杜通波，李 青，李 雄，李國水，周 振

（中國計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

現(xiàn)今許多行業(yè)如機(jī)械建筑、野外勘探、移動(dòng)供配電等對三相電的相序以及安全生產(chǎn)有嚴(yán)格的要求；還有許多需要三相電供電的設(shè)備如三相電機(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和重型挖掘機(jī)等，由于維修或者工作地點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，需要與電源重新連接時(shí)將相序接反，使設(shè)備不能夠正常工作［1］.目前市面上的相序測量大部分是依靠以單片機(jī)為核心控制器的相序儀，其功能受單片機(jī)本身數(shù)據(jù)處理能力的限制，而且存在需手動(dòng)進(jìn)行相序調(diào)整等缺點(diǎn).

隨著生產(chǎn)技術(shù)與電子科學(xué)的提高，ARM嵌入式系統(tǒng)正成為一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展方向，被廣泛應(yīng)用到各類嵌入式解決方案中［2］.嵌入式系統(tǒng)需要嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行支持，而Linux操作系統(tǒng)因其功能強(qiáng)大、易于移植、價(jià)格低廉、源代碼開放等優(yōu)勢，在嵌入式系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用［3］.

本文論述的系統(tǒng)能夠?qū)Α叭嗨木€制”供電進(jìn)行相電檢測與相序調(diào)整，并且在出現(xiàn)端口異常情況下，迅速執(zhí)行報(bào)警操作與通過TC35i模塊發(fā)送短信或者電話撥號及時(shí)提醒相關(guān)負(fù)責(zé)人員.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1，4個(gè)電纜輸入端口接入ARM9處理器的外圍電路，設(shè)計(jì)相電檢測模塊對相電進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，用于分析出4個(gè)端口是否存在如斷相等異常情況，然后判斷及調(diào)整N線端口；設(shè)計(jì)相序檢測電路，用于對端口輸入相序進(jìn)行采樣分析，便于對相序進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整；利用Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，對輸入狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為了保存系統(tǒng)運(yùn)行狀況，每隔一段時(shí)間儲存數(shù)據(jù)于SD卡中并進(jìn)行LCD顯示，發(fā)生異常情況時(shí)不僅執(zhí)行報(bào)警等相關(guān)動(dòng)作，還將通過TC35i的無線通訊功能提醒相關(guān)人員進(jìn)行排除.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Figure 1 Whole system structure diagram

2 硬件設(shè)計(jì)與主要模塊原理敘述

2.1 ARM9處理器S3C2410X

系統(tǒng)采用的ARM9處理器芯片為S3C2410X，它是著名的三星公司推出的一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC處理器，主要應(yīng)用在多任務(wù)處理和低功耗的場合.S3C2410X主頻最高可達(dá)203MHz.該處理器具有豐富的片上資源：16K高速緩存（cache），一個(gè)LCD控制器；SDRAM控制器；3個(gè)通道的UART；4個(gè)通道的DMA；8通道的10位ADC；SD接口和 MMC接口；117個(gè)通用I／O口和24位外部中斷源［4］.系統(tǒng)中使用了S3C2410X的10位ADC，LCD控制器，UART、DMA等模塊，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為緊湊，減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度.

2.2 相電檢測模塊

2.2.1 構(gòu)成與機(jī)理 相電檢測模塊由電壓互感器電路、電壓偏置電路等構(gòu)成.設(shè)定電源站電纜接頭的4個(gè)輸入端口為U11、U12、U13與U14，其包含了A、B、C相線與N線.

為了模擬現(xiàn)實(shí)生活中“三相四線”發(fā)生亂相時(shí)的情形，假設(shè)打亂這4個(gè)端口，將出現(xiàn)24類情形，再將這4個(gè)端口進(jìn)行兩兩組合，形成6個(gè)組分別接入相電檢測模塊的6個(gè)電壓互感器電路中如圖2.此電路將三相電轉(zhuǎn)換為－1.5V～1.5V的交流電壓信號，經(jīng)過電壓偏置電路使信號向上偏置1.5V［5］，送往S3C2410X處理器的10位 ADC模塊進(jìn)行處理.

圖2 相電檢測模塊示意圖Figure 2 Phase detection module schematic

2.2.2 端口狀態(tài)與N線位置判定原理 三相電的相序分為正序與逆序，正序可以用ABC、CAB、BCA來表示，逆序同理也有三種表示方法，而N線只可能出現(xiàn)于4個(gè)端口中的一個(gè)，于是可以將4個(gè)輸入端口U11、U12、U13與U14打亂后的24種情況簡化為8種［6］.

