曹文霞，賈艷梅，馮玉泉

（石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050035）

基于ARM的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

曹文霞，賈艷梅，馮玉泉

（石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050035）

近些年來，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大量非線性設(shè)備廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)過程中，給電能質(zhì)量帶來了極大的影響。為了保證生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行，開發(fā)了基于DSP+ARM方式的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)在對比傳統(tǒng)監(jiān)控方案的基礎(chǔ)上，提出了基于DSP+ARM方式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并說明了該方案的整體框架及各模塊的功能。研究結(jié)果表明：方案可行性強(qiáng)、監(jiān)測精確度高、反饋迅速，對提高電能質(zhì)量具有良好的指導(dǎo)意義。

DSP；ARM；數(shù)據(jù)采集模塊

近年來，由于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)過程中大量采用非線性設(shè)備來完成生產(chǎn)過程。這些非線性設(shè)備的引入，雖然可以提高生產(chǎn)能力，但也對電能質(zhì)量的穩(wěn)定和提高帶來了嚴(yán)重的影響。在這些影響當(dāng)中，各種變頻器、整流器、電弧爐的接入以及高壓直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用，使電網(wǎng)當(dāng)中的諧波分量日益增大，造成了嚴(yán)重的諧波污染，同時各種大型沖擊性負(fù)載及非對稱負(fù)載的接入，破壞著電網(wǎng)的平衡性和對稱性，也造成了電網(wǎng)暫態(tài)干擾大、電壓閃變的隱患。這些干擾所造成的諸多電能質(zhì)量問題，極大地影響著電網(wǎng)的安全運(yùn)行，同時也嚴(yán)重地妨礙著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行，因此，開發(fā)有效的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，對提高電能質(zhì)量，保障用戶用電設(shè)備的正常工作以及工農(nóng)業(yè)的持續(xù)高效生產(chǎn)具有重要的意義。

1 傳統(tǒng)監(jiān)控方案分析

電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是對電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、用電等各環(huán)節(jié)的電力運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行有效的監(jiān)控。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先要實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的電能參數(shù)的實(shí)時采集，并對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理和分析，以校驗(yàn)所采集數(shù)據(jù)是否符合安全生產(chǎn)規(guī)范，以便調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行過程，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

一個性能良好的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)不僅要具有高速的處理能力，還要具備實(shí)時任務(wù)調(diào)度能力?；谝陨弦?，目前常用的電能質(zhì)量監(jiān)測方案主要有基于采集卡+工控機(jī)、單片機(jī)、DSP、單片機(jī)+DSP等四種方式[1]。

早期的電能質(zhì)量采用采集卡+工控機(jī)的設(shè)計(jì)方式來實(shí)現(xiàn)，具有功能性強(qiáng)、準(zhǔn)確度相對較高的優(yōu)點(diǎn)。但是由于缺少智能化和網(wǎng)絡(luò)化的支持，所以該方式的靈活性和實(shí)時性受到了一定程度的限制，不適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

單片機(jī)的應(yīng)用對電能質(zhì)量監(jiān)測水平的提高提供了良好的支持。豐富的外設(shè)、良好的控制能力、人機(jī)交互能力都推動著監(jiān)測能力的提高。但是，單片機(jī)控制方式的不足之處也是顯而易見的：內(nèi)核主頻能力的欠缺導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理能力不夠強(qiáng)大，延長了復(fù)雜算法的運(yùn)行時間；不完善的協(xié)議棧，制約了基于以太網(wǎng)通信的應(yīng)用，限制了長距離通信的實(shí)現(xiàn)，所以目前單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案一般適用于對數(shù)據(jù)處理要求不高、運(yùn)算量不大的監(jiān)測裝置。

