基于嵌入式電網智能監控器

重慶旅游職業學院 朱 嵐

1.方案設計

基于嵌入式電網智能監控器包括硬件和軟件兩個部分。系統以電能計量芯片ADE7758為核心作為測量傳感器的信號處理及傳輸前端，以ARM9處理器S3C2440為TQ2240系統控制器平臺。系統以嵌入式微處理器為核心的監控設備，實現實時采集用戶的用電數據和監控計量設備運行情況，并及時向系統主站傳送數據、接收執行主站的遠程控制命令、拉合閘控制等功能。該系統具有遠程控制、遠程集中采集數據、防竊電以及強大的數據管理功能，整個系統是主要由計量模塊、主控模塊、顯示模塊、時鐘模塊、通信模塊、計量回路選通模塊組成，如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2.S3C2440微處理器

本控制器的設計是采用Samsung公司生產的ARM9系列S3C2440芯片來作為保護裝置的主CPU，讓其承擔實時數據的采集，完成保護算法和實現繼電保護等主要功能，使裝置的整體性能有了較大提高。S3C2440以其極低的功耗和豐富的片內資源在嵌入式系統領域獲得了廣泛的應用。S3C2440片內，主頻400MHz（最高可達533MHz）板載64MB SDRAM（標準配置）可根據用戶需要擴展到128MB。32bit數據總線SDRAM，100MHZ（支持穩定運行133MHz），板載256MB Nand Flash，掉電非易失，有容乃大。板載2MB Nor Flash（最高可升級到8MB）。板內集成S3C2440芯片，通過把SPI通信傳輸過來的數據，進行處理，再通過顯示屏顯示。本文采用搭載S3C2440的嵌入式開發板TQ2440進行系統設計。系統硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件結構框圖

3.ADE7758介紹

ADE7758是一種高精度的電能計量芯片，支持三相三線和三相四線制接法，在l000∶1的動態范圍內的誤差小于0.1%，提供三相有功、無功、視在電能、電壓、電流有效值等處理值。ADE7758計量單元完成A/D轉換和數據處理，然后通過SPI接口將處理后的數據傳送到S3C2440，將ADE7758獲得的數據進一步分析處理，實時地將數據送到液晶屏顯示。為了保證電網的安全運行和監測的實時性，系統采用無線通信技術將實時檢測到的電網故障信息發送到上位機接收終端。可以通過232通信和無線通信2種途徑將儀表中的歷史故障記錄導出。繼電器輸出用于故障發生時驅動功率大的揚聲器進行報警。

ADE7758模塊主要包括電壓和電流的前置電路，驅動ADE7758芯片工作的硬件電路，SPI通信接口。芯片內置AD轉換電路，把采集到的電壓和電流通過AD轉換后，再通過SPI通信傳輸到開發板的CPU進行處理。

4.軟件設計

在系統各部分功能的實現過程中，軟件設計是智能化測量儀器的關鍵部分，主要包括操作系統軟件和應用程序兩部分。軟件設計的成功與否關系到整個系統能否具有使用靈活、操作簡便、可靠性強等優點，而經過良好設計的軟件能夠做到在較少地改變硬件電路的情下，很方便地改變系統的功能，這就對軟件的設計提出了較高的要求。本系統的軟件部分采用模塊化設計，可以提高單片機的效率，同時也增強了程序的可讀性和查找錯誤的方便性。單片機上電后首先進行自身的初始化設置，然后再對ADE7758進行初始化。

圖3 啟動代碼的流圖

ADE7758的軟件設計主要是CPU對它的初始化和數據讀寫操作等ADE7758的所有功能都是通過讀寫片內寄存器來實現的，即ADE7758的各種設定和操作主要是對其寄存器的讀和寫。在對ADE7758進行設置時，要注意OPMODE寄存器的SWRST位的操作，如果該位放置為l，則至少等到18us后才能對其他寄存器進行配置，否則將不能正確配置。在中斷中實施對ADE7758的讀操作，由于ADE7758內部有中斷狀態寄存器和中斷屏蔽寄存器，所以可以靈活地設置需要的信息進行中斷處理。在對數據進行讀寫操作之前，必須有一個ADE7758內部通信寄存器的操作，即所有的數據操作，無論是讀數據還是寫數據，必須以一個寫通信寄存器的操作開始。芯片上電后，CS下降沿把ADE7758置為通信模式。在通信模式下，第一個數據在被寫入通信寄存器后，它包括了下一個數據的操作性質(讀/寫)和地址。數據讀寫完成后，ADE7758再次進入通信模式。

4.1 系統啟動代碼的流圖(如圖3所示)

4.2 ADE7758軟件流程圖

MMU測量部分的主程序主要完成必要的初始化，判斷采集ADE7758的測量數據，判斷缺相情況對ADE7758的工作狀態重新設定。ADE7758初始化完成對ADE7758的初始設置，實際上就是初始值都寫入ADE7758相應的寄存器中，初始化在系統復位后被調用。

圖4 ADE7758軟件流程圖

5.結束語

本系統的設計采用ADI公司電能計量芯片ADE7758和ARMTQ2440為核心處理器件，設計了電網監控系統的總體方案。本儀器在設計過程中，充分利用了ARM的硬件資源，并盡可能采用軟件代替硬件，使儀器的硬件可靠性高、結構簡單、成本低廉。詳細介紹了硬件電路的設計和實現。圍繞ADE7758外圍電路設計，介紹了計量電路原理；然后介紹了ARM9外圍顯示、串行接口等電路的設計，并對相關硬件在PCB圖完成后進行了調試。實驗結果表明，該監控系統的應用，可大大減少竊電及用電設施被破壞事件的發生，同時也提高了用電管理部門的運營效率，降低維護成本，提高設備的利用率。采用嵌入式系統和GPRS數據通訊的網絡化智能監控系統，具有操作簡便，性價比高，可靠性高，可移植性強等優點，是目前很有潛力的應用無線數據采集方案，能直接嵌入到相應的測控設備中，具有很廣闊的應用前景。

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