基于Cortex-A8的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

康迪，荊婷婷

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050035)

基于Cortex-A8的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

康迪，荊婷婷

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050035)

嚴(yán)格按照IEC和電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，針對現(xiàn)在國家電力行業(yè)面臨的現(xiàn)實(shí)性問題提出了一套基于Cortex_A8的嵌入式電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)，對電網(wǎng)質(zhì)量實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效的檢測分析。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)可以完成對電流質(zhì)量、電壓質(zhì)量、供電和用電質(zhì)量的檢測，具有一定的推廣價(jià)值。

電能質(zhì)量；嵌入式；Cortex_A8

電能產(chǎn)業(yè)是衡量一個(gè)國家工業(yè)化水平的標(biāo)準(zhǔn)之一。我國是一個(gè)電能大國，擁有豐富的電力資源。但是一方面我國的電能種類繁多，隨著以風(fēng)能發(fā)電和太陽能發(fā)電等分布式能源的并網(wǎng)發(fā)電，使得電能的種類更加繁復(fù)，嚴(yán)重降低了電網(wǎng)電能的質(zhì)量。同時(shí)大量半導(dǎo)體、非線性設(shè)備的使用，也使得電能質(zhì)量進(jìn)一步惡化。另一方面人們逐漸追求高水平的生活方式，對電能的質(zhì)量要求越來越高。

改善提高電能質(zhì)量的前提是實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量的精準(zhǔn)高效的檢測。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)主要有以下三種：

(1)基于采集卡和工控機(jī)：這是最早的電能檢測系統(tǒng)的模型，該模型雖然具有檢測精度高、采集能力強(qiáng)并且具有較好的人機(jī)交互功能，但是該模型成本高、體積較大，不適合現(xiàn)場的應(yīng)用。

(2)基于單片機(jī)：基于單片機(jī)的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)克服了最初的體積大、成本高的缺點(diǎn)，但是單片機(jī)處理能力比較差，不能應(yīng)用于運(yùn)算量大的系統(tǒng)之中。

(3)基于數(shù)字信號處理DSP：DSP發(fā)展已經(jīng)成熟，具有較好的運(yùn)算能力，解決了單片機(jī)處理能力差的缺點(diǎn)，但是DSP難于控制，不能滿足高控制需求的系統(tǒng)。通過綜合的考慮，本設(shè)計(jì)采用基于控制能力更強(qiáng)的Cortex-A8超標(biāo)量處理器結(jié)合DSP處理的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等技術(shù)為依托的，結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際工作中各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)所構(gòu)成的一個(gè)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)各項(xiàng)電能質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)(主要包括：供電壓偏差、公用電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡度等)的實(shí)時(shí)在線檢測，從而獲得最新最精確的信息，為改善電網(wǎng)質(zhì)量提供可靠的信息來源。

本設(shè)計(jì)采用Cortex_A8處理器作為控制的核心[1]，并且借用DSP的處理能力實(shí)現(xiàn)處理與控制的完美結(jié)合。本設(shè)計(jì)的整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

2 硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)部分為硬件系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)模塊主要可以分為前端信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和Cortex-A8核心控制模塊三部分組成，下面將要對著三部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 前端信號調(diào)理

由于本設(shè)計(jì)是基于家庭電壓設(shè)計(jì)，最高峰值電壓能夠達(dá)到320 V，所以需要添加電壓調(diào)理電路使得電壓達(dá)到AD能夠采集的范圍。本設(shè)計(jì)采用電壓互感器把電壓降到5 V范圍內(nèi)，使得六通道同步采集AD可以正常工作。該電路采用ACS758LCB-100B型霍爾電流傳感器，并且在電路的前端添加瞬間電壓抑制二極管以保護(hù)傳感器。具體的電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 電壓調(diào)理電路

對于電流仍舊需要調(diào)理電路，對于該調(diào)理電路采用征能ES008鉗形電流互感器，該互感器精度小于0.5級，在220，380 V供電線路均可以使用，該互感器匝比為2500∶1，可以放大電流達(dá)到2 500倍，符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。此外，在電路中還設(shè)定了起濾波作用的電容C，以凈化電路環(huán)境。具體電路圖如3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理電路

圖3 電流調(diào)理電路

數(shù)據(jù)采集與處理是檢測系統(tǒng)的重要信息來源。數(shù)字信號處理DSP用于計(jì)算各種電能質(zhì)量參數(shù)，本設(shè)計(jì)采用TMS320F2812作為主芯片的32位DSP處理器。加快了處理的速度，能夠滿足處理的實(shí)時(shí)性需要。