DSP是利用數(shù)字濾波、離散變換和譜分析等方法對信號進(jìn)行分析、變換、濾波、檢測、調(diào)制、解調(diào)以及快速算法的一門技術(shù)，具有信息處理能力強(qiáng)、技術(shù)成熟的基本特點(diǎn)，系統(tǒng)的通信能力和實(shí)時性也具有相當(dāng)?shù)谋Ｕ希虼诉m用于數(shù)據(jù)處理運(yùn)算量大、實(shí)時性要求高而對控制要求相對較低的監(jiān)測系統(tǒng)。

將單片機(jī)與DSP相結(jié)合，形成利用單片機(jī)進(jìn)行控制、DSP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的組合方式。這種設(shè)計(jì)方式可以吸取單片機(jī)和DSP各自的優(yōu)點(diǎn)，并利用雙口RAM來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和DSP間通信協(xié)調(diào)，嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制，以便實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的有效監(jiān)控。

2 基于DSP+ARM遠(yuǎn)程質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合目前遠(yuǎn)程質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的具體應(yīng)用要求，本設(shè)計(jì)采用DSP與ARM相結(jié)合的基本設(shè)計(jì)思路。相比于單片機(jī)，ARM芯片價格略高，但是技術(shù)優(yōu)勢明顯，具有速度快、性能高、功耗低、芯片集成度高和外圍接口豐富的基本特點(diǎn)。在ARM上移植嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，同時結(jié)合DSP的強(qiáng)大運(yùn)算能力，可以有效地實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，遠(yuǎn)距離通信，能夠兼顧當(dāng)前電能質(zhì)量監(jiān)測裝置多為安裝于現(xiàn)場的發(fā)展趨勢和多任務(wù)的基本要求。

基于DSP+ARM遠(yuǎn)程質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的基本硬件架構(gòu)如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、DSP處理模塊和ARM工程模塊三大部分構(gòu)成，可用于監(jiān)測頻率為50 Hz、有效值為220V的三相交流供電系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的主要任務(wù)是將電流及電壓等有效的待檢測信號利用變送、檢測、采樣等主要環(huán)節(jié)傳送到DSP處理模塊，以便對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行有效的計(jì)算。

該模塊主要由電壓電流變送、瞬變檢測、A/D轉(zhuǎn)換和鎖相環(huán)等幾部分電路構(gòu)成。電壓電流變送由傳感器中的敏感元件進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，利用傳感器中的轉(zhuǎn)換元件將被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號。采集的電信號利用A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號的離散處理后，通過雙端口RAM輸入DSP，進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理。電壓、電流的瞬變檢測采用單獨(dú)的監(jiān)測電路，也通過雙端口RAM輸入DSP。

為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集的有效性，本模塊采用鎖相環(huán)技術(shù)來保證時鐘同步，利用CPLD來協(xié)調(diào)瞬變檢測、A/D轉(zhuǎn)換、鎖相環(huán)與DSP之間的協(xié)調(diào)工作。數(shù)據(jù)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)

2.2 DSP處理模塊

DSP處理器分為定點(diǎn)DSP和浮點(diǎn)DSP。過去以DSP為核心模塊的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)大多采用定點(diǎn)的DSP，但是隨著各個項(xiàng)目對處理速度與精度、存儲器容量、編程的靈活性和方便性等要求的不斷提高，浮點(diǎn)運(yùn)算DSP逐步應(yīng)用到了高精度的數(shù)字信號處理中。

本文所設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)所選用的是TI公司的浮點(diǎn)DSP處理器TMS320C6713，具有動態(tài)范圍大、計(jì)算精度高、總線寬、硬件資源更為豐富的優(yōu)點(diǎn)，可以避免定點(diǎn)DSP數(shù)據(jù)溢出、耗費(fèi)程序空間和時間的弊端[2]。TMS320C6713工作主頻可達(dá)200 MHz，能夠滿足所設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)高精度、參數(shù)計(jì)算高密度和數(shù)據(jù)處理高速度的要求。同時CPU采用雙線哈佛結(jié)構(gòu)，還在片內(nèi)集成了許多外圍設(shè)備，保證了TMS320C6713的工作性。

