFS文件系統(tǒng)移植到系統(tǒng)中。
本系統(tǒng)中對一下幾個(gè)函數(shù)加以修改:
disk initialize:初始化磁盤驅(qū)動(dòng)器，這里是初始化SD卡;
disk status:獲取磁盤狀態(tài);
disk read:讀扇區(qū);
disk write:寫扇區(qū);
disk ioctl:設(shè)備相關(guān)的控制特性;
get fattime:獲取當(dāng)前時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
通過實(shí)驗(yàn)測試表明，采用三星公司的S3C2410高速ARM9處理器能夠?qū)崿F(xiàn)對交流電侮個(gè)周期進(jìn)行128點(diǎn)的高測量精度采樣。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)多路電壓、電流多種參數(shù)的記錄并保存。
結(jié)束語
本文所設(shè)計(jì)的電力參數(shù)記錄儀具有精度高、速度快、可靠性高、功耗低、容量大等優(yōu)點(diǎn)，可以對6個(gè)交流通道參數(shù)和波形進(jìn)行記錄。記錄的數(shù)據(jù)還包含時(shí)間信息，讀入計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行特征值分析、諧波分析、序量分析等，可以為工作人員進(jìn)行故障分析提供依據(jù)，從而縮短故障排查時(shí)間，提高電力系統(tǒng)維護(hù)效率，因此有著良好的推廣前景。
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