S3C2410X處理器將6個(gè)相電檢測信號經(jīng)過換算，得到6個(gè)電壓互感器的輸入端電壓理論值為0、220、380三種.正常情況下，N線與相線間的電壓為220V，兩個(gè)相線間的電壓為380V，于是較為容易判定N線位置.

在異常情形下，如僅出現(xiàn)一個(gè)端口斷相（或端口未充分接觸），將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果分為兩大類.

第一類為相線輸入端口異常，此時(shí)6個(gè)電壓互感器的輸入端電壓值將分別出現(xiàn)0、0、0、220、220、380V，出現(xiàn)3個(gè)0的公共端口即為異常的相線輸入端口，出現(xiàn)2個(gè)220V的公共端口即為N線端口.

第二類為N線輸入端口異常，此時(shí)6個(gè)電壓互感器的輸入端電壓值將分別出現(xiàn)0、0、0、380、380、380V，其中出現(xiàn)3個(gè)380V的公共端口即N線端口，同時(shí)這個(gè)端口也是異常端口.

2.3 相序調(diào)整模塊構(gòu)成與原理

此模塊由相序光耦檢測電路、主回路空載態(tài)切換陣列、達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路等組成，相序調(diào)整流程如圖3.在正常情形下，ARM9處理器芯片S3C2410X通過對相電檢測模塊采集的信號進(jìn)行處理及運(yùn)算后，判定出N線的具體端口，并通過驅(qū)動(dòng)電路控制切換陣列調(diào)整N線到最末一個(gè)端口［7－9］.

然后，相序光耦檢測電路對調(diào)整后的4個(gè)端口的相電進(jìn)行光電隔離降壓取樣，信號經(jīng)過斯密特觸發(fā)電路整流成方波，通過相鄰相線電壓的相位差測量數(shù)據(jù)判斷正序或者逆序，若為正序則保持，若為反序，S3C2410X處理器將發(fā)送I／O信號驅(qū)動(dòng)切換陣列智能調(diào)整為正序，輸出端口將按照UA、UB、UC與UN的順序輸出三相電壓.

為了滿足弱電控制強(qiáng)電的各類要求，這里加入達(dá)林頓管ULN2803驅(qū)動(dòng)電路，將S3C2410X處理器的I／O口輸出信號經(jīng)過放大后驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，進(jìn)而控制接觸器等器件完成三相交流電的接通斷開.

圖3 相序調(diào)整模塊示意圖Figure 3 Phase sequence adjustment module schematic

2.4 人機(jī)交互模塊

由于S3C2410X內(nèi)部已經(jīng)集成了LCD控制器，因此可以較方便的去控制多種類型的LCD屏，這里選 用 LCD 型號為 LTV350QV－F04［10］，其屏幕大小320×240，CCFL背光，24位／像素非調(diào)色板真彩色TFT顯示，提供IIC接口進(jìn)行設(shè)置.S3C2410X液晶控制單元提供了LCD控制信號如：VLINE、VFRAME、VM等，將這些控制信號與LCD相對應(yīng)的信號相連，同時(shí)將IICCSDA、IICCSCL連接到液晶的IIC信號上以控制LCD顯示.

系統(tǒng)鍵盤輸入采用了鍵盤專用芯片HD7297，它是具有串行接口的智能驅(qū)動(dòng)芯片，因其鍵值能夠自動(dòng)保存到寄存器中便于S3C2410X讀取，而且其內(nèi)部含有去抖動(dòng)電路，避免了傳統(tǒng)的去抖動(dòng)設(shè)計(jì)、鍵盤掃描、鍵值計(jì)算等軟件編程.

2.5 TC35i報(bào)警模塊

TC35i模塊為Siemens公司生產(chǎn)的無線通信GSM模塊［11］，模塊設(shè)計(jì)中ARM9處理器通過串行口向TC35i模塊輸出AT命令，通過向串口發(fā)送AT指令“AT＋CMGS＝18788888888（電話號碼）”，在收到串行口響應(yīng)字符后便開始查找字符“＞”，寫入短信內(nèi)容；通過發(fā)送AT指令“ATD＋（電話號碼）”，進(jìn)行撥號操作；從而將異常情況報(bào)警提醒到負(fù)責(zé)人員.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Linux軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)選用了Linux2.6.28操作系統(tǒng)，根據(jù)所需功能的實(shí)現(xiàn)要求，將軟件分為幾個(gè)并行存在的任務(wù)，Linux操作系統(tǒng)按照優(yōu)先權(quán)的高低運(yùn)行各任務(wù)，其設(shè)計(jì)流程圖如圖4.