在本設(shè)計(jì)中，TMS320C6713通過RAM端口與A/D相連，從而實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的采集，而另一個RAM端口與ARM集成模塊相連，以便將DSP處理過的數(shù)據(jù)傳送給ARM。同時，DSP通過CPLD對瞬變檢測、A/D轉(zhuǎn)換和鎖相環(huán)等幾部分電路進(jìn)行邏輯控制。

2.3ARM工程模塊

ARM模塊由核心模塊和底板模塊兩部分構(gòu)成。根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測中關(guān)于數(shù)據(jù)的采集、處理、統(tǒng)計(jì)、存儲、通信等各方面的要求，本設(shè)計(jì)選用了M2020-N20集成模塊作為ARM模塊的核心板，M22A Series EV Board評估板作為模塊底板。

M2020-N20是基于LPC2220工業(yè)級微控制器，支持10 M以太網(wǎng)（工業(yè)級）、CF卡、A/D轉(zhuǎn)換、RTC等功能。由于提供總線保護(hù)設(shè)計(jì)，核心板在EMC性能及穩(wěn)定性方面具有良好的表現(xiàn)。 而M22A底板具有良好的電磁兼容性能和完善的總線保護(hù)設(shè)計(jì)，使監(jiān)控系統(tǒng)在外圍總線發(fā)生故障的狀況下依然能正常工作，特別適用于過程控制、稅控機(jī)、POS機(jī)、安全監(jiān)控、汽車記錄儀等的開發(fā)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將ARM模塊所處理的數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)，并利用上位機(jī)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中存放著各檢測點(diǎn)的實(shí)時電能質(zhì)量參數(shù)及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)閾值范圍。將系統(tǒng)傳來的實(shí)時參數(shù)與相應(yīng)的閾值范圍進(jìn)行對比，可以實(shí)時分析出相應(yīng)的電能質(zhì)量指標(biāo)，并利用該指標(biāo)來完成系統(tǒng)下一步?jīng)Q策的指導(dǎo)。此外，上位機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)各種實(shí)時、歷史、統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)的查詢和對比分析及顯示功能。圖3是上位機(jī)界面讀取到的電能參數(shù)。

圖3 讀取電能參數(shù)界面

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)利用嵌入式ARM系統(tǒng)，以DSP為數(shù)據(jù)處理核心，開發(fā)了基于以太網(wǎng)的電能質(zhì)量實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。DSP的使用有利地保證了系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)處理能力，而ARM模塊的使用滿足了系統(tǒng)關(guān)于數(shù)據(jù)采集、處理、統(tǒng)計(jì)、存儲、通信等各方面的要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，本文所設(shè)計(jì)的裝置已經(jīng)達(dá)到各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，滿足現(xiàn)代化電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化與實(shí)時性的要求。

[1]肖湘寧，韓民曉，徐永海.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2004：9-11.

[2]王麗穎.基于DSP和ARM的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009：10-12.

Research and design of remote power qualitymonitoring system based onARM

CAO Wen-xia,JIA Yan-mei,FENG Yu-quan

In recent years,with the development of power electronics technology,a large number of non-linear equipments were widely used in the production process,and the electric energy quality was greatly influenced by this. The remote power qualitymonitoring system based on DSP+ARM was developed in order to ensure the smooth production.The design scheme system was proposed based on DSP+ARM under the comparison of the nationalmonitoring system,and the overall framework of the scheme and the function of eachmodule based on the comparison of traditional control scheme were described.Research results show that:the feasibility,high precision, strongmonitoring feedback quickly are the advantages of the system.So it was good to improve the electric energy.

DSP;ARM;data samplingmodule

TM 769

A

1002-087 X(2014)10-1940-02

2014-05-10

曹文霞(1972—)，女，河北省人，副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)。