DSP在系統(tǒng)中主要的功能是進(jìn)行采集電信號、檢測各種物理量并進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)還要完成與Cortex-A8實(shí)現(xiàn)計(jì)算的結(jié)果以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的同步傳輸。結(jié)合AD之后DSP的主要數(shù)據(jù)采集電路圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集電路

3 Cortex-A8核心控制電路

3.1 Cortex-A8簡要選擇說明

Cortex-A8是第一款基于ARMv7結(jié)構(gòu)的處理器，是有史以來關(guān)于ARM開發(fā)性能最高的、最具有效率的處理器。該芯片能夠滿足工作在300mW以下的所有移動(dòng)設(shè)備的控制需求，是一類超標(biāo)量處理器。Cortex-A8能夠有效的提高代碼密度和性能，符合多媒體和信號控制的應(yīng)用要求。現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、節(jié)能環(huán)保、智能交通、電力系統(tǒng)以及通訊系統(tǒng)等，并且具有良好的抗干擾性和適應(yīng)惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 存儲電路設(shè)計(jì)

由于Cortex-A8本身不帶有ROM存儲，所以需要采用外部的ROM存儲。本設(shè)計(jì)采用兩片23M的SDRAM連接形成32位SDRAM的存儲結(jié)構(gòu)。SDRAM與傳統(tǒng)的FLASH存儲相比運(yùn)行速度快很多，一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常使用SDRAM作為程序的運(yùn)行空間、堆棧和數(shù)據(jù)存儲。總?cè)萘繛?4M的SDRAM完全能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)的存儲運(yùn)行需求。

3.3 調(diào)整電路設(shè)計(jì)

由于Cortex-A8核心板的供電電壓要求嚴(yán)格，需要在3.3 V，而由開發(fā)板所提供的電源為5 V，所以需要利用一個(gè)調(diào)理電路來對電路電壓進(jìn)行調(diào)整控制。具體的穩(wěn)壓調(diào)整電路實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 穩(wěn)壓調(diào)整電路

3.4 SPI接口與串口的設(shè)計(jì)

芯片共有三個(gè)串口分別是[2]：調(diào)試串口，主要用于程序的調(diào)試工作；通信串口，主要完成無線電的通信；最后一個(gè)是備用串口，用以當(dāng)其他兩個(gè)串口出現(xiàn)故障的時(shí)候備用。SPI口的電路通過4個(gè)管腳與模擬板相連接，分別是主入從出、主出從入、片選與時(shí)鐘。系統(tǒng)中還有三個(gè)通道的UART，他們都可基于終端模式或者DAM模式進(jìn)行工作。并且支持5/6/7/8位的串行數(shù)據(jù)接收/發(fā)送。

4 Cortex-A8模塊的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)完成初始化之后就開始按照任務(wù)的優(yōu)先級從高到低進(jìn)行處理。具體的軟件流程如圖6所示。

圖6 Cortex-A8軟件流程圖

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)是一套基于Cortex-A8的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)，主要從電網(wǎng)電能質(zhì)量信息采集、電能質(zhì)量信息處理分析以及對分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的控制等三個(gè)方面著手，充分發(fā)揮Cortex-A8核心控制處理器的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了普通家用情況下的電能質(zhì)量檢測任務(wù)。同時(shí)本系統(tǒng)還能與PC上位機(jī)相連接，可以進(jìn)一步拓展系統(tǒng)的智能化控制功能。

[1]全國電壓電流等級和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電壓電流頻率與電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊[S].北京：中國電力出版社，2001.

[2]周立功.深入淺出ARM 7-LPC213X/214X[M].北京：北京航天大學(xué)出版，2005.

Design of powerqualitymonitoring system based on Cortex-A8

KANG Di，JING Ting-ting
(Shijiazhuang Information Engineering VocationalCollege，Shijiazhuang Hebei050035，China)

In accordance w ith the IEC and national standard of power quality，the embedded power quality detection system was designed based on Cortex_A8 according to the reality problem of the nationalelectric industry.The exact and efficient detection and analysis for power quality was achieved.Through the experiment，this system can comp lete the detection of the current quality，voltage quality，power and supp ly quality，and italso has the value of popularization.

power quality;embedded;Cortex_A8

TM 206

A

1002-087 X(2016)07-1513-02

2016-05-10

康迪(1981—)，女，河北省人，講師，本科，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)。