圖4 Linux多任務(wù)處理軟件流程圖Figure 4 Linux multitasking software flowchart

系統(tǒng)對相電檢測模塊的信號進(jìn)行采集的部分在定時(shí)器中斷程序中執(zhí)行，每隔0.02s進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每隔60s進(jìn)行SD卡數(shù)據(jù)存儲；在經(jīng)過處理器運(yùn)算判定符合正常狀態(tài)后，驅(qū)動(dòng)LCD顯示4個(gè)端口U11、U12、U13與U14未出現(xiàn)異常情況，同時(shí)通過串行口電路令TC35i模塊處于待機(jī)狀態(tài)，Linux2.6.28操作系統(tǒng)發(fā)出信號控制切換陣列動(dòng)作，保證N線在固定配置端口輸出.然后系統(tǒng)處理相序檢測電路輸入的信號數(shù)據(jù)，通過判斷正序與逆序的狀態(tài)來智能調(diào)整成為正序，并保證UA、UB、UC與UN能按規(guī)定端口順序輸出.

Linux操作系統(tǒng)同時(shí)負(fù)責(zé)其他任務(wù)的軟件操作，保證系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行.

3.2 上位機(jī)VB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

VB上位機(jī)的設(shè)計(jì)主要用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢與數(shù)據(jù)庫的建立，通過調(diào)入SD卡中的數(shù)據(jù)，查看過去時(shí)間段產(chǎn)生的相電檢測端口異常情況.

4 端口異常報(bào)警與相序調(diào)整試驗(yàn)

4.1 端口異常報(bào)警試驗(yàn)

為了簡化復(fù)雜的現(xiàn)場異常情況，試驗(yàn)中假設(shè)僅出現(xiàn)一個(gè)端口斷相（或端口未充分接觸），端口異常情況按照2.2.2節(jié)敘述的原理，其情況分為相線或者N線端口異常；進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，先令4個(gè)電纜端口中其中一個(gè)端口不予連接，這里選用U11端口斷開（即通道1），其余端口正常連接，然后用任意一路相線接入斷開的U11端口（15s后將U11端口閉合）進(jìn)行試驗(yàn)；而后斷開電源過段時(shí)間再用N線接入U(xiǎn)11端口，其余端口正常連接后進(jìn)行試驗(yàn).

試驗(yàn)中系統(tǒng)判斷出異常接口并進(jìn)行了蜂鳴器報(bào)警，LCD液晶屏顯示U11端口異常及N線的具體位置，符合2.2節(jié)敘述的原理，同時(shí)將數(shù)據(jù)記錄于SD卡中，便于日后進(jìn)行查詢，其VB數(shù)據(jù)查詢結(jié)果如圖5.

圖5 相電檢測試驗(yàn)Figure 5 Phase detection testing

試驗(yàn)結(jié)果表明，相電檢測模塊以及相應(yīng)的軟件程序能夠較好的判斷出端口異常的情況，同時(shí)準(zhǔn)確定位異常端口的通道位置并進(jìn)行報(bào)警操作.

4.2 相序自動(dòng)調(diào)整試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，需對4個(gè)電纜端口進(jìn)行24種排列，根據(jù)2.2.1節(jié)所述的原理，排列可以簡化為8類情況，分別多次測量相序調(diào)整前后的相位差并進(jìn)行算術(shù)平均值運(yùn)算，結(jié)果如表1.由表格可知，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在相鄰兩相出現(xiàn)120°的正序情況下，系統(tǒng)模塊對相序不予調(diào)整，仍按正序輸出；而相鄰兩相出現(xiàn)240°的反序情況時(shí)，系統(tǒng)就會通過主回路空載態(tài)陣列，調(diào)整相序使之成為相位差為120°的正序輸出.

表1 相位差測量結(jié)果Table 1 Measurement results of the phase－difference

5 結(jié) 語

系統(tǒng)通過采用ARM9處理器芯片S3C2410X作為主控制器，應(yīng)用Linux操作系統(tǒng)的多任務(wù)處理功能，實(shí)現(xiàn)了相電檢測處理與相序自動(dòng)調(diào)整的功能，同時(shí)以精度為10位AD轉(zhuǎn)換模塊對相電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，用以對相電的輸入狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控；在出現(xiàn)異常情形下，能夠通過TC35i模塊的GSM無線通信功能，電話通知或發(fā)送短信給工作人員，保護(hù)用電設(shè)備的安全運(yùn)行.在上位機(jī)與嵌入式下位機(jī)遠(yuǎn)程通訊方面還有待進(jìn)一步研究.

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