基于ARM的智能電表系統設計與實現

吳昳恬

（蘇州高等職業技術學校 江蘇省蘇州市 221500）

本智能電表系統使用數據收集芯片實時采集電力系統的數據，經處理器的高效處理之后，再由網絡服務器將精準的數據遠程傳輸到客戶端，用戶可查看并控制繼電器打開/關閉功能。這就需要系統的軟件和硬件具備較高的實時性和可靠性。為了滿足上述功能，對系統提出以下要求：

（1）合理設計前端采集電路以保證良好的濾波效果；

（2）提高采集芯片的外部電路可靠性，保證有效且準確地測量電氣參數；

（3）MCU優異的性能使其能夠運行適當的操作系統，同時兼具較強的處理能力；

（4）系統應具有良好的網絡通信能力以確保遠程操作；

（5）系統應具有良好的實時性能和可靠性。

1 智能電表系統的總體設計方案

1.1 智能電表系統的總體設計

為了滿足智能電表系統的上述需求，擬采用將軟硬件模塊化的總體設計方案，這種模塊化的思路不僅可以實現動態的加載與移除，而且對于前期的開發具有便利性。

總體設計分為硬件和軟件兩部分。硬件部分的設計，采用ARM9系列S3C2440芯片，此芯片與ADE7758采集芯片進行交互通信，通信過程利用SPI接口實現，對于繼電器模塊的控制則由GPIO接口實現。軟件部分的設計，選擇在PC機上搭建嵌入式Linux開發環境和平臺，同時定制和移植嵌入式Linux系統，采用交叉編譯的方式編寫和編譯硬件設備的驅動程序，生成內核模塊文件，并實現內核的動態加載，極大的方便了軟件的開發與設計，與此同時對Boa服務器也進行移植。

1.2 智能電表系統的硬件設計

該智能電表系統設計的主CPU使用的是ARM芯片S3C2440，從電網信號電壓的輸入端開始分析，系統的硬件電路主要由以下部分組成（如圖1）：

圖1：系統硬件結構圖

互感器處理電路、信號處理電路以及電能采集電路，用于前端數據處理。

繼電器驅動電路，用于遠程控制。

電參數計量電路等。

1.3 智能電表系統的軟件設計

智能電表系統的軟件設計是圍繞其軟件基礎平臺展開的，其軟件基礎平臺為嵌入式Linux操作系統。

智能電表系統的軟件按功能劃分為三部分：嵌入式系統、設備驅動程序、應用程序。

2 智能電表系統硬件電路的設計與實現

本文研制的智能電表在線監控系統，既可以實時監控電網信號，又可以在線控制用電現場。首先介紹硬件電路部分的電路設計。

2.1 ARM系統硬件設計

2.1.1 主控芯片選型

為得到準確的數據，智能電表系統選擇的是SAMSUNG公司的S3C2440作為ARM通信系統的主控芯片，此芯片的微處理器是以ARM920T為核心的SOC（System On Chip），采用0.13μm的CMOS存儲單元和標準宏單元制造工藝，支持RISC（即16/32位精簡指令集）。

2.1.2 主要電路及其作用

本文所包含的電路類型較多，主要由時鐘電路、電源電路、存儲電路以及復位電路構成。

（1）時鐘電路：時鐘是處理器系統運行的基礎，本設計通過外接晶振的方式產生振蕩（S3C2440的時鐘可以選擇晶振，也可以使用外部時鐘）。

（2）電源電路：由于微處理器的內核模塊和片內外設所使用的電壓類型不同，因此電源電路需要提供這兩種類型的電壓。

（3）存儲電路：易失性存儲介質SDRAM、非易失性NOR flash 和 NAND flash是微處理器的存儲系統所使用的存儲介質。SDRAM芯片型號是K4S561632；而NOR flash芯片型號是EN29LV160AB；NAND flash的芯片的存儲容量是256M字節。

（4）復位電路：本文中的復位芯片選用的是MAX811。電平轉換電路是通過電平轉換芯片將電平不匹配實現電平轉換。

2.1.3 LCD液晶顯示器

本文中采用的LCD液晶顯示器為3.5寸的W35真彩屏。該顯示器便于驅動（Linux-2.6.32.2 內核已經支持S3C2440 的LCD 控制器驅動），性價比較好。

2.2 繼電器驅動電路

繼電器線圈需要流過較大的電流才能使繼電器吸合，一般的集成電路不能提供這樣大的電流，因此必須進行擴流，即驅動。本設計硬件部分采用光耦式繼電器驅動電路，主要由S9013三極管、P521光耦，以及JQC-3EF繼電器組成。

2.3 信號采集與調理電路設計

2.3.1 互感器電路

由于直接用分壓的方式對電網信號進行測量，影響測量結果的因素很多，所以測量所得到的結果與真實數據之間會有較大偏差，因此需要對電網信號進行一次降壓測量，測量過程中需要選擇適合的互感器。根據實際情況，并對各種因素進行綜合性的考慮，我們選擇電壓互感器TV1013-1M和電流互感器TA0913-2M。

2.3.2 信號調理電路

信號調理把來自傳感器的模擬信號變換為用于數據采集、控制過程、執行計算顯示讀出和其他目的的數字信號。本系統中信號調理電路的作用是將待測信號通過放大、濾波等操作轉換成采集設備能夠識別的標準信號，使輸出的電壓值偏置到所要求的范圍±0.5V。

2.4 電參數計量電路設計

對芯片類型的選擇是按照芯片的運算處理能力、運算的速度、結果的精確度、以及芯片的功耗和價格是計量芯片的選擇原則，對以上各個因素進行綜合考慮，本文選擇ADE7758芯片。ADE77581是一款高準確度的三相電能計量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個串行接口。ADE7758 集成了二階Σ-D模數轉換器, 數字積分器，基準電路，溫度傳感器，以及所有進行有功，無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件。

3 智能電表系統軟件電路的設計與實現

3.1 Linux設備驅動

Linux系統可以將硬件設備看作特殊文件，并通過虛擬文件系統（VFS）管理和控制各種設備。硬件裝置驅動器通過IOCT1、讀取、燈光等文件操作功能來封裝硬件裝置的細節，并且硬件裝置被封裝為裝置文件。用戶可以直接訪問設備文件，過程類似于設備驅動器通過這些文件操作功能實現的主要功能。硬件設備的初始化、設備的運行狀態的控制、與用戶層的交互。

Linux系統將設備分成三個基本類型，每個模塊通常作為其中的一個來實現。然而，這種方法不太好將模塊分割成不同類型或類別，但是可以建立大模塊來執行不同類型的設備驅動。

Linux系統是一個單一的內核操作系統，提供模塊加載機制。也就是說，內核模塊不需要編譯到內核圖像中。系統啟動后，該方法對Linux內核設備驅動程序的寫入和調試非常有用，設備驅動程序的寫入和調試基于模塊加載機制。

3.2 電參數計量電路設計

綜合考慮計算功率和速度、精度、價格和消耗功率這些因素，我們選定了市場上廣泛使用的ade 7758芯片并依次為基礎設計電路，該芯片是ADI公司生產的功率測量用集成芯片，主要適用于3相3線方式、3相4線方式、50Hz或60Hz的標準頻率的電力網格。提供具有相位分離、相位關閉參數和中斷請求輸出功能的SPI兼容串行接口，有源能/反應能/表觀能、電壓RMS、電流RMS和采樣波形數據。

模擬數字轉換器和數字信號處理器技術在各種環境和時間條件下確保了高精度。電流信道上的可編程增益放大器允許電流分流器和變流器的直接連接。國外ADS 7758電表正朝著高電流和動態需求的方向發展。美國模擬設備公司（ADI）被高容量模擬數字轉換器（A/D）和固定模式數字處理信號處理器（DSP）所替代。功率監測和計量功能芯片包括第二XI-I?A/D轉換器、數字積分器、基準電壓和溫度傳感器。具有單端電壓輸入的3個通道，最大容許范圍為±0.5v。每一電流和電壓信道具有具有具有放大增益1、2或4的可編程增益放大器（PGA），且增益由用戶編程確定，因此對應的輸入電壓可設定為±0.5V、0.25V、±0.15V。除了增益放大功能之外，電流通道還采用了a/d設置和置換全尺度范圍的選擇。它不僅降低了功率檢測應用模塊的設計難度，而且還實現了全電子、靜態和智能，以改善系統性能和降低制造成本，并且使用現有的嵌入式網絡技術可以完成自動米讀、多功能測量和實時控制等擴展應用功能。它具有高精度、實時、高可靠性和雙向通信功能，滿足電力市場持續發展的新要求，為電力公司提供各種增值服務。

4 結束語

本文對基于ARM的智能電表系統的設計與實現進行了介紹，現就以下兩點總結和展望：

（1）從設計角度看，該類型智能電表系統集集成嵌入技術、通信技術和計量技術等多種技術于一體，涉及智能電表主程序工作流程、Linux系統下的硬件設備驅動開發和網絡通信的軟件設計等技術。

（2）從應用前景看，基于ARM 的智能電表系統具備實時性強、功耗低、建設成本少、后期升級維護的成本低、系統傳輸的容量大、通信的費用低等很多優點，最終成功實現了實時數據采集和遠程控制繼電器通斷。這些技術優勢極大的滿足了實際應用的需求，使該技術擁有廣泛和良好的應用前景。